CN108305549A - 用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置及其制备方法。所述模型装置包括颅脑模型、压力传感器、数据处理模块以及输出装置，颅脑模型包括丘脑底核，压力传感器设置在丘脑底核上，压力传感器与数据处理模块连接，数据处理模块与位于颅脑模型外部的输出装置电连接或信号连接。该模型装置能够准确模拟患者的颅脑结构，并通过在丘脑底核处设置压力传感器并设置相应的数据处理模块和输出装置，通过输出装置可以实时反馈电极***位置的准确性，可供医生进行深部脑刺激电极植入手术的模拟操作训练，从而提高手术时电极***位置的准确性，进而提高手术效率，降低电极植入手术风险。
Description
技术领域
本发明涉及深部脑刺激电极植入模拟操作的技术领域，更具体地，涉及一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置及其制备方法。
背景技术
丘脑底核（STN）是人类大脑中与帕金森及其他非自主运动有关的重要结构，属于功能神经外科方面。目前的相关手术，主要依靠一个带有坐标信息的定位铁架，固定在患者的头上，调节好坐标，患者带着这个铁架去做CT或者MRI（核磁共振影像），之后结合影像资料以及记录好的坐标信息，往患者脑部植入微电极到丘脑底核处，进行丘脑底核深部电生理刺激（STN－DBS）。
根据临床反馈，虽然现在有立体定位铁架，但这样的做法其实相当于盲插，需要医生有非常丰富的经验或者在比较幸运的情况下，能够一次就将电极插中目标部位，否则电极插不中还得移动，需要进行反复多次尝试。这个过程不仅延长了手术时间，增加手术操作的难度，而且还会增加手术的风险。
深部脑刺激(DBS)电极植入的准确性直接决定着帕金森病患者深部脑刺激的最终治疗效果。由于丘脑底核体积较小、边界不明显，术中核磁共振影像分辨率低、电极伪迹大，直接根据影像资料进行电极***不仅操作上会存在困难，准确率也会收到较大影响。如果可以做到三维重建出丘脑底核，再结合脑组织打印出来，不仅可以直观看到核团所在位置及周围空间结构，还可以在具有脑组织的模型中进行术前插电极模拟练习，让医生术前做到心中有数，而且术前模拟可以锻炼“手感”，降低盲插不中的概率，节约手术时间，降低手术风险。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置，该模型装置能够为深部脑刺激电极植入手术提供术前模拟模型，提高正式手术时电极***位置的准确性，从而提高手术效率，降低手术风险。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置，包括：颅脑模型、压力传感器、数据处理模块以及输出装置，所述的颅脑模型包括丘脑底核，所述的压力传感器设置在丘脑底核上，所述的压力传感器与数据处理模块连接，所述的数据处理模块与位于颅脑模型外部的输出装置电连接或信号连接。
本发明的所述模型装置，通过图像处理、三维重建、3D打印制备出个性化的丘脑底核，进而制备出个性化的颅脑模型，并通过在丘脑底核处设置压力传感器并设置相应的数据处理模块和输出装置，当电极或手术器械触碰到丘脑底核时，会对位于丘脑底核上的压力传感器产生压力，在颅外的输出装置立即会进行提示。通过输出装置实时反馈模拟操作中电极***位置的准确性， 可供医生进行深部脑刺激电极植入手术的模拟操作训练。
优选地，所述的颅脑模型还包括由上颅骨和下颅骨配合形成的颅腔结构、颅内血管、脑室以及脑组织，所述的丘脑底核、颅内血管及脑室位于所述的颅腔结构内，所述的脑组织填充在所述的颅腔内。这样颅脑模型高度接近真实的人体颅脑的组成和结构，为医生在模拟电极植入操作训练中提供更真实的平台。
优选地，所述脑组织的制备材料为硅胶、凝胶或橡胶等柔软性材料，使得制得的颅脑模型中，脑组织具有与真实脑组织相似的质感、柔软度和弹性。
优选地，所述颅脑模型中上颅骨、下颅骨、颅脑血管、丘脑底核及脑室是根据患者颅脑结构的三维影像资料通过3D打印成型，这样制备出的颅脑模型完全是个性化的，为医生研究具体的患者或病例提供了很好的临床参考价值。进一步优选地，所述上颅骨和下颅骨之间是通过螺钉进行固定连接的，形成一个密闭的仿真实人体的颅脑结构。
优选的，所述压力传感器为柔性薄膜压力传感器。柔性薄膜压力传感器可以是帽子状，从上往下套在丘脑底核上，柔性薄膜压力传感器可以覆盖丘脑底核从最上方起往下至四分之三的部分。进一步优选的，所述柔性薄膜压力传感器覆盖在丘脑底核从最上方起往下至三分之二的部分。
所述数据处理模块可以包括滤波器、放大器、A/D转换器以及相应的反馈电路，所述的数据处理模块能够对采集信号进行微弱信号滤波降噪、A/D转换、处理放大的处理。所述数据处理模块可以设置在颅脑模型内部也可以设置在颅脑模型外部。
优选地，所述输出装置包括声音和/或光提示装置。进一步优选地，所述输出装置包括灯泡。所述输出装置并不限于以上所述类型，只要当压力传感器受到压力时，输出装置能够即时地给到操作者一个直观的、易于察觉的信息反馈即可。
本发明提供的模型装置，其工作原理是：在进行模拟插电极操作过程中，如果***的电极触碰到压力传感器，压力传感器将数据传递给数据处理模块，数据处理模块可以根据压力传感器实时反馈的压力信号进行分析处理，并将处理结果以信号形式发送给输出装置，进而输出装置发出提示信号，操作者根据输出装置的提示信号判断是否将电极***到合理位置。
本发明还提供了一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置的制备方法。具体包括以下步骤：
S1：对患者丘脑底核三维立体模型的重建；
S2：对患者颅脑模型整体三维立体模型的重建；
S3：颅脑模型的成型：通过3D打印将重建后的颅脑模型打印出来，获得实体模型；
S4：将压力传感器设置在丘脑底核上，然后将压力传感器、数据处理模块以及输出装置进行连接。
其中，步骤S1对患者丘脑底核三维立体模型的重建过程包括：
S1.1：扫描患者术前的影像资料，要求为薄层数据并保存为DICOM格式。
S1.2：把保存好的影像资料导入重建软件中，选定目标区域，调整图像灰度使丘脑底核显示清晰。优选地，是在丘脑底核所在层面对影像图进行阈值调整，使得丘脑底核区域通过阈值选取凸显出来。
S1.3：把步骤S1.2选中的丘脑底核区域进行进一步优化，例如修正轮廓，去噪等，再把二维的图像转化成三维的立体模型。
步骤S2对患者颅脑模型整体三维立体模型的重建过程包括：
S2.1：对颅脑骨质、颅脑血管、脑室进行三维重建。
S2.2：将丘脑底核、颅脑骨质、颅内血管、脑室经过重建软件和设计软件进行多模态融合，形成一个颅脑模型的三维模型。
优选地，步骤S3中颅脑模型的打印成型包括：颅脑骨质分为上半颅和下半颅，其中下半颅与颅脑血管、丘脑底核、脑室一体打印，上半颅单独打印。
优选地，步骤S4具体包括：
S4.1：在S3中打印得到的实体模型的丘脑底核上设置压力传感器；
S4.2：用导线将压力传感器与数据处理模块连接，以实现电阻转电压模式；将数据处理模块与设置在颅外的输出装置进行电连接；
S4.3：将上半颅和下半颅进行固定连接，形成完整的颅内腔体，然后将制作脑组织的溶液材料灌注进入所述颅内腔体中，待所述溶液材料凝固后，得到具有脑组织的、可用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置。
为了保证模型装置在使用时的有效性和准确性，在进行步骤S4.3之前，先对S4.2得到的模型装置进行测试，使得电路满足以下条件：当外界物品对压力传感器产生压力时，电路接通，可观察到在颅外的输出装置会给出信息提示。
本发明的模型装置用于模拟电极植入操作时，可以使用手术器械，如脑深部刺激电极植入使用的立体定向仪等，在模型装置上进行插电极模拟操作，当电极或手术器械触碰到压力传感器时，颅外的输出装置会进行信息提示，例如发出声音和/或光等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该模型装置能够准确模拟患者的颅脑结构，并通过在丘脑底核处设置压力传感器并设置相应的数据处理模块和输出装置，通过输出装置可以实时反馈电极***位置的准确性，可供医生进行深部脑刺激电极植入手术的模拟操作训练，从而提高手术时电极***位置的准确性，进而提高手术效率，降低电极植入手术风险。
附图说明
图1是本发明模型装置整体结构示意图。
图2是本发明模型装置的制备方法的流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例一：
如图1所示，一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置，包括：颅脑模型1、压力传感器2、数据处理模块3以及输出装置4，颅脑模型包括丘脑底核5，压力传感器2设置在丘脑底核5上，压力传感器2与数据处理模块3连接，数据处理模块3与位于颅脑模型1外部的输出装置4电连接或信号连接。
实施例二：
颅脑模型还可以包括由上颅骨和下颅骨配合形成的颅腔结构、颅内血管、脑室以及脑组织，所述的丘脑底核、颅内血管、脑室位于所述的颅腔结构内，所述的脑组织填充在所述的颅腔内，脑组织的材料可以选用硅胶、凝胶或橡胶等柔软性的材料。完整的颅脑模型结构能够使得模拟与实际人体颅脑环境更加相近，从而能够进一步提高术前模拟的准确性。所述颅脑模型中上颅骨、下颅骨、颅脑血管、丘脑底核及脑室是根据患者颅脑结构的三维影像资料通过3D打印成型，这样制备出的颅脑模型完全是个性化的，为医生研究具体的患者或病例提供了很好的临床参考价值。进一步优选地，所述上颅骨和下颅骨之间是通过螺钉进行固定连接的，形成一个密闭的仿真实人体的颅脑结构。
本实施例中的其他部分与实施例一相同。
实施例三：
压力传感器为柔性薄膜压力传感器。柔性薄膜压力传感器可以是帽子状，从上往下套在丘脑底核上，柔性薄膜压力传感器可以覆盖丘脑底核从最上方起往下至四分之三的部分。进一步优选的，所述柔性薄膜压力传感器覆盖在丘脑底核从最上方起往下至三分之二的部分。
数据处理模块可以设置在颅脑模型内部也可以设置在颅脑模型外部。
输出装置可以为显示装置或声音提示装置或光提示装置中的一种或多种。优选的，输出装置为一灯泡。
数据处理模块可以包括滤波器、放大器、A/D转换器以及相应的反馈电路，所述的数据处理模块能够对采集信号进行微弱信号滤波降噪、A/D转换、处理放大的处理。数据处理模块优选为模数转换模块。
本实施例中的其他部分与实施例一或二相同。
实施例四：
如图2，一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：对患者丘脑底核三维立体模型的重建；
S2：对患者颅脑模型整体三维立体模型的重建；
S3：颅脑模型的成型：通过3D打印将重建后的颅脑模型打印出来，获得实体的颅脑模型；
S4：将压力传感器设置在丘脑底核上，然后将压力传感器与数据处理模块进行电连接，将数据处理模块与输出装置进行电连接或信号连接。
步骤S1具体可以包括：
S1.1：扫描患者术前的脑部影像资料；优选的保存为DICOM格式；
S1.2：把保存好的影像资料导入重建软件中，选定目标区域，调整图像灰度使丘脑底核显示清晰；如软件mimics，选定兴趣区域，调整图像灰度使丘脑底核（STN）显示清晰，在丘脑底核所在层面对影像资料进行阈值调整，使得丘脑底核区域通过阈值选取凸显出来；
S1.3：把步骤S1.2中选中的丘脑底核区域进行修整轮廓、去噪后再把二维图像转化成三维立体模型图像。
步骤S2可以具体包括：
S2.1：对颅脑骨质、颅脑血管、脑室进行三维重建；重建方法可以参考步骤S1.1、S1.2、S1.3；
S2.2： 将丘脑底核、颅脑骨质、颅内血管、脑室经过重建软件（如mimics、3Ddoctor、3Dslicers等）和设计软件（如3-matic、Geo-magic等）进行多模态融合，形成一个颅脑模型的三维模型。
步骤S3中颅脑模型的打印成型可以具体包括：颅脑骨质分为上半颅和下半颅，其中下半颅与颅脑血管、丘脑底核、脑室一体打印，上半颅单独打印。
步骤S4可以具体包括：
S4.1：在S3中打印得到的实体模型的丘脑底核上设置压力传感器；
S4.2：用导线将压力传感器与数据处理模块连接，以实现电阻转电压模式；将数据处理模块与设置在颅外的输出装置进行电连接；
S4.3：将上半颅和下半颅进行固定连接，形成完整的颅内腔体，然后将制作脑组织的溶液材料灌注进入所述颅内腔体中，待所述溶液材料凝固后，得到具有脑组织的、可用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置。
S4.4： 在进行步骤S4.3之前，也可以先对S4.2得到的模型装置进行测试，使得电路满足以下条件：当外界物品对压力传感器产生压力时，电路接通，可观察到在颅外的输出装置给出的信息提示。
S4.5：当S4.4满足时，对颅脑模型灌注脑组织，优选的，灌注材料为硅胶、凝胶或橡胶等柔软性的材料。
S4.6：完成脑组织的制作后，把单独打印的颅脑骨质的上颅骨与下颅骨采用颅骨钉连接起来，形成一个密闭的仿真实人体的颅脑结构。
模拟深部脑刺激(DBS)电极植入操作时，可以使用手术器械（如脑深部刺激电极植入使用的立体定向仪或医生用于模拟练习的其他手术用具）在模型装置上进行插电极模拟，当手术器械触碰到压力传感器时，在颅外可以观察到输出装置的提示，具体的输出装置可以为小灯泡，在颅外可观察到小灯泡发光。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置，其特征在于，所述模型装置包括颅脑模型、压力传感器、数据处理模块以及输出装置，所述的颅脑模型包括丘脑底核，所述的压力传感器设置在丘脑底核上，所述的压力传感器与数据处理模块连接，所述的数据处理模块与位于颅脑模型外部的输出装置电连接或信号连接。
2.根据权利要求1所述的模型装置，其特征在于，所述的颅脑模型还包括由上颅骨和下颅骨配合形成的颅腔结构、颅内血管、脑室以及脑组织，所述的丘脑底核、颅内血管及脑室位于所述的颅腔结构内，所述的脑组织填充在所述的颅腔内。
3.根据权利要求2所述的模型装置，其特征在于，在所述的颅脑模型中，所述上颅骨、下颅骨、颅脑血管、丘脑底核以及脑室是根据患者颅脑结构的三维影像资料通过3D打印成型。
4.根据权利要求1至3任一项所述的模型装置，其特征在于，所述的压力传感器为柔性薄膜压力传感器。
5.根据权利要求4所述的模型装置，其特征在于，所述的柔性薄膜压力传感器覆盖丘脑底核从最上方起往下至三分之二的部分。
6.根据权利要求1所述的模型装置，其特征在于，所述输出装置包括声音和/或光提示装置。
7.一种用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：对患者丘脑底核三维立体模型的重建；
S2：对患者颅脑模型整体三维立体模型的重建；
S3：颅脑模型的成型：通过3D打印将重建后的颅脑模型打印出来，获得实体的颅脑模型；
S4：将压力传感器设置在丘脑底核上，然后将压力传感器与数据处理模块进行电连接，将数据处理模块与输出装置进行电连接或信号连接。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S1.1：扫描患者术前的脑部影像资料；
S1.2：把保存好的影像资料导入重建软件中，选定目标区域，调整图像灰度使丘脑底核显示清晰；
S1.3：把步骤S1.2中选中的丘脑底核区域进行修整轮廓、去噪后再把二维图像转化成三维立体模型图像。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，S2具体包括：
S2.1对颅脑骨质、颅脑血管、脑室进行三维重建；
S2.2将丘脑底核、颅脑骨质、颅内血管及脑室经过重建软件和设计软件进行多模态融合，形成一个颅脑模型的三维模型。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤S3中颅脑模型的打印成型包括：颅脑骨质分为上半颅和下半颅，其中下半颅与颅脑血管、丘脑底核、脑室一体打印，上半颅单独打印。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
S4.1：在S3中打印得到的实体模型的丘脑底核上设置压力传感器；
S4.2：用导线将压力传感器与数据处理模块连接，以实现电阻转电压模式；将数据处理模块与设置在颅外的输出装置进行电连接；
S4.3：将上半颅和下半颅进行固定连接，形成完整的颅内腔体，然后将制作脑组织的溶液材料灌注进入所述颅内腔体中，待所述溶液材料凝固后，得到具有脑组织的、可用于模拟深部脑刺激电极植入操作的模型装置。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤S4.3之前，先对S4.2得到的模型装置进行测试，使得电路满足以下条件：当外界物品对压力传感器产生压力时，电路接通，可观察到在颅外的输出装置给出的信息提示。
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