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制造模型的方法和模型

閱讀：856發(fā)布：2023-01-26

專利匯可以提供制造模型的方法和模型專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 涉及一種制造模型的方法和相應(yīng)的模型，該模型類似于人或動(dòng)物的器官或組織，該模型包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)類組織特性的第一區(qū)域和至少一個(gè)具有連接到其上的多個(gè)中空分支的空腔，多個(gè)中空分支中的至少一些形成為使得其突出到所述具有類組織特性的第一區(qū)域中。本發(fā)明還涉及一種制造上述第一結(jié)構(gòu)的制造模型的方法。，下面是制造模型的方法和模型專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種制造模型（10）的方法，所述模型類似于人或動(dòng)物的器官或組織，所述模型（10）包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)類組織特性的第一區(qū)域和至少一個(gè)具有連接到其上的多個(gè)中空分支的空腔，多個(gè)中空分支中的至少一些形成為使得其突出到所述具有類組織特性的第一區(qū)域中，其特征在于，該方法包括以下步驟：
制造具有與所述至少一個(gè)空腔的形狀和連接到所述至少一個(gè)空腔的多個(gè)分支的內(nèi)部形狀相似的至少一個(gè)第一結(jié)構(gòu)（18）；
將所述第一結(jié)構(gòu)（18）放置在具有與所述模型（10）的外部形狀相似的內(nèi)部形狀的模型模具（20a，b）中；
用具有所述至少一個(gè)類組織特性的材料填充所述模型模具（20a，b）以形成所述模型（10）；
從所述模型（10）移除所述第一結(jié)構(gòu)（18），以在所述模體（10）內(nèi)形成所述具有連接到其的多個(gè)中空分支的空腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟：
在所述模型模具（20a，b）中提供至少一個(gè)第二結(jié)構(gòu)（26,28），所述至少一個(gè)第二結(jié)構(gòu)選自由以下至少一個(gè)成員構(gòu)成的組中：類腫瘤材料（26）、類組織材料（28）、過(guò)渡區(qū)、至少一塊石塊，例如腎結(jié)石，至少一塊骨頭，形成至少一個(gè)血管或互連血管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，形成另一空腔的結(jié)構(gòu)，神經(jīng)或互連神經(jīng)的模型，假體或至少一種醫(yī)學(xué)植入物，且所述至少一個(gè)第二結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)選地為非水溶性和水溶性之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，從所述模型（10）去除所述第一結(jié)構(gòu)（18）的步驟通過(guò)施加熱、使用溶劑、使用機(jī)械力其中至少之一并且由于用于所述第一結(jié)構(gòu)（18）的材料與所述具有至少一個(gè)類組織特性的材料之間的反應(yīng)性差異而實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)（18）的材料是非水溶性的，例如，蠟，并且所述具有至少一種類組織特性的材料是水溶性的，例如，瓊脂糖凝膠。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述模型模具（20a，b），所述第一結(jié)構(gòu)（18）和所述第二結(jié)構(gòu)（26,28）中的至少一個(gè)是使用3D打印機(jī)形成。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)（18,26,28）中的至少一個(gè)形成在模具（30）中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)（18）在平均均方根誤差小于2mm內(nèi)制造，優(yōu)選小于0.5mm。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，選擇所述具有至少一種類組織特性的材料，使得所述至少一種類組織特性再現(xiàn)器官中發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)組織的機(jī)械性能、在MRI、CT、X射線或超聲成像中的成像對(duì)比度、光學(xué)性質(zhì)、視覺(jué)外觀、組織或器官的電磁輻射吸收、組織或器官的聲波吸收、組織或器官的觸覺(jué)特性以及彈性模量其中至少之一。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，具有至少一種類組織特性的材料包括形成均勻或不均勻的混合物的混合物，所述混合物再現(xiàn)器官組織的進(jìn)一步特征，例如，吸光度，電磁輻射或聲波的散射，或其視覺(jué)外觀。
10.一種制造模型的方法，特別是根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)和制造至少一第一結(jié)構(gòu)（18）的步驟，制造用于第一結(jié)構(gòu)（18）的模具（30）的步驟，所述第一結(jié)構(gòu)（18）具有類似于至少一個(gè)空腔和連接到所述空腔的多個(gè)分支的內(nèi)部的形狀的形狀，所述方法包括以下步驟：
產(chǎn)生所述第一結(jié)構(gòu)（18）的正插塞（18a）；
用彈性材料涂覆所述正插塞（18a）以形成一旦固化便保持所述正插塞（18a）外緣曲線的第一結(jié)構(gòu)模具（30）；
機(jī)械地去除固化的所述第一結(jié)構(gòu)模具（30）；
用材料填充所述第一結(jié)構(gòu)模具（30）以形成所述第一結(jié)構(gòu)（18）；和
從所述第一結(jié)構(gòu)模具（30）移除所述第一結(jié)構(gòu)（18）。
11.一種模型（10），所述模型類似于人或動(dòng)物的器官或組織，所述模型（10）包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)類組織特性的第一區(qū)域和至少一個(gè)具有連接到其上的多個(gè)中空分支的空腔，其特征在于，所述模型通過(guò)根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的制造模型（10）的方法獲得。
12.一種模型（10），所述模型類似于人或動(dòng)物的器官或組織，所述模型（10）包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)類組織特性的第一區(qū)域和至少一個(gè)具有連接到其上的多個(gè)中空分支的第一空腔，其特征在于，多個(gè)中空分支中的至少一些形成在所述具有類組織特性的第一區(qū)域內(nèi)，連接到所述第一空腔的多個(gè)分支的平均均方根誤差小于2mm，優(yōu)選小于1mm，最優(yōu)選小于
0.6mm。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的模型（10），其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)（18）是基于從掃描真實(shí)器官的CT掃描器獲得的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的，并且完成的所述第一結(jié)構(gòu)和/或模型同樣地使用CT掃描器進(jìn)行掃描，且將掃描的所述第一結(jié)構(gòu)或模型的圖像數(shù)據(jù)與用于設(shè)計(jì)所述第一結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以便獲得關(guān)于平均均方根誤差的數(shù)據(jù)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的模型（10），其特征在于，選擇所述具有至少一種類組織特性的材料，使得所述至少一種類組織特性再現(xiàn)器官中發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)組織的機(jī)械性能、在MRI、CT、X射線或超聲成像中的成像對(duì)比度、光學(xué)性質(zhì)、視覺(jué)外觀、組織或器官的電磁輻射吸收、組織或器官的聲波吸收、組織或器官的觸覺(jué)特性以及彈性模量其中至少之一。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任一項(xiàng)所述的模型（10），其特征在于，所述第一結(jié)構(gòu)（18）的材料是不溶于水的，例如蠟，并且所述具有至少一種類組織特性的材料是水溶性的，例如，瓊脂糖凝膠，所述模型（10）還包括至少一個(gè)第二結(jié)構(gòu)（26,28）。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的模型（10），其特征在于，所述模型（10）自以下模型中選擇：動(dòng)物或者人類心臟、腦、肺、腎、至少一個(gè)血管、肝臟、胰腺、膽囊、胃腸道、泌尿道、睪丸、陰莖、女性生殖道、乳房、前列腺、耳朵、眼睛、鼻子、闌尾、關(guān)節(jié)、骨骼和心臟。

說(shuō)明書(shū)全文

制造模型的方法和模型

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本發(fā)明涉及一種制造類似于人類或動(dòng)物器官或組織的模型(模型)的方法，模型包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)類組織特性的第一區(qū)域和至少一個(gè)具有連接到其上的多個(gè)中空分支的空腔，多個(gè)中空分支中的至少一些形成為使得其突出到所述具有類組織特性的第一區(qū)域中；以及涉及一種對(duì)應(yīng)的模型。

背景技術(shù)

[0002] 解剖學(xué)正確的身體部位如器官或關(guān)節(jié)的生產(chǎn)是已知的。這些身體部位通常由外科醫(yī)生和/或教師使用，以便解釋所關(guān)注的身體部位的功能以及可能存在缺陷，例如破裂的韌帶或腫瘤，會(huì)存在于身體什么部位，以及為什么需要解決這個(gè)缺陷。
[0003] 然而，這些模型通常由剛性塑料材料制成，因此在對(duì)其進(jìn)行操作時(shí)不會(huì)感覺(jué)到這個(gè)身體部位能傳到出什么感覺(jué)。
[0004] 此外，當(dāng)所關(guān)注的身體部位具有存在于其中的空腔(例如血管)時(shí)，其通常不形成為中空空間，而是由一塊材料形成。因此，這種身體部位的解剖學(xué)正確模型不能用于外科醫(yī)生和學(xué)生的關(guān)于如何實(shí)施醫(yī)療程序的醫(yī)學(xué)培訓(xùn)，例如，如何使用醫(yī)療植入物對(duì)所述身體部位進(jìn)行手術(shù)或診斷。
[0005] 相反，外科手術(shù)訓(xùn)練輔助器是已知的可以用于外科醫(yī)生的訓(xùn)練。這些訓(xùn)練輔助裝置通常具有類似于相關(guān)身體部位的外形；然而，形成于其中的空腔通常由至少一個(gè)氣囊形成，因此不會(huì)產(chǎn)生高度的解剖學(xué)正確性，因此，諸如為了放射學(xué)訓(xùn)練的目的，腎臟中的腎盞不容易被識(shí)別。
[0006] 此外，這些培訓(xùn)輔助材料通常不是由外科醫(yī)生能獲得正確的器官感覺(jué)的材料制成的，因?yàn)橛糜谥圃爝@些模具的材料的彈性模量與真實(shí)器官的彈性模量不同。

發(fā)明內(nèi)容

[0007] 為此，本發(fā)明的目的是提供一種解剖學(xué)正確的模型，其不僅具有解剖學(xué)上正確的外部形狀，而且還包括解剖學(xué)上正確的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如空腔，使得模型可以可靠地用作手術(shù)培訓(xùn)輔助工具。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種解剖學(xué)上正確的模型，其同時(shí)也復(fù)制了相關(guān)器官的至少一些特性。本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種在精力和成本方面要求較低的制造方法。
[0008] 這些目的通過(guò)如本文所述的制造模型的方法和相應(yīng)的模型來(lái)滿足。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明提供的制造類似于人或動(dòng)物器官或組織的模型的方法，所述模型包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)類組織特性的第一區(qū)域和至少一個(gè)具有連接到其上的多個(gè)中空分支的空腔，多個(gè)中空分支中的至少一些形成為使得其突出到所述具有類組織特性的第一區(qū)域中，該方法包括以下步驟：制造具有與所述至少一個(gè)空腔的形狀和連接到所述至少一個(gè)空腔的多個(gè)分支的內(nèi)部形狀相似的至少一個(gè)第一結(jié)構(gòu)；
將所述第一結(jié)構(gòu)放置在具有與所述模型的外部形狀相似的內(nèi)部形狀的模型模具中；
用具有所述至少一個(gè)類組織特性的材料填充所述模型模具以形成所述模型；
從所述模型移除所述第一結(jié)構(gòu)，以在所述模體內(nèi)形成所述具有連接到其的多個(gè)中空分支的空腔。
[0010] 通過(guò)在形成解剖學(xué)正確的模型外部形狀的模具中提供解剖學(xué)正確的第一結(jié)構(gòu)，從而可以獲得不僅具有解剖學(xué)上正確的外部形狀而且具有解剖學(xué)正確的內(nèi)部形狀的模型。
[0011] 這樣的制造方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，例如，模型模具可以重復(fù)使用多次。
[0012] 優(yōu)選地，制造至少一個(gè)第一結(jié)構(gòu)的步驟，包括從真實(shí)動(dòng)物或人體器官的醫(yī)學(xué)成像裝置，優(yōu)選CT圖像數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備圖像數(shù)據(jù)的步驟，并根據(jù)所獲得的圖像數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)第一結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，第一結(jié)構(gòu)的分辨率的限制由用于提供與第一結(jié)構(gòu)有關(guān)的圖像數(shù)據(jù)的醫(yī)學(xué)成像裝置的空間分辨率來(lái)定義。在這方面應(yīng)當(dāng)注意，醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)可以由MRI裝置，CT掃描儀，PET，X射線裝置和超聲裝置中的至少一個(gè)來(lái)提供。
[0013] 類似地，也可以參考使用醫(yī)學(xué)成像裝置獲得的相關(guān)真實(shí)器官的數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)模型模具。
[0014] 優(yōu)選的，該方法進(jìn)一步包括以下步驟：在所述模型模具中提供至少一個(gè)第二結(jié)構(gòu)，該至少一個(gè)第二結(jié)構(gòu)選自由至少以下成員之一構(gòu)成的組中：腫瘤、過(guò)渡區(qū)、至少一個(gè)石塊，例如腎結(jié)石，形成至少一個(gè)血管或互連血管網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，形成另一空腔的結(jié)構(gòu)，神經(jīng)或互連神經(jīng)的模型，假體或至少一種醫(yī)學(xué)植入物，且所述至少一個(gè)第二結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)選的為非水溶性和水溶性之一。
[0015] 因此，不僅可以提供解剖學(xué)正確的模型，而且可以提供具有腫瘤的模型，外科醫(yī)生可以在模型上進(jìn)行腫瘤去除手術(shù)。
[0016] 此外，腫瘤還可以具有不同的材料性質(zhì)，使得模型也可以用于例如放射科醫(yī)生的診斷訓(xùn)練。
[0017] 有利的是，從所述模型去除第一結(jié)構(gòu)的步驟通過(guò)施加熱、使用溶劑其中至少之一并且由于用于第一結(jié)構(gòu)的材料與所述具有至少一個(gè)類組織特性的材料之間的反應(yīng)性差異而實(shí)現(xiàn)。
[0018] 使用例如蠟材料或低熔點(diǎn)金屬(例如鎵)以形成第一結(jié)構(gòu)和可選的第二結(jié)構(gòu)，意味著它們可以在施加熱量和施加溶劑(僅為可選的)時(shí)被除去，使得水基化合物可以用作形成模型的材質(zhì)。水基化合物通常具有類似于人類器官的性質(zhì)，因?yàn)樗鼈兺ǔ０?0％至98％的水。可以使用具有不同熔點(diǎn)的材料分別形成第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)，并且溫度差異有助于順序地去除材料。因此，第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)的空腔被保留并由不同的材料模制。
[0019] 使用例如碳酸鈣作為形成第一結(jié)構(gòu)的材料，使得由于其與酸性溶液的反應(yīng)性而可以除去第一結(jié)構(gòu)以形成可溶性產(chǎn)物和氣體，但是模型和第二結(jié)構(gòu)的材料由于其對(duì)酸的反應(yīng)性低而將被保留。
[0020] 以這種方式，第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)可以分別以可以從模型移除的蠟插入件的形式提供?；蛘?，僅第一結(jié)構(gòu)由水不溶性(非水溶性)材料制成，第二結(jié)構(gòu)由水溶性材料形成以模仿腫瘤。
[0021] 如果第二結(jié)構(gòu)的熔化溫度不同于第一結(jié)構(gòu)的熔化溫度，則也是有益的。通過(guò)這種方式，因?yàn)楸患訜岬礁呋蚋偷臏囟龋梢栽谀＞邇?nèi)形成具有不同材料性質(zhì)的腔壁的空腔。如此，舉例來(lái)說(shuō)，相對(duì)于類似神經(jīng)或其他類型空腔的區(qū)域，具有較高彈性的血管可以在模型內(nèi)形成。
[0022] 關(guān)于此方面，優(yōu)選的是，第一結(jié)構(gòu)的材料是非水溶性的，例如，蠟，低熔點(diǎn)金屬如鎵，并且該具有至少一種類組織特性的材料是水溶性的，例如瓊脂糖凝膠、明膠、膠原蛋白、彈性蛋白、PEG(聚乙二醇)。
[0023] 優(yōu)選地，可使用3D打印機(jī)形成模型模具、第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)。
[0024] 3D打印機(jī)可用于生產(chǎn)小型結(jié)構(gòu)件，因此可用于制造類似于人體或動(dòng)物體部位的解剖學(xué)上正確的結(jié)構(gòu)。然后通過(guò)所使用的3D打印機(jī)的分辨率來(lái)限定形成模型的插入件或外部形狀形的插入件或模具的分辨率。這通常優(yōu)于用于設(shè)計(jì)相應(yīng)部分，例如第一結(jié)構(gòu)、第二結(jié)構(gòu)或模型模具的圖像數(shù)據(jù)的分辨率。
[0025] 有利地，第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)是在模具中形成。在模具中形成嵌入模型的結(jié)構(gòu)意味著可以以非常經(jīng)濟(jì)有效且時(shí)間有效的方式生產(chǎn)這些結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)的材料可以例如只需簡(jiǎn)單的將其倒入模具中固化，然后從模具中取出。此外，使用模具也使得結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)耗時(shí)更少且重復(fù)性高。
[0026] 優(yōu)選地，該第一結(jié)構(gòu)的平均均方根誤差小于2mm，優(yōu)選地小于0.5mm。如此，可以獲得解剖學(xué)正確的第一結(jié)構(gòu)。并且當(dāng)?shù)谝唤Y(jié)構(gòu)被插入模具中并且隨后從模具中移除時(shí)，解剖學(xué)上正確的空腔可以在模型內(nèi)形成。
[0027] 優(yōu)選地，基于從CT掃描儀獲得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)第一結(jié)構(gòu)，并且使用CT掃描儀同樣地掃描完成的第一結(jié)構(gòu)和/或模型，將掃描的第一結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)與用于設(shè)計(jì)第一結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以獲得平均均方根誤差的數(shù)據(jù)。
[0028] 應(yīng)當(dāng)注意，也可以使用諸如MRI，PET，超聲和X射線等其它醫(yī)學(xué)成像裝置來(lái)設(shè)計(jì)模型模具的第一結(jié)構(gòu)或第二結(jié)構(gòu)的形狀。
[0029] 有益的是，選擇所述具有至少一種類組織特性的材料，使得所述至少一種類組織特性再現(xiàn)器官中發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)組織的機(jī)械性能、在MRI、CT、X射線或超聲成像中的成像對(duì)比度、光學(xué)性質(zhì)、視覺(jué)外觀、組織或器官的電磁輻射吸收、組織或器官的聲波吸收、組織或器官的觸覺(jué)特性以及彈性模量其中至少之一。
[0030] 對(duì)于嵌入模型中的第二結(jié)構(gòu)，如果是腫瘤，也可以選擇以上相同的材料屬性。因此，用于第二結(jié)構(gòu)的材料具有至少一種特性，可以再現(xiàn)器官中發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)組織或者缺陷(例如腫瘤)的機(jī)械性能、在MRI、CT、X射線或超聲成像中的成像對(duì)比度、光學(xué)性質(zhì)、視覺(jué)外觀、組織或器官的電磁輻射吸收、組織或器官的聲波吸收、組織或器官的觸覺(jué)特性以及彈性模量其中至少之一。
[0031] 通過(guò)包括至少一種具有這些性質(zhì)中的至少一些的材料或材料的混合物，可以根據(jù)模型的具體應(yīng)用來(lái)定制模型的屬性。
[0032] 例如，如果將模型用作診斷訓(xùn)練輔助裝置，則將具有特別良好成像特性的材料結(jié)合到模型中是有益的。
[0033] 同樣地，如果該訓(xùn)練輔助用作外科手術(shù)訓(xùn)練輔助，則可以選擇組織的彈性模量以對(duì)應(yīng)于器官中發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)組織的器官的彈性模量，且嵌入其中的例如腫瘤之類的彈性模量也可被選擇以使得其感覺(jué)像一個(gè)腫瘤，例如，包括比形成模型的體材料的類組織材料更致密的材料。
[0034] 優(yōu)選地，具有至少一種類組織特性的材料和/或形成第二結(jié)構(gòu)的材料包括形成均勻或不均勻混合物的混合物，其可再現(xiàn)器官組織的進(jìn)一步特征，例如，吸光度，電磁輻射或聲波的散射，或其視覺(jué)外觀。
[0035] 這些特性可以通過(guò)諸如核磁共振(MRI)、CT掃描儀和X線設(shè)備或者超聲設(shè)備之類的成像裝置檢測(cè)到。
[0036] 有利地，本發(fā)明還包括一種制造用于制造至少一個(gè)第一結(jié)構(gòu)的第一結(jié)構(gòu)模具，其中所述第一結(jié)構(gòu)具有類似于至少一個(gè)用于制造模型的空腔和連接到所述空腔的多個(gè)分支的內(nèi)部的形狀的形狀。該方法可以有效的與前述方法結(jié)合使用。
[0037] 在任何情況下，制造用于第一結(jié)構(gòu)的模具的方法包括以下步驟：產(chǎn)生所述第一結(jié)構(gòu)的正插塞，例如，使用3D打??；
用彈性材料，例如 (Smooth-on公司，美國(guó))涂覆所述正插塞以
形成一旦固化便保持所述正插塞外緣曲線的第一結(jié)構(gòu)模具；
機(jī)械地去除固化的所述第一結(jié)構(gòu)模具，例如通過(guò)從第一結(jié)構(gòu)剝離第一結(jié)構(gòu)模具；
用材料，例如蠟材料填充所述第一結(jié)構(gòu)模具以形成所述第一結(jié)構(gòu)(18)；和
從所述第一結(jié)構(gòu)模具移除所述第一結(jié)構(gòu)，例如從第一結(jié)構(gòu)剝離所述第一結(jié)構(gòu)模具。
[0038] 如此，可以提供解剖學(xué)上正確的插入物以產(chǎn)生解剖學(xué)上正確的模型。同樣可以根據(jù)如上所述使用CT掃描器或其他成像數(shù)據(jù)獲得的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)正插塞。
[0039] 在另一方面，本發(fā)明涉及一種具有至少一個(gè)類組織特性的第一區(qū)域和至少一個(gè)具有連接到其上的多個(gè)中空分支的空腔的模型，所述模型根據(jù)本文教導(dǎo)的用于制造模型的方法獲得。
[0040] 前述闡述的關(guān)于(制造模型)的方法的優(yōu)點(diǎn)類似的適用于該模型。
[0041] 在這方面，應(yīng)當(dāng)注意，形成模型的第一區(qū)域的組織的材料優(yōu)選是水溶性的，例如由瓊脂糖凝膠制成。
[0042] 優(yōu)選地，類似于人或動(dòng)物器官或組織的模型包括至少一個(gè)具有至少一個(gè)類組織性質(zhì)的區(qū)域，以及至少一個(gè)具有多個(gè)連接到其上的中空分支的第一空腔，其中，多個(gè)中空分支中的至少一些形成在所述具有類組織特性的第一區(qū)域內(nèi)，其中連接到第一空腔的多個(gè)分支的平均均方根誤差小于2mm，優(yōu)選小于1mm，最優(yōu)選地小于0.6mm。
[0043] 這樣的模型包括以從未見(jiàn)過(guò)解剖正確性的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如在現(xiàn)有技術(shù)中使用的氣球具有最小為2mm的區(qū)域尺寸，因此不能產(chǎn)生平均均方根誤差小于2mm的結(jié)構(gòu)?？梢韵嘈?，本文公開(kāi)的結(jié)構(gòu)具有比現(xiàn)有技術(shù)好一個(gè)數(shù)量級(jí)的分辨率。
[0044] 有利地，基于從掃描真實(shí)器官的CT掃描儀獲得的數(shù)據(jù)計(jì)第一結(jié)構(gòu)，并且完成的第一結(jié)構(gòu)設(shè)和/或模型同樣使用CT掃描儀掃描，其中掃描的第一結(jié)構(gòu)或模型的圖像數(shù)據(jù)與用于設(shè)計(jì)第一結(jié)構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以獲得關(guān)于平均均方根誤差的數(shù)據(jù)。按照這種方式，第一結(jié)構(gòu)的分辨率的極限是用于掃描真實(shí)器官并隨后設(shè)計(jì)第一結(jié)構(gòu)的CT掃描儀的分辨率的極限。
[0045] 同時(shí)，上述比較表明，用于配置模型的材料具有良好的放射學(xué)特性，因?yàn)檫@些材料可以使用CT掃描儀進(jìn)行識(shí)別和分析。
[0046] 優(yōu)選的，所述具有至少一種類組織特性的材料被選擇以使得所述至少一種類組織特性再現(xiàn)器官中發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)組織的機(jī)械性能、在MRI、CT、X射線或超聲成像中的成像對(duì)比度、光學(xué)性質(zhì)、視覺(jué)外觀、組織或器官的電磁輻射吸收、組織或器官的聲波吸收、組織或器官的觸覺(jué)特性以及彈性模量其中至少之一優(yōu)選的是，第一結(jié)構(gòu)的材料是非水溶性的，例如蠟，并且所述具有至少一種類組織特性的材料是水溶性的，比如瓊脂糖凝膠。
[0047] 如此，空腔的形狀由蠟定義。在這方面，應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于腎模型(腎模型)，第一結(jié)構(gòu)的形狀可對(duì)應(yīng)于輸尿管，腎盂以及與其連接的至少一些主要和次要的腎盞。
[0048] 還應(yīng)該注意的是，腎臟模型的第二結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成形成腎靜脈和腎動(dòng)脈，這些腎靜脈和腎動(dòng)脈隨后分別進(jìn)入小葉間靜脈和小葉間動(dòng)脈。
[0049] 優(yōu)選地，第一區(qū)域的至少一種材料選自由聚合物， 瓊脂糖凝膠，明膠，膠原，彈性蛋白，PEG(聚乙二醇)，PDMS(聚二甲基硅氧烷)及其組合組成的成員組。
[0050] 優(yōu)選地，腎臟模型還可以包括第三結(jié)構(gòu)例如腫瘤或腎結(jié)石。如果提供的腎臟模型包括輸尿管、腎盂和與其連接的主要和次要的腎盞，以及隨后分別分支進(jìn)入小葉間靜脈和小葉間動(dòng)脈腎靜脈和腎動(dòng)脈，手術(shù)訓(xùn)練輔助設(shè)備可以連接到不同的流體供應(yīng)源，模擬這些流體傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功能，并且外科醫(yī)生或醫(yī)學(xué)學(xué)生可以在有流體在其中傳導(dǎo)的腎臟模型上進(jìn)行諸如腫瘤去除的手術(shù)。如果外科醫(yī)生或醫(yī)學(xué)學(xué)生割斷這些結(jié)構(gòu)其中之一，則流體將從腎臟模型中泄漏，則他們?cè)谟?xùn)練期間就會(huì)被訓(xùn)止。
[0051] 在這方面應(yīng)該指出的是，腫瘤材料摻雜有指示腫瘤存在的試劑，使得在訓(xùn)練結(jié)束后，可以分析是否已經(jīng)從模型中去除了足夠的腫瘤物質(zhì)。
[0052] 有益的，所述模型自以下模型中選擇：動(dòng)物或者人類心臟、腦、肺、腎、至少一個(gè)血管、肝臟、胰腺、膽囊、胃腸道、泌尿道、睪丸、陰莖、女性生殖道、乳房、前列腺和耳朵。附圖說(shuō)明
[0053] 本發(fā)明更多的實(shí)施例將在下面的附圖中進(jìn)行描述。下面將通過(guò)實(shí)施例并參考附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明：圖1a-d是詳細(xì)說(shuō)明為解剖學(xué)正確的腎模型設(shè)計(jì)模具所需的步驟的流程圖；
圖2a-f是建立3D腎臟模型的工作流；
圖3a-c是分別為用不同材料制作的腎臟模型的圖像(正面和背面)；
圖4a-c是為了評(píng)估模型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性而進(jìn)行的步驟；
圖5a-d是用不同材料制作的三個(gè)模型的超聲圖像以及與真實(shí)人體腎臟的對(duì)比；
圖6a-c展示了當(dāng)內(nèi)窺鏡插入其中時(shí)腎臟的反應(yīng)行為的圖像；
圖7a-c是一個(gè)流程圖，展示了在腎臟模型中嵌入腫瘤和石塊所需的步驟；
圖8a-c展示了從軟性腎臟模型中去除腎腫瘤的圖像；
圖9a-e展示手套模方法的流程圖像；
圖10a-d是手套模方法中各執(zhí)行步驟的圖像；
圖11是另一種類型的模型，包括在第一區(qū)域和第二區(qū)域之間的過(guò)渡區(qū)域；
圖12是又一種類型的模型；
圖13是在膀胱模型上進(jìn)行內(nèi)窺鏡手術(shù)的視野；以及
圖14是進(jìn)行外科手術(shù)的腎臟模型的進(jìn)一步視野圖。

具體實(shí)施方式

[0054] 在下文中，相同的附圖標(biāo)記將用于具有相同或等同功能的部件。關(guān)于部件的方向的任何陳述都是相對(duì)于圖中所示的位置進(jìn)行的，并且在實(shí)際的應(yīng)用位置上自然可以變化。
[0055] 圖1示出了詳細(xì)描述設(shè)計(jì)解剖學(xué)上正確的腎臟模型10(見(jiàn)圖2)所需的步驟的流程圖。在第一步驟中，獲得人腎臟的X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影(CT)圖像12(參見(jiàn)圖1a)。為了做到這一點(diǎn)，將碘化造影劑(碘濃度為400mg/ml；例如Imeron?400，Bracco?SpA公司，米蘭，意大利)通過(guò)連接到輸尿管的硅膠管注射到腎臟的收集系統(tǒng)中(全部未示出)。之后，使用CT掃描儀8(見(jiàn)圖4a)(Somatom?Definition?Flash，由西門子醫(yī)療提供，福希海姆，德國(guó))掃描死體腎臟，其中空間分辨率為0.3mm。數(shù)據(jù)從軸向平面重建，矩陣尺寸為512×512，視場(chǎng)為154mm×154mm。掃描獲得的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在所謂的DICOM文件中。然后可以使用這些文件來(lái)分析用CT掃描儀8完成的不同掃描。
[0056] 隨后將CT掃描獲得的DICOM文件導(dǎo)入到名稱為InVesalius?3.0.0(目前在http://www.cti.gov.br/invesalius/上可獲取)的計(jì)算機(jī)程序中。如圖1a所示，腎臟具有兩個(gè)不同的區(qū)域，即收集系統(tǒng)14和周圍組織16.由于CT掃描中這兩部分的不同材質(zhì)之間對(duì)比度很大，所以這兩個(gè)區(qū)域14、16可以很容易地在CT掃描(圖像)中彼此區(qū)分。由于濃縮的造影劑的原因，位于中心的收集系統(tǒng)14與腎組織16的顏色不同，其背景顯示為黑色。來(lái)自腎臟的這兩個(gè)區(qū)域14、16的數(shù)據(jù)被分離，以分別計(jì)算并構(gòu)建用于腎臟模型10的內(nèi)?；虿迦爰?8(圖1c)和外模20a、b(圖1d)。每個(gè)部分的表面分別導(dǎo)出為所謂的STL文件，如圖1b中的綠色和紅色所示。
[0057] 圖1c示出了插入件18，其是用于腎臟模型10的收集系統(tǒng)14的解剖學(xué)正確的模具。圖1d示出了用于腎臟模型10的外形的模具20a、b。這被分成兩個(gè)在中間分開(kāi)的負(fù)模具20a、b。為了獲得解剖學(xué)正確的模具20a、b和解剖學(xué)正確的插入物18，可以使用軟件程序Inventor?2016(Autodesk，US)進(jìn)行建模。為了生產(chǎn)模具，DICOM文件分別將導(dǎo)出的STL文件用作Inventor?2016的起點(diǎn)。
[0058] 為了制造解剖學(xué)正確的3D腎臟模型10，進(jìn)行如下圖所示的以下步驟。在3D打印機(jī)(3Z?Pro， )上使用工程蠟( 構(gòu)建材料，該材料是混合物，其確切的化學(xué)成分是公司的商業(yè)秘密)印刷形成收集系統(tǒng)14的插入件18。用55℃的石油，在熱板(未示出)上通過(guò)連續(xù)磁力攪拌除去支撐蠟( 載體材料)。所得到的插入物18可以在圖
2a中看到。
[0059] 外模具20a、b在3D打印機(jī)(Objet?260Connex，Stratasys，以色列)通過(guò)UV固化聚合物 打印。通過(guò)加壓水流除去支撐材料。外模20a、b各自的印制半部分如圖2b所示。之后，將內(nèi)模具18布置在外模具20a的兩個(gè)半部(見(jiàn)圖2c)中的其中一個(gè)之中，然后將外模具20b的另一半放置在模具20a的第一半部上，且墊圈布置在兩個(gè)模具20a，b的半部分之間，這兩個(gè)半部分隨后會(huì)組合并使用螺釘22密封以形成完整的外模具20a、b的，如圖2d所示。
[0060] 為了形成腎臟模型10，將硅橡膠材料( Smooth-on公司，美國(guó))在數(shù)字天平上以重量比1A：1B進(jìn)行混合，充分混合后，脫氣10分鐘，倒入組裝的模具中，在真空烘箱中再次脫氣30分鐘。聚合物在室溫下固化，然后從模具20a、b中小心地脫模。
[0061] 圖2e顯示了從外模具20a、b移除的聚合物腎臟模型10。插入物18仍然存留于腎臟模型10之內(nèi)。
[0062] 隨后通過(guò)在70℃的溫度下連續(xù)通過(guò)磁力攪拌將蠟溶解在乙醇中來(lái)除去插入物18，以形成如圖1f所示的腎臟模型10。所獲得的腎臟模型10可以附著在骨盆上的硅膠管上以模擬輸尿管(未示出)。
[0063] 優(yōu)選地，用于形成用來(lái)通過(guò)模具18的方式構(gòu)造收集系統(tǒng)14的材料，與用于在模具20a、b中形成組織16的材料相比，其具有不同的物理或化學(xué)性質(zhì)或特征。
[0064] 這些不同的物理或化學(xué)特性允許選擇性地去除用于形成收集系統(tǒng)14的插入物的材料，同時(shí)保留組織16的材料。這些特征可以是溶解度、熔點(diǎn)之間的差異，或材料之間的反應(yīng)性差異。例如，形成收集系統(tǒng)14的插入物18的材料不是水溶性的(例如蠟)，而組織16的材料是水溶性的(例如瓊脂糖)。這意味著諸如瓊脂糖之類的水溶性物質(zhì)可用于形成所提出的模型10的本體組織。這是因?yàn)椴迦胛?8可以在不使用溶劑的情況下通過(guò)加熱被去除。這是前所未知的。
[0065] 特別地，用于形成腎臟模型10的組織16的材料被選擇以再現(xiàn)真實(shí)器官的組織的性質(zhì)，例如機(jī)械性質(zhì)，MRI、CT或超聲中的成像對(duì)比度，光學(xué)性質(zhì)或視覺(jué)外觀，組織或器官的電磁輻射吸收特性，或組織或器官的聲波吸收特性，或組織或器官的觸覺(jué)特性。
[0066] 此外，用于形成組織16的材料可以包括形成均勻或不均勻混合物的混合物，其再現(xiàn)組織16的進(jìn)一步的真實(shí)器官特征，例如，吸光度，電磁輻射或聲波的散射，或其視覺(jué)外觀。
[0067] 為了形成腎臟模型10，各種材料均可以考慮，以下非結(jié)論性的列表展示了示例性的材料。
[0068] 1)水性凝膠：瓊脂糖，明膠，膠原蛋白，彈性蛋白，PEG(聚乙二醇)。
[0069] 這些是最重要的材料，因?yàn)樗鼈兣c人的軟組織相比具有許多相似的性質(zhì)。這些也是不能與現(xiàn)有技術(shù)中報(bào)道的3D打印的PVA(聚乙烯基醇)材料一起使用的材料。
[0070] 2)硅氧烷基聚合物：PDMS(聚二甲基硅氧烷)，3)幾種材料的混合物，例如在水基凝膠內(nèi)混合納米纖維，納米顆粒，蛋白質(zhì)或脂肪顆粒以實(shí)現(xiàn)類組織的特性或性質(zhì)。
[0071] 如果腎臟模型10被用作手術(shù)訓(xùn)練工具，則可以將顏料或著色劑加入到形成組織16的材料中，以模擬腎臟模型10中真實(shí)器官的顏色。
[0072] 為了測(cè)試不同的材料，使用三種不同的材料分別制造腎臟模型10。圖3a示出了由類組織的硅氧烷彈性體制成的腎臟模型10，圖3b示出了由PDMS制成的腎臟模型10，圖3c示出了由瓊脂糖(4％)制成的腎臟模型10。
[0073] 圖3a-c所示的各個(gè)腎臟模型10的外形分別與對(duì)應(yīng)的3D重建模型匹配。為了確認(rèn)腎臟模型10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)確實(shí)復(fù)制了真正的腎臟，以與掃描真實(shí)腎臟相同的參數(shù)在腎臟模型10上進(jìn)行了第二次CT掃描。為此，圖4a示出了在放入CT掃描儀8之前腎臟模型10的照片。從放射學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，腎盂和所有腎盞對(duì)應(yīng)于死體腎臟的CT圖像12的相應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖1a所示。此外，CT重建顯示，成型工藝成功地將收集系統(tǒng)14的形態(tài)細(xì)節(jié)重現(xiàn)為亞毫米結(jié)構(gòu)。本解決方案受到原始CT掃描的限制。從3D模型的重建可以看出，模型的內(nèi)外表面與原始器官的內(nèi)外表面相似。如圖4b所示。
[0074] 圖4c顯示了原始CT掃描相比，模型中的收集系統(tǒng)的定量誤差分析。為了定量評(píng)估真實(shí)器官和腎臟模型10之間的差異，使用根據(jù)真實(shí)腎臟和腎臟模型10分別獲得的STL文件進(jìn)行了定量比較。該比較使用軟件CloudCompare? v2.6.1(目前可以在http://www.danielgm.net/cc/獲得)進(jìn)行。
[0075] 在STL文件中定義了兩個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)格，即模型網(wǎng)格和真實(shí)器官的網(wǎng)格。然后通過(guò)在每個(gè)網(wǎng)格中選擇三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)(通常在腎臟/腎臟模型10的尖端位置)以手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)這兩個(gè)網(wǎng)格。在三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)中的每一個(gè)定義完成之后，軟件覆蓋真實(shí)器官和模型的掃描，使得可以針對(duì)具有等于6的八叉樹(shù)等級(jí)的兩個(gè)渦流計(jì)算所謂的云/云距離，在CloudCompare軟件中可以定義Octree級(jí)別。由此獲得的彈性體模型的距離誤差分布顯示在圖4c所示的圖例中。
[0076] 相對(duì)于用于構(gòu)建形成收集系統(tǒng)14的插入物18的醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)的比較，結(jié)果顯示出2mm的最大誤差。在整個(gè)收集系統(tǒng)14(具有約7cm[長(zhǎng)]×4cm[寬]×3cm[高]的邊界尺寸)的平均誤差為0.5mm(圖4c)。因此，模型的平均誤差約為1％，適用于內(nèi)窺鏡訓(xùn)練和測(cè)試目的。其他兩種材料的重建和比較顯示出相似的精度，即平均距離誤差約為0.5mm。
[0077] 類似地，與用于設(shè)計(jì)模具20a、b的醫(yī)學(xué)成像數(shù)據(jù)相比，形成在模具20a、b中的組織16的平均均方根誤差小于5mm。
[0078] 測(cè)試用于形成腎臟模型10的材料的性能，將三種不同種類的腎臟模型10的超聲圖像與真實(shí)的人腎臟比較(如圖5A所示)。圖5B所示的與瓊脂糖模型相關(guān)的超聲圖像，展示了與由硅氧烷彈性體制成的腎臟模型10(圖5C)以及由PDMS制成的腎臟模型10(參見(jiàn)圖5D)相比，可以更清楚地辨別收集系統(tǒng)14和腎組織16的結(jié)構(gòu)。令人驚奇的是，瓊脂糖腎臟模型10的收集系統(tǒng)14和組織16也可以比真實(shí)器官的收集系統(tǒng)14和組織16(圖5A)更清楚地被識(shí)別出。這種差異可以通過(guò)用于各種腎臟模型10的材料的彈性差異來(lái)解釋，由硅氧烷彈性體和PDMS制成的模型在外表面顯示出強(qiáng)信號(hào)，然而，只有模型10的白色輪廓可見(jiàn)。
[0079] 此外，使用常規(guī)的柔性輸尿管鏡進(jìn)行內(nèi)窺鏡評(píng)估。在每個(gè)腎臟模型10的內(nèi)側(cè)，內(nèi)窺鏡觀察代表上尿路的典型形態(tài)特征的光滑表面(圖6a至c)。完整的收集系統(tǒng)14在視覺(jué)上與人類腎臟的相似。所有腎盞容易插入10-法式柔性輸尿管鏡(10-French?flexible?ureterorenoscope)。任何時(shí)候，設(shè)備的空間方向都是清晰的。
[0080] 圖6a示出位于透明腎臟模型10內(nèi)的內(nèi)窺鏡24的視圖。圖6b示出了人體腎臟中上腎盞的內(nèi)窺鏡視圖，6c示出了腎臟模型10中同樣(結(jié)構(gòu))的內(nèi)窺鏡視圖。事實(shí)上，可以通過(guò)眼睛跟蹤內(nèi)窺鏡24的位置對(duì)于外科醫(yī)生訓(xùn)練在腎臟模型上進(jìn)行這樣的醫(yī)療程序是很有用的，因?yàn)橐环矫嫠芸吹剿陂_(kāi)始移動(dòng)內(nèi)窺鏡24時(shí)其如何反應(yīng)。另一方面，他可以在檢查同一個(gè)腎臟模型10時(shí)直觀地比較不同的內(nèi)窺鏡(未顯示)的反應(yīng)。如此，腎臟模型10可作為用于培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員的評(píng)估工具的一部分。
[0081] 與當(dāng)前泌尿?qū)W教學(xué)和培訓(xùn)系統(tǒng)以及其他以前報(bào)告的3D打印腎臟模型相比，這項(xiàng)成果的主要優(yōu)點(diǎn)是，目前的制造方法允許使用更多種類的材料。據(jù)報(bào)告，豬腎的彈性模量為48.56±7.32kPa。為此，表1總結(jié)了用于構(gòu)建本文所討論的三種不同種類的腎臟模型的三種模塑聚合物的材料性質(zhì)，并與3D可印刷材料TangoBlackPlus(Stratasys，Eden?Prairie，明尼蘇達(dá)州，美國(guó))進(jìn)行比較。
[0082] 由此發(fā)現(xiàn)， 的彈性模量比真正的腎組織高出約20倍。此外，這個(gè)材料完全不透明。硅橡膠彈性體的彈性模量為60kPa，與真正的腎組織非常接近。PDMS(Sylgard?184，Dow?Corning)是流行的顯示出優(yōu)異的光學(xué)透明度的聚合物。這有助于從外部看清腎臟內(nèi)的收集系統(tǒng)14，這對(duì)于醫(yī)學(xué)教育和內(nèi)窺鏡訓(xùn)練也是有價(jià)值的。然而，PDMS的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真正的腎組織的彈性模量。瓊脂糖凝膠是易于制備和生物相容的多糖聚合物材料，因此已被廣泛用作用于磁共振成像(MRI)和超聲成像中模擬軟組織的材料。
[0083] 表1對(duì)比顯示了用于重現(xiàn)腎組織的三種聚合物以及TangoBlackPlus(可直接3D打印的材料)的機(jī)械性能。
[0084] 因此，根據(jù)腎臟模型10的應(yīng)用，可以采用不同種類的腎臟模型10的材料。例如，如果腎臟模型10是用于成像目的，則由瓊脂糖凝膠制成的模型將是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。與此相反，如果要施行腎臟模型10的手術(shù)評(píng)估，則由彈性體或PDMS制成的腎臟模型10可能是更好的選擇，原因是這些材料的拉伸強(qiáng)度。
[0085] 為了形成一個(gè)用于在例如從腎臟中移除或檢測(cè)腫瘤、石塊過(guò)程中訓(xùn)練醫(yī)務(wù)人員的腎臟模型10，一個(gè)第二特征26可以嵌入到這個(gè)腎臟模型10中。
[0086] 盡管在腎臟中具有中空收集系統(tǒng)14，但其他重要的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)也可以用相同的成型方法嵌入。圖7a至7c示出在腎臟模型10中嵌入腫瘤26和腎結(jié)石27的工作流程的示意圖。
[0087] 通過(guò)在插入件18的制造過(guò)程期間，在由插入件18形成的收集系統(tǒng)14中加入模仿真正的腎結(jié)石的材料而將腎結(jié)石27結(jié)合到模型10中?；蛘撸梢栽诓迦爰?8中設(shè)置空腔，然后可以用模仿真實(shí)腎結(jié)石的材料填充該空腔。通過(guò)這種方式，較大尺寸的石塊可以放置在對(duì)于收集系統(tǒng)14具有小的開(kāi)口的腎盞內(nèi)，然后可以用于去除腎結(jié)石相關(guān)的外科手術(shù)中，例如通過(guò)碎石術(shù)。
[0088] 首先，如圖7a所示，分別準(zhǔn)備了兩個(gè)特征，即收集系統(tǒng)14和腫瘤26。通過(guò)在單獨(dú)的3D打印模具中模制PDMS材料制成腫瘤26。常見(jiàn)腎腫瘤的重要解剖細(xì)節(jié)是它既不與腎臟的外表面接觸，也不與收集系統(tǒng)14接觸。換句話說(shuō)，腫瘤26應(yīng)該被正常組織16完全包圍。為了再現(xiàn)這種解剖結(jié)構(gòu)，將腫瘤26插入到另外的3D打印的陰模(未示出)中，其與最終外模具20a、b的一部分具有相同的形狀。因此，在用于腫瘤插入物28的陰模中形成包括由組織16包裹的腫瘤26的腫瘤插入物28.該腫瘤插入物28具有與最終模具的外形的一部分20a、b適配的外形。
[0089] 將收集系統(tǒng)14和包括腫瘤26的腫瘤插入物28組裝在最終的外模具20a、b(圖7b)中之后，用液體聚合物填充模具以形成組織16.當(dāng)聚合物凝固時(shí)，它將連接成為一個(gè)整體，其具有與圍繞形成在另外的模具28(圖7c)中的腫瘤26的組織16相同材料。
[0090] 通過(guò)這種方式，腫瘤26可以插入腎臟模型10內(nèi)的任何精確的預(yù)定義的“懸浮”位置。所構(gòu)建的具有腫瘤26的腎臟模型10的一個(gè)重要應(yīng)用在圖8中示出，即作為使用開(kāi)放式或腹腔鏡手術(shù)技術(shù)去除腫瘤的訓(xùn)練模型。
[0091] 此外，預(yù)先知道精確的位置意味著具有腫瘤26的腎臟模型10可用于校準(zhǔn)諸如MRI、CT掃描儀8，X射線(設(shè)備)和超聲成像裝置和/或評(píng)估操作這類成像設(shè)備的醫(yī)務(wù)人員。
[0092] 類似的方法也可以用于嵌入其他重要的解剖結(jié)構(gòu)，例如在腎臟模型10中嵌入血管和神經(jīng)。
[0093] 圖8a至c示出的圖像顯示從軟性腎臟模型10中去除模擬腎腫瘤26。關(guān)于這方面圖8a顯示切割組織16以便接近模擬的腎腫瘤26.在接近腫瘤26之后，可以暴露和移除該腫瘤，如圖8b所示。此后，可以通過(guò)縫合來(lái)修復(fù)腎臟模型10，如圖8c所示。
[0094] 現(xiàn)在，為了評(píng)估醫(yī)務(wù)人員是否已經(jīng)從腎臟模型10中去除了正確數(shù)量的腫瘤26，該腫瘤26和/或腎臟模型10可以分別包含指示腫瘤26的存在的某種形式的造影劑。
[0095] 例如，造影劑可以是在黑暗中發(fā)光的磷光類材料，因此通過(guò)關(guān)閉光來(lái)快速比較在腎臟模型10中被遺留的材料，指示是否已經(jīng)去除了足夠的腫瘤材料。
[0096] 在其他情況下，造影劑可以包括對(duì)UV光敏感的材料，因此可以使用黑光來(lái)評(píng)估模型10中任何腫瘤殘留物的存在，并因此評(píng)估進(jìn)行性能測(cè)試的醫(yī)務(wù)人員的表現(xiàn)。
[0097] 在其他情況下，可以將在CT、MRI和超聲其中之一進(jìn)行特別良好地成像的材料嵌入腎臟模型10和/或腫瘤26中，使得這些成像技術(shù)之一可以用于分析和評(píng)估某人從腎臟模型10中去除腫瘤26的表現(xiàn)。
[0098] 在另外的實(shí)例中，可以嵌入兩種造影劑，用于不同的成像方式，例如，CT、MRI、PET、超聲、X射線和/或熒光的組合；和/或兩種造影劑嵌入相同的成像模式中，但是對(duì)應(yīng)于不同的成像序列，例如，MRI中的強(qiáng)度序列和脈沖序列。
[0099] 在任何情況下，也可以用造影劑或類似物質(zhì)摻雜組織16的材料，所述造影劑或類似材料是可視的，以觀察是否從腎臟模型10中去除了太多或太少的組織。通過(guò)這種方式，利用腎臟模型10去除腫瘤26的醫(yī)學(xué)過(guò)程中可以獲得是否也去除了腫瘤周圍太多或太少的組織的直接反饋。
[0100] 通過(guò)類似的方式，比較還可以看出去除了多少組織以觀察是否從腎臟模型10中除去了足夠量的腫瘤26。
[0101] 通過(guò)這種方式，還可以通過(guò)使用類似人或動(dòng)物器官或組織的模型來(lái)評(píng)估進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像程序的人或機(jī)器人的表現(xiàn)或性能。在這種情況下，腎臟模型10可以設(shè)置有目標(biāo)區(qū)域，以模擬腫瘤、腎結(jié)石、骨碎片、子彈、子彈或刀具傷，以預(yù)定義的尺寸存在于預(yù)定位置。此后，執(zhí)行診斷程序以確定目標(biāo)區(qū)域的位置和/或范圍。然后通過(guò)將診斷結(jié)果與目標(biāo)區(qū)域的已知大小和位置進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行評(píng)估。關(guān)于這方面，應(yīng)該指出，診斷程序是超聲、MRI、CT和/或X射線成像、PET其中之一。
[0102] 除了在腎臟中包含腫瘤26，還可以將其它結(jié)構(gòu)包含在腎臟模型10中。這可以從以下成員組成的組中選擇：空腔、至少一個(gè)血管、至少一個(gè)神經(jīng)、腎結(jié)石、假體或醫(yī)療植入物。
[0103] 為了制造插入件18，可以使用所謂的手套模制工藝來(lái)批量生產(chǎn)諸如腎臟模型10之類的解剖結(jié)構(gòu)。
[0104] 手套模制工藝可以作為三維蠟材打印方法的替代，以制造收集系統(tǒng)14的正插塞18a(用于插入)。原因在于蠟材3D打印耗時(shí)且昂貴。圖9說(shuō)明了該方法的工作流程。首先，通過(guò)3D打印UV可固化聚合物(參見(jiàn)圖9a和圖10a)獲得正插塞18a，其是一種硬質(zhì)塑料材料并且不像上述的蠟材料一樣容易溶解在溶劑中或隨著溫度熔融。然后，將3至5層手套模具材料
30施加到正插塞18a上，在當(dāng)前例子中，是刷到正插塞18a上，如圖9b所示。
[0105] 一旦手套模具材料30被固化，由于柔軟且有彈性，手套模具30可以如圖9c和圖10b所示那樣被剝離。然后，該手套模具30可重復(fù)地用作用于形成腎臟模型10的收集系統(tǒng)14的插入件18的模具，如圖9d所示。該手套模具30可以用于采用諸如石蠟和明膠的材料來(lái)模制的收集系統(tǒng)14，分別如圖10c和10d所示。通過(guò)這種方式，如圖9e中通過(guò)多個(gè)插入件18所示例的多個(gè)解剖特征可以被精確、快速和低成本的復(fù)制。
[0106] 手套模制法也可用于制造其它解剖結(jié)構(gòu)，例如上述腫瘤26。然而，對(duì)該方法的限制是模制形狀不能包含任何閉環(huán)，因此它不是諸如血管和神經(jīng)結(jié)構(gòu)的適宜方法。手套模制方法也可以用于制造模型的一部分(例如收集系統(tǒng)14)，然后可以將其與通過(guò)其它技術(shù)(例如血管的3D打印)制成的其它部件組裝，以便模制具有多個(gè)解剖特征(類似于圖7所示)的最終腎臟模型10，以便產(chǎn)生更復(fù)雜的腎臟模型10。然后，它們可以連接到流體輸送裝置以模擬血流，并且其他液體也是可能的。在使用這些復(fù)雜的腎臟模型10時(shí)，外科醫(yī)生可以獲得關(guān)于他或她是否切割了腎臟模型10的諸如血管的直接反饋。
[0107] 上述描述涉及腎臟模型10。然而，應(yīng)當(dāng)注意，可以產(chǎn)生各種其他器官的模型并用于訓(xùn)練目的。這些動(dòng)物或人體器官的模型包括但不限于肝、腸、前列腺、肺、腦和心臟，血管、胰腺、膽囊、胃腸道、泌尿道、睪丸、陰莖、女性生殖道、乳房和耳朵。所有這些器官的手術(shù)一般都是由高技能的醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行的，而通過(guò)生產(chǎn)比較便宜的模型器官，提供了一個(gè)比較低成本的培訓(xùn)和評(píng)估工具，可用于培訓(xùn)醫(yī)務(wù)人員。
[0108] 考慮到例如前列腺、膀胱或心臟等模型，部分模型可以包括泵或形成泵的材料，以在訓(xùn)練期間以改進(jìn)的方式模擬真實(shí)器官的反應(yīng)。
[0109] 此外，使用的模型組織的材料具有的彈性模量對(duì)應(yīng)于器官中發(fā)現(xiàn)的相應(yīng)組織的器官?gòu)椥阅Ａ俊?/div>
[0110] 還應(yīng)該注意的是，傳感器(未示出)可被加入本文所述的模型10中。這些傳感器可以包括嵌入在模型10之內(nèi)的生理標(biāo)記。使用這些傳感器，可以從模型10中評(píng)估諸如血液流量/壓力、流體流量、組織完整性、腫瘤去除率等信號(hào)。該評(píng)估可以是通過(guò)使用傳感器實(shí)時(shí)完成或在CT掃描儀8或MRI等設(shè)備中離線進(jìn)行。
[0111] 在此應(yīng)該注意的是，如果液體或流體通過(guò)設(shè)置在模型10中的一個(gè)或多個(gè)空腔進(jìn)行傳導(dǎo)，則該流體的存在(泄漏)可以用作實(shí)時(shí)傳感器信號(hào)，以指示某物在對(duì)模型10的手術(shù)中出錯(cuò)了。
[0112] 同樣的，傳感器可以嵌入類似神經(jīng)的部分模型內(nèi)，并且在切割這些神經(jīng)時(shí)，可以發(fā)出可聽(tīng)見(jiàn)的聲音以指示神經(jīng)被切斷或穿刺。
[0113] 圖11示出了另一種腎臟模型10，其包括圍繞諸如腫瘤的第二區(qū)域A的過(guò)渡區(qū)域B。該過(guò)渡區(qū)域B將腫瘤A與模型10中存在的正常組織C分離開(kāi)。通過(guò)這種方式，可以將形成腫瘤A的結(jié)構(gòu)引入類組織材料中，其中過(guò)渡區(qū)B存在于第一區(qū)域A和第二區(qū)域C。該過(guò)渡區(qū)域可以包括第一區(qū)域A和第二區(qū)域C的各自材料的混合物?；蛘撸撨^(guò)渡區(qū)域B也可以包括與區(qū)域A和區(qū)域C不同的材料性質(zhì)，從而可以設(shè)定規(guī)則，例如，只有這個(gè)過(guò)渡區(qū)域包括可視化的材料以表示手術(shù)練習(xí)的成功完成可以是完全去除該過(guò)渡區(qū)域B。
[0114] 圖12示出了另一種類型的模型10，即前列腺模型。如圖11所示的模型10相似，進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)，例如腫瘤插入標(biāo)記為A的區(qū)域中。該結(jié)構(gòu)被包含材料B的區(qū)域包圍，并且可以嵌入包含材料C的第一區(qū)域中。
[0115] 圖11和圖12的兩個(gè)模型10還可以包括能模擬特定器官的結(jié)構(gòu)的其他區(qū)域D。在圖11中，區(qū)域D對(duì)應(yīng)于腎臟的收集系統(tǒng)14，而在圖12中，區(qū)域D對(duì)應(yīng)于尿道。
[0116] 在某些情況下，醫(yī)療程序的目標(biāo)是完全去除區(qū)域A，維持區(qū)域B的最大體積，并絕對(duì)不會(huì)去除區(qū)域C(根據(jù)圖11所示的的腎臟腫瘤的移除)。在其他情況下，目標(biāo)可以是在保留區(qū)域C的同時(shí)移除區(qū)域A和B。
[0117] 還應(yīng)該注意的是，如圖11和12所示的模型10之一被用于評(píng)估醫(yī)療程序，則醫(yī)療程序可以是為了切片檢查目的的去除組織。其目的是僅僅移除少量的材料A。根據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，僅對(duì)材料A的移除可以導(dǎo)致積極的評(píng)估，而僅移除材料C可能導(dǎo)致負(fù)面評(píng)估，等等。
[0118] 應(yīng)當(dāng)注意，在前面提及腫瘤的情況下，第二結(jié)構(gòu)26；引入到體模10中的A、B也可以復(fù)制存在于器官中的患病組織和/或異常結(jié)構(gòu)，并且因此可以部分地被去除以用于諸如診斷目的活檢，或根據(jù)醫(yī)療程序被完全的去除。
[0119] 還應(yīng)該注意的是，模型10被提供以使得醫(yī)學(xué)專業(yè)人員或機(jī)器人可以在模擬的器官，而不是難以到達(dá)并因此昂貴的真實(shí)器官上實(shí)踐切割技術(shù)。這些不同的切割技術(shù)涵蓋針對(duì)醫(yī)學(xué)學(xué)生的簡(jiǎn)單切割和縫合技術(shù)，在難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行活檢，或者在敏感位置進(jìn)行腫瘤移除。一般來(lái)說(shuō)，這些難以到達(dá)的位置不能使用真實(shí)的器官進(jìn)行模擬，因?yàn)檫@些通常是非常具體的應(yīng)用案例。
[0120] 圖13示出了在膀胱模型10上進(jìn)行內(nèi)窺鏡手術(shù)的視圖，其中內(nèi)窺鏡24的放大視野被展示在圓圈中。通過(guò)在評(píng)估點(diǎn)移動(dòng)內(nèi)窺鏡24，可以獲得所討論的內(nèi)窺鏡24對(duì)于所述評(píng)估點(diǎn)大約360°的視野。
[0121] 醫(yī)療程序的評(píng)估可以是對(duì)醫(yī)務(wù)人員或機(jī)器人掃描的視場(chǎng)的測(cè)量。為了做到這一點(diǎn)，模型10還可以包括嵌入其中的光學(xué)圖案，更具體地嵌入在目標(biāo)區(qū)域26中。該光學(xué)圖案可以傳達(dá)與目標(biāo)區(qū)域的位置和大小有關(guān)的信息。該信息對(duì)于內(nèi)窺鏡24是光學(xué)上不可見(jiàn)的或者不能由操作者來(lái)解釋，而是可以使用用于評(píng)估醫(yī)療程序的軟件中的特定濾波器進(jìn)行分析。在查看此信息時(shí)，可以計(jì)算任一掃描的表面積，并將其與可由該特定裝置獲得的表面積進(jìn)行比較。通過(guò)這種方式，可以評(píng)估醫(yī)務(wù)人員或機(jī)器人是否已經(jīng)分別檢測(cè)到完整的目標(biāo)區(qū)域的表面積。
[0122] 通過(guò)這種方式，更進(jìn)一步的評(píng)估參數(shù)是諸如成像或者檢查執(zhí)行的完成度(表面積覆蓋)。例如在對(duì)膀胱的膀胱鏡檢查(檢查)中，重要的一點(diǎn)是，在內(nèi)窺膀胱鏡檢查過(guò)程中，膀胱的整個(gè)內(nèi)部都被檢查到，不能錯(cuò)過(guò)任何區(qū)域，因?yàn)殄e(cuò)過(guò)可能意味著這個(gè)檢查錯(cuò)過(guò)了腫瘤。
[0123] 圖14示出經(jīng)受外科手術(shù)的腎臟模型10的另一視圖。在進(jìn)行醫(yī)療程序時(shí)，輸尿管在切斷點(diǎn)32處被切斷。這個(gè)切斷點(diǎn)32需要被修復(fù)以修復(fù)腎臟模型10。這種修復(fù)是通過(guò)使用縫合線34縫合輸尿管來(lái)進(jìn)行的。縫合線34的質(zhì)量也可以被評(píng)估作為醫(yī)療程序?qū)徱暤囊徊糠??？梢杂靡韵路绞綄?shí)現(xiàn)：通過(guò)諸如對(duì)縫合線的機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)量以及隨后與目標(biāo)值的比較來(lái)完成；可能通過(guò)測(cè)量干預(yù)后的模型壓力，尤其可能是比較干預(yù)前后的壓力及與目標(biāo)值的比較來(lái)測(cè)量完成；測(cè)量植入物或連接物的彈性；在模擬的神經(jīng)元連接的情況下測(cè)量電連接；以及檢查在醫(yī)療過(guò)程中嵌入的植入物或設(shè)備是否正常工作。
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