個體化血流動力學優(yōu)化的三維立體血管補片成型技術的應用
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種個體化血流動力學優(yōu)化的三維立體補片及其制備方法，所述的制備方法包括以下步驟：(1)采集數(shù)據(jù)獲取三維數(shù)字化模型，(2)分析個體化虛擬手術研究確定補片設計，(3)利用3D打印技術制作補片成型模具，(4)將待成型的補片放置于模具凸面上，然后與模具凹面進行扣合，向其內(nèi)灌注固定液，水平放置待固定成型，成型后去除模具，即獲得三維立體補片。其優(yōu)點表現(xiàn)在：本發(fā)明的補片是三維立體的，可個體化，并且符合血流動力學的要求。
【專利說明】
個體化血流動力學優(yōu)化的三維立體血管補片成型技術的應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)學材料技術領域，具體地說，是個體化血流動力學優(yōu)化的三維立體 血管補片成型技術的應用。
【背景技術】
[0002] 先心病及補片應用：近年來最新醫(yī)學資料表明，先天性心臟病（以下簡稱"先心 病"）是嬰幼兒中的常見病、多發(fā)病。在我國，先心病發(fā)病率約占出生嬰兒的8%。~12%。，已成 為新生兒死亡的首要病因。據(jù)統(tǒng)計，我國每年約有15萬左右的新增先心病病人，其中復雜先 心病患者約占30~40%。隨著醫(yī)學科技的進步，許多嬰幼兒、新生兒時期的先心病包括復雜 心臟畸形目前已經(jīng)可以獲得根治，國內(nèi)每年約有3~4萬患兒接受先心病手術治療。其中，部 分復雜先心病亞型由于血管及流出道狹窄或者梗阻等，需要自體心包補片擴大狹窄的血管 或者流出道進行外科治療。在以往的臨床工作中，血管補片植入位置、形狀、大小和角度的 選擇主要依據(jù)手術者臨床經(jīng)驗來判斷和決定的。由于缺乏客觀、準確的判斷方法，術后可能 會發(fā)生補片扭曲、變形、成角，導致殘余梗阻的發(fā)生。而這些卻可以通過計算機輔助模擬最 優(yōu)血流動力學的個體化血管補片設計及3D打印模具加工心包補片成型技術來加以解決。即 根據(jù)患者術前血管的發(fā)育條件進行血流動力學計算機模擬，確定個體化血管補片的血流動 力學最優(yōu)設計方案，以及根據(jù)此方案進行個體化3D打印模具，最終實現(xiàn)心包補片成型技術。
[0003] 計算血流動力學:近年來，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，以數(shù)值模擬為基礎，結合 流動三維可視化技術發(fā)展起來的計算血流動力學（Computational Hemodynamics)為定量 分析血流動力學參數(shù)變化，體外研究血流運動軌跡以及客觀定量評估、設計補片方案提供 了可能。計算血流動力學利用醫(yī)學臨床影像資料，如超聲（Ultrasound，US)，核磁共振 (Magnetic Resonance，MRI )，電子計算機X射線斷層掃描（Computed Tomography，CT)圖像， 通過對血管形態(tài)學、血流動力學、心功能等多方面信息進行精確測量，依據(jù)患者自身解剖和 生理特點，通過求解賦予患著個體化的生理信息（如脈動壓力、血流)為邊界條件的血流控 制方程來模擬近似真實體內(nèi)環(huán)境的血液流動情況，進而可評估患者補片植入前后右室流出 道血流動力學特性的改變，為醫(yī)師更直觀地研究補片的植入位置、形狀、大小和角度的選 擇，及補片材料特性等因素對血流動力學的影響提供重要的手段。
[0004] 對專利文獻、科技論文等進行檢索，關于個體化血流動力學優(yōu)化的三維立體血管 補片成型技術的應用目前還未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種個體化血流動力學優(yōu)化的三維 立體補片的制備方法。
[0006] 本發(fā)明的再一的目的是，提供一種個體化血流動力學優(yōu)化的三維立體補片。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是:一種個體化血流動力學優(yōu)化的三維 立體補片，所述的制備方法包括以下步驟：（1)采集數(shù)據(jù)獲取三維數(shù)字化模型，（2)分析個體 化虛擬手術研究確定補片設計，（3)利用3D打印技術制作補片成型模具，（4)將待成型的補 片放置于模具凸面上，然后與模具凹面進行扣合，向其內(nèi)灌注固定液，水平放置待固定成 型，成型后去除模具，即獲得三維立體補片。
[0008] 所述的步驟（1)為通過獲取患者術前的臨床MRI影像資料以及超聲血流測量信息， 完成待手術血管區(qū)域三維數(shù)字化模型重建。
[0009] 所述的步驟(2)為利用CAD技術實施虛擬補片植入，以不同虛擬手術設計方案三維 模型為研究基礎，分別進行血流動力學定量評估與可視化顯示，完成計算結果的分析，對不 同手術方案下的血流動力學特征進行比較。
[0010] 所述的步驟(2)為利用CAD技術實施虛擬補片植入，以不同虛擬手術設計方案三維 模型為研究基礎，分別進行血流動力學定量評估與可視化顯示，完成計算結果的分析，對不 同手術方案下的血流動力學特征進行比較;利用計算流體動力學方法，確立準確模擬血管 補片植入后血流運動計算模型，對三維重建補片植入?yún)^(qū)域血管模型進行血流動力學模擬和 分析;運用基于有限控制容積法則的計算流體動力學進行血流模擬;通過計算機實現(xiàn)脈動 血流三維流場考慮呼吸作用、血管阻力、血管彈性生理條件下的血流動力學準確模擬，并將 計算結果進行可視化處理與比較，對每種模型補片植入位置、形狀、大小和角度情況進行綜 合評價，尋找患者個體化最佳血流動力學手術實施方案。
[0011] 所述的步驟(4)為將心包放置于模具凸面上，然后與模具凹面進行扣合，向其內(nèi)灌 注心包補片固定所用的戊二醛溶液，水平放置待固定成型，成型后去除模具獲得已成型心 包補片，即三維立體補片。
[0012]為實現(xiàn)上述第二個目的，本發(fā)明采取的技術方案是：一種個體化血流動力學優(yōu)化 的三維立體補片，所述的三維立體補片通過以下方法制得：（1)采集數(shù)據(jù)獲取三維數(shù)字化模 型，（2)分析個體化虛擬手術研究確定補片設計，（3)利用3D打印技術制作補片成型模具， (4)將待成型的補片放置于模具凸面上，然后與模具凹面進行扣合，向其內(nèi)灌注固定液，水 平放置待固定成型，成型后去除模具，即獲得三維立體補片。
[0013] 所述的三維立體補片應用于先天性心臟病手術中。
[0014] 本發(fā)明優(yōu)點在于：
[0015] 1、本發(fā)明的補片是三維立體的，相對于二維平面補片，更加契合患者的血管形態(tài)。
[0016] 2、本發(fā)明的補片可以根據(jù)不同的患者進行個體化定制。
[0017] 3、本發(fā)明的補片經(jīng)過血流動力學擬合，更加符合血流動力學的要求。
【附圖說明】
[0018] 附圖1是本發(fā)明的三維立體補片及模具的結構示意圖。
[0019]附圖2是本發(fā)明的三維立體補片及模具的結構示意圖。
[0020]附圖3是本發(fā)明的三維立體補片的模具的照片。
[0021]附圖4是本發(fā)明的三維立體補片模具的應用過程。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發(fā)明提供的【具體實施方式】作詳細說明。
[0023]附圖中涉及的附圖標記和組成部分如下所示：
[0024] 1、模具凹面
[0025] 2、待成型的補片
[0026] 3、模具凸面
[0027] 實施例1
[0028] (1)采集數(shù)據(jù)獲取三維數(shù)字化模型
[0029] 通過獲取患者術前的臨床MRI影像資料，以及超聲血流測量信息，完成待手術血管 區(qū)域三維數(shù)字化模型重建。通過MRI掃描獲取一系列二維DIC0M圖像數(shù)據(jù)用以后續(xù)進行解剖 結構的三維重建。通過心臟超聲掃描獲取各管腔內(nèi)隨時間變化的血流速度信息。將DIC0M格 式的圖像數(shù)據(jù)導入高度集成的醫(yī)學圖像處理軟件Materialise-M中，對由MRI掃描 產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)進行預處理，通過篩選選取補片植入?yún)^(qū)域完好的圖像，重建三維數(shù)字肺動 脈圖像。
[0030] (2)分析個體化虛擬手術研究確定補片設計
[0031] 利用患者醫(yī)學影像數(shù)據(jù)進行個體化三維重建，并結合患者自身解剖特點設計多種 可行的補片植入方案，如不同植入位置、形狀、大小和角度。利用CAD技術實施虛擬補片植 入，以不同虛擬手術設計方案三維模型為研究基礎，分別進行血流動力學定量評估與可視 化顯示，完成計算結果的分析，對不同手術方案下的血流動力學特征進行比較。利用計算流 體動力學方法，確立準確模擬血管補片植入后血流運動計算模型，對三維重建補片植入?yún)^(qū) 域血管模型進行血流動力學模擬和分析。運用基于有限控制容積法則的計算流體動力學分 析軟件Ansys-Fluent 14.0進行血流模擬。通過計算機C語言編程用戶自定義函數(shù)(UDF)進 行計算控制，實現(xiàn)脈動血流三維流場考慮呼吸作用、血管阻力，血管彈性等生理條件下的血 流動力學準確模擬，并將計算結果進行可視化處理與比較，對每種模型補片植入位置、形 狀、大小和角度等情況進行綜合評價，尋找患者個體化最佳血流動力學手術實施方案。
[0032] (3)利用3D打印技術制作補片成型模具，探索患者個體化補片固定方法
[0033]結合3D打印技術，制作經(jīng)虛擬手術設計患者個體化最佳補片設計方案成型模具， 與臨床手術醫(yī)師共同探討手術操作可行性與操作特點，結合血流動力學分析結果，確定患 者個體化符合最佳血流動力學條件的最優(yōu)手術植入方案?；谂R床已有利用戊二醛對補片 的固定方法，結合3D打印補片成型模具，探索數(shù)字設計符合患者血管生理特性的個體化補 片成型技術，開展隨訪與術后臨床數(shù)據(jù)采集，對術后患者可能產(chǎn)生的并發(fā)癥進行預測，為相 關醫(yī)學人員提供參考。
[0034] 實施例2
[0035] 選取一例需要進行補片移植的先心病患兒，手術過程中需應用自體心包補片擴大 狹窄的右室流出道和肺動脈(包括分支），從而解除流出道梗阻，達到手術根治的目的。
[0036] 采集患兒術前影像資料，通過MRI和心臟超聲方法獲取進行計算血流動力學分析 所需的三維解剖結構信息和分流區(qū)域內(nèi)血流速度等數(shù)據(jù)作為計算數(shù)值模擬的模型構建基 礎和邊界條件設定依據(jù)，完成患兒個體化補片植入?yún)^(qū)域解剖結構的三維重建，通過患兒個 體化血流動力學模擬及虛擬手術，確定符合此患兒最佳血流動力學的補片設計。利用3D打 印技術，制作患兒個體化補片成型物理實體模具，嚴格消毒，以用于術中自體心包補片固定 成型。
[0037] 手術中取患兒自體心包(A)，放置于個體化補片模具凸面上(B)，然后與模具凹面 部分進行扣合，向其內(nèi)灌注心包補片固定所用的戊二醛溶液，水平放置待固定成型(C)，15 分鐘后去除模具，獲得已成型心包補片，其形狀與角度理想(D)，極大程度地擬合個體化數(shù) 字設計補片模型，可以在手術中很好地幫助術者輕松定位移植位置、形狀以及角度。更重要 的是，這種符合血流動力學個體化三維立體補片的體內(nèi)血管修補及移植應用，可以更好地 幫助患者進行術后恢復，減少并發(fā)癥。
[0038] 本研究在血管補片臨床治療成型、固定以往的方法基礎上，利用計算流體動力學 及3D打印技術制作患者個體化補片成型模具，實現(xiàn)患者個體化治療與最優(yōu)血流動力學設 計，使得手術操作有據(jù)可循，有利于手術方式的改進與臨床標準的建立。此外，本研究中補 片成型、固定技術易于操作，有利于臨床推廣與普及。
[0039] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為 本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種個體化血流動力學優(yōu)化的三維立體補片的制備方法，其特征在于，所述的制備 方法包括以下步驟：（1)采集數(shù)據(jù)獲取三維數(shù)字化模型，（2)分析個體化虛擬手術研究確定 補片設計，（3)利用3D打印技術制作補片成型模具，（4)將待成型的補片放置于模具凸面上， 然后與模具凹面進行扣合，向其內(nèi)灌注固定液，水平放置待固定成型，成型后去除模具，即 獲得二維立體補片。2. 根據(jù)權利要求1所述的三維立體補片的制備方法，其特征在于，所述的步驟（1)為通 過獲取患者術前的臨床MRI影像資料以及超聲血流測量信息，完成待手術血管區(qū)域三維數(shù) 字化模型重建。3. 根據(jù)權利要求1所述的三維立體補片的制備方法，其特征在于，所述的步驟(2)為利 用CAD技術實施虛擬補片植入，以不同虛擬手術設計方案三維模型為研究基礎，分別進行血 流動力學定量評估與可視化顯示，完成計算結果的分析，對不同手術方案下的血流動力學 特征進行比較。4. 根據(jù)權利要求1所述的三維立體補片的制備方法，其特征在于，所述的步驟(2)為利 用CAD技術實施虛擬補片植入，以不同虛擬手術設計方案三維模型為研究基礎，分別進行血 流動力學定量評估與可視化顯示，完成計算結果的分析，對不同手術方案下的血流動力學 特征進行比較;利用計算流體動力學方法，確立準確模擬血管補片植入后血流運動計算模 型，對三維重建補片植入?yún)^(qū)域血管模型進行血流動力學模擬和分析;運用基于有限控制容 積法則的計算流體動力學進行血流模擬;通過計算機實現(xiàn)脈動血流三維流場考慮呼吸作 用、血管阻力、血管彈性生理條件下的血流動力學準確模擬，并將計算結果進行可視化處理 與比較，對每種模型補片植入位置、形狀、大小和角度情況進行綜合評價，尋找患者個體化 最佳血流動力學手術實施方案。5. 根據(jù)權利要求1所述的三維立體補片的制備方法，其特征在于，所述的步驟(4)為將 心包放置于模具凸面上，然后與模具凹面進行扣合，向其內(nèi)灌注心包補片固定所用的戊二 醛溶液，水平放置待固定成型，成型后去除模具獲得已成型心包補片，即三維立體補片。6. -種個體化血流動力學優(yōu)化的三維立體補片，其特征在于，所述的三維立體補片通 過以下方法制得：（1)采集數(shù)據(jù)獲取三維數(shù)字化模型，（2)分析個體化虛擬手術研究確定補 片設計，（3)利用3D打印技術制作補片成型模具，（4)將待成型的補片放置于模具凸面上，然 后與模具凹面進行扣合，向其內(nèi)灌注固定液，水平放置待固定成型，成型后去除模具，即獲 得三維立體補片。7. 根據(jù)權利要求6所述的三維立體補片，其特征在于，所述的三維立體補片應用于先天 性心臟病手術中。
【文檔編號】A61B34/10GK105997243SQ201610280579
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】殷猛, 張海波, 劉錦紛, 孔德領, 劉金龍, 張佳玲, 夏德凱, 金大為
【申請人】上海交通大學醫(yī)學院附屬上海兒童醫(yī)學中心