一种个性化硅胶瓣膜及钙化硅胶瓣膜物理模型的制作方法专利检索-·用于制造定长的制品即不连续的制品专利检索查询-专利查询网

一种个性化 硅胶瓣膜及钙化硅胶瓣膜物理模型的制作方法

专利类型	发明授权	法律事件	公开; 实质审查; 授权;
专利有效性	有效专利	当前状态	授权
申请号	CN202210749599.3	申请日	2022-06-29
公开(公告)号	CN115091776B	公开(公告)日	2023-04-14
申请人	大连理工大学;	申请人类型	学校
发明人	迟青卓; 王文君; 尹凯; 刘巍; 颜文涛; 母立众; 庄熙晶; 贺缨;	第一发明人	迟青卓
权利人	大连理工大学	权利人类型	学校
当前权利人	大连理工大学	当前权利人类型	学校
省份	当前专利权人所在省份：辽宁省	城市	当前专利权人所在城市：辽宁省大连市
具体地址	当前专利权人所在详细地址：辽宁省大连市甘井子区凌工路2号	邮编	当前专利权人邮编：116024
主IPC国际分类	B29C69/00	所有IPC国际分类	B29C69/00 ; B29C65/48 ; B29C41/02 ; B29C41/14 ; B29C33/38 ; B29C33/52 ; G09B23/28 ; B29L31/40
专利引用数量	0	专利被引用数量	0
专利权利要求数量	3	专利文献类型	B
专利代理机构	辽宁鸿文知识产权代理有限公司	专利代理人	许明章; 王海波;
摘要	本发明属于外科医疗训练器材技术领域，提供了一种个性化硅胶瓣膜及钙化硅胶瓣膜物理模型的制作方法,以临床影像为基础，通过重建并分别设计主动脉窦管和瓣膜结构的可溶内外模具，在主动脉模型的基础上制作瓣膜可开合的弹性硅胶管内腔。本发明的建模方法，改善了早期旋涂类方法制作模型，难以实现瓣膜可开合的技术难题。同时也避免了瓣膜制作出现气泡和空洞的技术缺陷。本方法可以很好的以真实尺寸制作包含瓣膜的或者包含钙化瓣膜的主动脉模型，显著地提高了模型的临床应用和实验研究价值。该模型制作方法可在临床培训、医科教学以及针对主动脉瓣膜狭窄等领域实现多种更具实际价值的新应用。
权利要求	1.一种个性化钙化瓣膜窦管模型的制作方法，其特征在于，步骤如下：（1）提取CT影像中的主动脉窦腔内结构，并制作用于血管制作的主动脉窦管模型和用于瓣膜制作的“心室流出道‑瓣膜流入道”模型；在瓣膜流入道的一页瓣叶上制作额外伸出的瓣叶延长部，用于定厚度瓣叶的制作；（2）在步骤（1）得到的两个模型间设计定位标记，主动脉窦管模型的定位标记为外凸结构，心室流出道‑瓣膜流入道模型的定位结构为内凹结构，在瓣膜流出道的近心端根部；根据瓣膜的钙化位置和结构设计钙化瓣膜辅助定位模具，用于瓣膜结构和钙化结构在粘接过程中的定位；钙化瓣膜辅助定位模具的几何结构与瓣膜结构相同，其不包含钙化累及的位置；钙化瓣膜辅助定位模具的数量与瓣膜的瓣叶数量相同，其边缘与对应瓣叶的轮廓一致，其上的孔洞与瓣叶上钙化累及的位置一致；钙化瓣膜辅助定位模具的边缘用于与瓣膜的瓣叶进行对准和定位，钙化瓣膜辅助定位模具内的孔洞的边缘用于标记瓣膜的裁剪区域，并辅助钙化结构在瓣膜上的定位；（3）制作瓣膜的钙化模型，并根据钙化模型制作浇筑腔体模具；（4）通过3D打印方法，以可溶材料制作步骤（1）中的主动脉窦管模型和“心室流出道‑瓣膜流入道”模型；再对步骤（2）中的定位标记进行5%的深度和宽度尺寸缩放，以保证通过“心室流出道‑瓣膜流入道”模型制作的瓣膜与通过主动脉窦管模型制作的血管间的尺寸定位；以可溶材料制作浇筑腔体模具；以柔性材料或硬质3D打印材料制作钙化瓣膜辅助定位模具；（5）在主动脉窦管模型外侧采用记号笔制作测厚标定点，采用“刷涂‑去除硅胶并测厚”的方法实现主动脉窦管的定厚度制作；对于“心室流出道‑瓣膜流入道”模型，由于“心室流出道‑瓣膜流入道”较难测厚，因此采用定压强喷吹方法，在“心室流出道‑瓣膜流入道”模型的表面涂敷硅胶后，通过空压机和喷枪鼓吹2 MPa以上的高压力气流将硅胶吹出“心室流出道‑瓣膜流入道”模型的内壁面，并通过步骤（1）中制备的瓣叶延长部对瓣膜厚度进行测量；对于钙化结构，在其浇筑腔体模具顶部打孔，然后将其浸没入硅胶液中进行真空抽泡，促进浇筑腔体模具内充盈硅胶液；（6）待步骤（5）的硅胶厚度制作达到设计需要，采用超声清洗加速主动脉窦管模型、心室流出道‑瓣膜流入道模型和浇注腔体模具的溶解；根据钙化瓣膜辅助定位模具对得到的瓣膜进行裁剪，得到因钙化镂空的瓣膜模型，并将步骤（5）中铸造得到的钙化模型的浇注腔体模具从固化后的硅胶液池中取出，并溶解浇注腔体模具，得到硅胶钙化结构；并将钙化结构通过钙化瓣膜辅助定位模具依附在镂空瓣膜模型上，采用硅胶对两者进行粘接；（7）将主动脉窦管与步骤（6）中得到的粘接后的瓣膜以步骤（2）中制作的定位标记进行装配并采用硅胶对两者进行粘接，制得钙化瓣膜窦管模型。 2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤（7）结束后，视试验台使用需求，对钙化瓣膜窦管模型瓣膜窦管的心室流出道一侧和升主动脉一侧的内腔进行功能性内壁硅胶涂层的制作；同样，步骤（6）结束后，视试验台使用需求，额外的对瓣膜开合大小、面积，进行修整。 3.根据权利要求1或2所述的制作方法制得的钙化瓣膜窦管模型，其特征在于，用于体外实验环境下，瓣膜可因跨瓣压差的诱导自发的开合与关闭。
说明书全文	一种个性化硅胶瓣膜及钙化硅胶瓣膜物理模型的制作方法技术领域 [0001] 本发明属于外科医疗训练器材技术领域，涉及一种个性化硅胶瓣膜及钙化硅胶瓣膜物理模型的制作方法。背景技术 [0002] 随着人类平均寿命的延长，老年人口的数量和比例的增加，以主动脉瓣狭窄(Aortic valve Stenosis,AS)和主动脉瓣返流(Aortic valve Regurgitatio,AR)为代表的主动脉瓣疾病(Aortic Valve Disease,AVD)的发病率也在逐渐升高，成为威胁人类健康的主要疾病。在发达国家>65岁人群中，中度以上AS的患病率为2‑4％。有研究预测，我国65岁以上人口在2050年前后，或达到约4.98亿人，在我国65岁以上人群中，中度以上AS的检出率为0.6‑1.4％，中度以上AR的检出率约为2.1‑2.8％。是排在冠心病和高血压之后的最常见心血管病。 [0003] 主动脉瓣钙化是此类主动脉瓣疾病发生的重要原因。由于钙化的影响，血流在升主动脉内的冲刷流动形式可能出现紊乱。正常情况下，升主动脉到主动脉弓内部的流场存在一定生理性旋动。螺旋状的血流可能是随着心脏搏动射血过程发展形成的，且无论是自发或人为诱导出现的螺旋流动都对动脉硬化的发生有潜在的预防作用，因而也为许多医疗器械的结构优化提供了具体的改进方向。 [0004] 体外实验是研究主动脉瓣钙化导致的升主动脉内流动紊乱的重要方法之一。体外实验将脉动流体间歇性的注入实验腔室中，在经过主动脉瓣膜或带有狭窄结构主动脉瓣膜时，使瓣膜结构自主的发生开闭。研究者和相关产业人员就可以研究瓣膜或钙化瓣膜的工作状态，放置人工瓣膜支架后主动脉腔内的流动情况。 [0005] 但面向体外实验，主动脉瓣膜和包含钙化的主动脉瓣膜制备是产业界难点问题之一。首先，有研究指出，主动脉瓣倾斜角度改变下升主动脉流动模式的改变开展了PIV体外实验研究，并指出仅仅8°的主动脉入射角度偏折就可能引起主动脉壁受到的流动冲击力增强40％，这表明对主动脉瓣膜几何结构的精确重建是该工作的难点之一。其次，瓣膜应具有较好的顺应性，在脉动流动下实现自主开合。最后，面向体外实验，主动脉瓣膜(或钙化瓣膜)应该与主动脉窦紧密贴合，即使管壁在血压作用下径向膨胀，瓣膜也应与主动脉窦管保持紧贴。 [0006] 满足这几点的主动脉瓣膜‑窦管模型，将可以更好的便于学界和产业界相关从业人员开展涉及主动脉瓣膜流动实验、瓣膜钙化流动实验、支架张开实验等系列研究工作。帮助临床对主动脉瓣膜钙化病患中，难以确定救治策略的疑似高危患者进行风险分层，为其临床救治策略的制定提供实验依据。 [0007] 专利申请：基于可溶材料的个性化透明硅胶模型的制作方法，申请号201811194119.1。该专利并未给出实现指定厚度硅胶层的涂敷方法。从CT影像中获取的主动脉瓣膜或心脏内瓣膜可能是闭合状态的，该专利未提及如果对两个不相连的血管腔体进行模型制作的方法。且该专利未提及包含瓣膜特征的、钙化瓣膜特征的模型制作方法。 [0008] 专利申请：一种利用3D打印结合翻模工艺制造人体仿生血管的方法，申请号201910484639.4。该专利采用阴模阳模制作血管模型的方法，在制作包含瓣膜结构血管时，将难以解决瓣膜体积处的滞留气泡问题。且采用可溶性耗材进行阴阳模方法制作如瓣膜类薄膜结构时，由于阴阳模均需要光滑处理，其配合精度将难以控制。同时，该方法未提及涉及钙化特征的瓣膜制作方法。 [0009] 专利申请：一种心脏瓣膜模型及其制作方法，申请号202210032137.X。该专利采用模具铸造的方法制作包含瓣膜的硅胶心脏模型，侧重于对病理解剖结构的再现，未提及对心脏瓣膜开合功能性的制作倾向，未提及面向体外实验用途的功能性制作倾向。未提及涉及钙化的瓣膜制作方法。发明内容 [0010] 本发明要解决的技术问题是提出一种包含主动脉瓣膜或者钙化主动脉瓣膜的仿体模型的制作方法，且采用该方法制作的瓣膜模型可以在压力脉动改变环境下如生理瓣膜结构一样发生开合，且涉及钙化的瓣膜模型具有和病患CT数据一样的位置特征和几何形状特征。 [0011] 本发明的技术方案： [0012] 一种个性化硅胶瓣膜及钙化硅胶瓣膜物理模型的制作方法，步骤如下： [0013] (1)提取CT影像中的主动脉窦腔内结构，并制作用于血管制作的主动脉窦管模型和用于瓣膜制作的“心室流出道‑瓣膜流入道”模型；在瓣膜流入道的一页瓣叶上制作额外伸出的瓣叶延长部，用于定厚度瓣叶的制作； [0014] (2)在步骤(1)得到的两个模型间设计定位标记，窦管模型的定位标记为外凸结构，瓣膜的定位结构为内凹结构，在瓣膜流出道的近心端根部； [0015] 根据瓣膜的钙化位置和结构设计钙化瓣膜辅助定位模具，用于瓣膜结构和钙化结构在粘接过程中的定位； [0016] 钙化瓣膜辅助定位模具的几何结构与瓣膜结构相同，其不包含钙化累及的位置；钙化瓣膜辅助定位模具的数量与瓣膜的瓣叶数量相同，其边缘与对应瓣叶的轮廓一致，其上的孔洞与瓣叶上钙化累及的位置一致；钙化瓣膜辅助定位模具的边缘用于与瓣膜的瓣叶进行对准和定位，钙化瓣膜辅助定位模具内的孔洞的边缘用于标记瓣膜的裁剪区域，并辅助钙化结构在瓣膜上的定位； [0017] (3)制作瓣膜的钙化模型，并根据钙化模型制作浇筑腔体模具； [0018] (4)通过3D打印方法，以可溶材料制作步骤(1)中的窦管模型和“心室流出道‑瓣膜流入道”模型；再对步骤(2)中的定位标记进行5％的深度和宽度尺寸缩放，以保证通过“心室流出道‑瓣膜流入道”模型制作的瓣膜与通过窦管模型制作的血管间的尺寸定位；以可溶材料制作浇筑钙化模型；以柔性材料或硬质3D打印材料制作钙化瓣膜辅助定位模具； [0019] (5)在主动脉窦管外侧采用记号笔制作测厚标定点，采用“刷涂‑去除硅胶并测厚”的方法实现主动脉窦管模型的定厚度制作；对于“心室流出道‑瓣膜流入道”模型，由于“心室流出道‑瓣膜流入道”较难测厚，因此采用定压强喷吹方法，在“心室流出道‑瓣膜流入道”模型的表面涂敷硅胶后，通过空压机和喷枪鼓吹2MPa以上的高压力气流将硅胶吹出“心室流出道‑瓣膜流入道”模型的内壁面，并通过步骤(1)中制备的瓣叶延长部对瓣膜厚度进行测量；对于钙化结构，在其腔体模具顶部打孔，然后将其浸没入硅胶液中进行真空抽泡，促进腔体模具内充盈硅胶液； [0020] (6)待步骤(4)的硅胶厚度制作达到设计需要，采用超声清洗加速主动脉窦管模型、瓣膜模型和钙化模型的溶解；根据钙化瓣膜辅助定位模具对步骤(4)得到的瓣膜进行裁剪，并将(4)中铸造得到的钙化模型在钙化瓣膜辅助定位模具的帮助下与瓣膜进行装配，并采用硅胶对两者进行粘接； [0021] (7)将主动脉窦管模型与步骤(6)中得到的瓣膜以步骤(2)中制作的定位标记进行装配并采用硅胶对两者进行粘接，制得“钙化瓣膜窦管模型”。 [0022] 步骤(6)结束后，视试验台使用需求，对钙化瓣膜窦管模型的心室流出道一侧和升主动脉一侧的内腔进行功能性内壁硅胶涂层的制作；同样，步骤(6)结束后，视试验台使用需求，额外的对瓣膜开合大小、面积，进行修整。 [0023] 用于体外实验环境下，瓣膜可因跨瓣压差的诱导自发的开合与关闭。 [0024] 本发明的有益效果： [0025] (1)瓣叶延长部的设计使位于内侧区域的瓣膜也可能进行定厚度制作。 [0026] (2)瓣膜与主动脉窦管分体制作，可以分别发挥旋涂法在制作膜类结构上的优势，实现面向体外实验用途的瓣膜开合模型的制作，避免仅使用包含瓣膜状空隙的主动脉窦管制作时，在瓣膜处极易出现的气泡孔洞问题。 [0027] (3)定位标记可以使瓣膜与窦管定位精确可靠。 [0028] (4)可以实现个性化的瓣膜钙化结构制作，切可以采用额外设计的硅油或者其他添加剂调节钙化模型的硬度。 [0029] (5)钙化瓣膜辅助定位模具的制作可以保证钙化在瓣膜结构上位置的准确性，且瓣膜如果较薄可以配合硬质标定模具使用，便于瓣膜贴敷。 [0030] (6)由于瓣膜厚度在体外实验研究中非常关键，仅仅形似的瓣膜很可能难以实际在体外试验台中自行开合。喷吹高压空气去除多于硅胶，可以保证瓣膜制作的厚度均匀性，使薄膜各处厚度增加更均匀，不会造成瓣膜根部厚顶部薄的构型，更易于体外实验研究。另外，“瓣叶延长部”的瓣膜制作厚度监控效果。喷吹法将多余胶液吹至瓣叶延长部时，由于流场特征，在延长部的硅胶液滴将更容易被高速气流带离模型，因而对瓣膜制作的厚度控制产生特别的效果。 [0031] (7)按照本方法制作瓣膜模型后，视试验台使用需求，可额外的对瓣膜开合大小、面积，进行修整。此类模型修正修改了瓣膜开口大小，因此还可以实现对模型跨瓣压差的改变。附图说明 [0032] 图1是主动脉窦管内芯(灰色)和外壁依附硅胶膜(白色)的剖切示意图。 [0033] 图2是瓣膜结构外壳(灰色)剖切示意图。具体实施方式 [0034] 以下结合技术和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。 [0035] 该方法的瓣膜模型内芯可以是基于医学影像的模型重建的，也可以是基于临床数据建模的简化几何结构。瓣膜模型内芯的3D打印可以采用PVA等水溶性或具有溶解性的打印耗材。瓣膜模型内芯可进行进一步的表面光滑处理。打印制作及光滑处理后的瓣膜模型将被固定在旋转装置上进行底层涂层制作。 [0036] 该瓣膜模型的瓣膜部分与窦管部分是分别制作的。窦管部分制作方法为结合测厚的刷涂法，采用在每层硅胶固化后在固定位置上测量其厚度变化的方式，获取特定位置的硅胶层厚度数据。 [0037] 从CT数据中提取瓣膜结构，优选心收缩期进行瓣膜结构的提取。在影像学重建软件如Mimic或Simpleware中重建得到心室流出道‑瓣膜流入道的几何特征。将该几何文件另存为STL或其他三维几何模型，并导入几何拓扑软件中，如UG、Solidwords和Spaceclaim等。 [0038] 以Spaceclaim为例，将心室流出道‑瓣膜流入道几何增厚，增厚厚度为瓣膜设计厚度，将增厚过的几何文件采用3D打印的方式制作为实体模型，并在该模型周边或端面处设计人为把手等结构用于夹持。 [0039] 在3D打印得到的增厚“心室流出道‑瓣膜流入道”模型的内侧，涂敷硅胶层。硅胶层采用浸沾或滴入等方式，待瓣膜区域完全附着硅胶层后，采用高压气枪喷吹“心室流出道‑瓣膜流入道”的内腔，使多余硅胶液滴被高压气流带离模型内腔。 [0040] 将“心室流出道‑瓣膜流入道”模型在45摄氏度环境中烘干，促使内腔硅胶固化后，再次进行硅胶涂层制作。采用测厚仪器监控瓣膜中部厚度增量，当硅胶层增厚达到设计厚度时，将瓣膜模具溶解。 [0041] 粘接瓣膜结构和窦管结构。为使瓣膜结构和窦管结构顺利粘接，可选在窦管和瓣膜模具的外表面和内表面制作定位用内凹或外凸结构。粘接仍采用硅胶溶液进行。 [0042] 在瓣膜粘接后，对模型进行内壁保护的功能性涂层制作，制作层数由瓣膜工作承压环境决定。 [0043] 在主动脉瓣膜涉及钙化结构时，将特别为钙化特征制作钙化瓣膜辅助定位模具，用3D打印的方式将模具制作为实体模型，并将瓣膜依附在该模具上进行钙化累及位置标记。采用环形刀具压迫式切去瓣膜模型上的钙化标记区域。得到因钙化镂空的瓣膜模型。 [0044] 将主动脉瓣上的钙化结构单独提取，并制作浇筑壳体。将壳体沉入硅胶液池中进行抽泡，制作硅胶质地的钙化斑块。可通过硅胶染色剂、硅胶种类、硅油含量和硅胶其他种类添加剂控制钙化的颜色和硬度等物性参数。 [0045] 将铸有硅胶的钙化壳体从固化后的硅胶液池中取出，并溶解壳体，得到硅胶钙化结构。并将钙化结构通过模具依附在镂空瓣膜模型上，采用硅胶对两者进行粘接。 [0046] 从医学影像中提取包含主动脉瓣膜的从左心室流入道到升主动脉的区域并进行逆向建模。将建模后的模型复制并另存，得到主动脉窦管模型和“心室流出道‑瓣膜流入道”模型。对于主动脉窦管模型，将瓣膜和可能包含的钙化结构填满并制作定位标记的突起结构。复制定位结构到“心室流出道‑瓣膜流入道”模型中，在如Ansys Spaceclaim一类的几何建模软件中对瓣膜结构的外轮廓进行提取并向外加厚，加厚厚度为瓣膜的设计厚度，再将外轮廓制作为实体模型。提取钙化累及瓣膜的具体位置，制作其标定模具。提取钙化模型，通过其外壳制作钙化的可溶浇筑腔。 [0047] 通过3D打印技术，制作“心室流出道‑瓣膜流入道”模型的可溶内芯、“心室流出道‑瓣膜流入道”模型的可溶外壳和钙化瓣膜辅助定位模具。采用旋涂硅胶的方法在模型表面制作硅胶涂层直至窦管和瓣膜均达到指定厚度。浇筑钙化模型，待所有模型固化后置入水浴环境中溶解。 [0048] 利用钙化瓣膜辅助定位模具将瓣膜切割，并将钙化结构粘接在钙化模型上。 [0049] 利用“窦管模型”和“瓣膜模型”间的定位结构定位将主动脉窦管模型和“心室流出道‑瓣膜流入道”模型粘接。 [0050] 视具体实验需要对窦管的升主动脉部分进行功能性内壁硅胶涂层制作。 [0051] 视具体实验需要对瓣膜开口尺寸进行修正。 [0052] 与现有个性化透明硅胶模型的制作方法相比，本发明所述的制作方法可以制作包含瓣膜的主动脉窦管，且瓣膜结构在体外实验台中可根据跨瓣压力自发开合。 [0053] 所制作得到的主动脉钙化瓣膜，钙化位置与个性化生理特征在模型结构上相同，技术上更易实现，更符合实体模型，能为手术、科研教学等多种用途提供更多重要的参考。 [0054] 上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

意见反馈