CN111938814A - 一种用于定位切除肺结节的立体模型及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种用于定位切除肺结节的立体模型及其制备方法，该立体模型包括肺模型、至少一个肺结节模型和连接机构；所述肺模型和每个所述肺结节模型均是根据患者肺部扫描CT数据进行三维建模后采用3D打印的结构件；所述肺模型包括壳体和内腔；所述内腔具有开口，所述肺模型为透明结构件；每个所述肺结节模型设置于所述肺模型的内腔中，每个所述肺结节模型与所述肺模型的壳体内壁通过所述连接机构进行连接。利用本发明提供的立体模型可以实现定位切除肺结节术前肺结节的精准定位，而且操作简单，设备要求低，准确度高。该立体模型是根据患者肺部扫描CT数据进行等比三维建模后采用3D打印制备得到的，该立体模型透明度好、识别度高。

Description

一种用于定位切除肺结节的立体模型及其制备方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及了一种用于定位切除肺结节的立体模型及其制备方法。

背景技术

结节病是一种原因不明的、以非干酪样坏死性上皮样细胞肉芽肿为病理特征的***性肉芽肿性疾病。肺结节通常是指直径小于4cm的肺内类圆形病灶，病情严重时需要从肺部表面开始动刀对肺结节进行切除手术。目前，术前常规的肺结节定位方法采用的是CT引导下Hook-wire穿刺定位或术中超声定位等方法，Hook-wire穿刺定位结节，操作复杂且有创，可能造成气胸或血胸；同时在搬运患者过程中，定位针可能脱落或移位，导致定位失败。术中超声定位法，准确性偏低、对术中小结节定位的指导有限。尤其，一些肺结节在肺中的位置较深，体积较小，实性成分较少，在术中的探查定位十分困难，导致手术切除的范围难以确定，有时甚至可能出现病灶并未包含在切除的肺组织中的情况。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术定位切除肺结节的方法存在操作复杂易失败、定位困难、准确度偏低的问题；提供一种用于定位切除肺结节的立体模型及其制备方法。该立体模型对不同深度的肺结节做了精准的位置信息、体积大小信息的确认，形成了一个直观、可测量的精确的肺结节信息，医生可通过该立体模型，明确肺组织内部肺结节与肺表面的位置关系，从而可规划在进行手术切除时明确具体的切除肺组织大小、选择合适手术路径。利用本发明提供的立体模型可以实现定位切除肺结节术前肺结节的精准定位，而且操作简单，设备要求低，准确度高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于定位切除肺结节的立体模型，包括肺模型、至少一个肺结节模型和连接机构；

所述肺模型和每个所述肺结节模型均是根据患者肺部扫描CT数据进行三维建模后采用3D打印的结构件；

所述肺模型包括壳体和内腔，所述内腔具有开口；所述肺模型为透明结构件；

每个所述肺结节模型设置于所述肺模型的内腔中，每个所述肺结节模型与所述肺模型的壳体内壁通过所述连接机构进行连接。

本发明提供的立体模型，根据患者肺部扫描CT数据进行三维建模后采用3D打印的肺模型和肺结节模型，基于高精度CT数据可以实现对不同深度位置、体积肺结节尺寸、结构的确认，然后，将肺模型设置成有内腔的中空壳体，肺结节模型与肺模型壳体内壁设置一个连接结构；透明中空壳体的设计一方面可以减轻这个立体模型的重量，另一方面医护人员可以从肺模型的内腔开口将手伸入进行进一步的观察或测量；连接棍的设置使得肺结节与肺表面连接，实质上形成一个直观的、可测量的、精确的肺结节位置信息，医生可通过目测估算、测量工具辅助测量或者产品说明书解释确定连接棍长度信息，明确肺组织内部肺结节从哪部分肺叶表面下刀最合适，从而可规划在进行手术切除时明确具体的切除肺组织大小、选择合适手术路径，达到肺结节精准定位应用于手术治疗的目的。利用本发明提供的立体模型可以实现定位切除肺结节术前肺结节的精准定位，而且操作简单，设备要求低，准确度高。

进一步的，所述肺模型和每个所述肺结节模型均是根据患者肺部扫描CT数据进行等比三维建模后采用3D打印的结构件。通过等比建模制备出与真实肺和肺结节相同的大小的模型，可以提高立体模型用于精准定位的效果。

进一步的，所述开口位于所述肺模型的肺底。进一步的，所述内腔是沿肺底向肺尖方向设置的。

进一步的，所述肺模型的壳体是左肺模型壳体或右肺模型壳体；所述左肺模型壳体外表面包括第一斜裂，所述第一斜裂为沟槽，所述第一斜裂将所述左肺模型壳体分为左肺上叶模块和左肺下叶模块；所述右肺模型壳体外表面包括水平裂和第二斜裂，所述水平裂和第二斜裂为沟槽，所述水平裂和所述第二斜裂将所述右肺模型壳体分为右肺上叶模块、右肺中叶模块和右肺下叶模块；所述水平裂设置于所述右肺上叶模块与所述右肺中叶模块之间；所述右肺上叶模块和右肺中叶模块通过第二斜裂与所述右肺下叶模块连接。不同患者的肺结节患病情况不同，有的患者仅在左肺中有肺结节，有的患者仅仅在右肺中有肺结节，有的患者两个肺中都有，根据不同患者的扫描情况，制作含有肺结节的立体模型即可。

进一步的，所述用于定位切除肺结节的立体模型是一体成型结构件。

进一步的，每个所述肺结节模型通过所述连接机构连接至距离所述肺模型的壳体内壁最短的位置。不同患者肺结节的个数、位置及结构大小均是不同的，医生需要根据患者的情况作出一个合适的切除方案，制作立体模型时，设置一个最短距离，可以给医生做一个参考。

进一步的，所述肺模型壳体的厚度为1mm～3mm。厚度过大一方面不利于从肺模型表面对内腔中的肺结节模型进行识别，另一方面也提高了整个肺模型的重量不便于拿捏；厚度过小不利于连接机构的稳定连接。

进一步的，所述肺模型为无色结构件，每个所述肺结节模型为非透明的彩色结构件。颜色的区别设计，便于观察，可以有效提高医护人员的诊断效果。

进一步的，相邻所述肺结节模型为不同颜色的结构件。颜色的区别设计，便于观察，可以有效提高医护人员的诊断效果。

进一步的，所有所述肺结节模型的颜色是互不相同的。颜色的区别设计，便于观察，可以有效提高医护人员的诊断效果。

进一步的，所述连接机构是连接棍。进一步的，所述连接棍的直径为0.5mm～3mm。

进一步的，所述用于定位切除肺结节的立体模型光敏树脂材质结构件。

进一步的，所述用于定位切除肺结节的立体模型是ABS树脂材质结构件。

进一步的，所述肺模型的外表面设置有光油层。通过表面涂抹光油可以增加立体模型的光滑度和透明度，便于识别。

本发明的另一目的是提供了上述用于定位切除肺结节的立体模型的制备方法。

一种用于定位切除肺结节的立体模型的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、根据患者肺部扫描CT数据进行三维建模，得到用于定位切除肺结节的立体模型3D打印数据；

步骤2、将步骤1得到的数据导入切片软件中，所述立体模型按肺底朝下设置摆放，设置切片层厚为0.06-0.12mm；

步骤3、将步骤2的数据传输到3D打印机进行打印，打印过程中的工艺参数为：轮廓速度为500-5000mm/s，实体速度为5000-7000mm/s，支撑速度为1000-2500mm/s，跳跃速度为8000-11000mm/s，打印完毕，取出，得到模型粗品；

步骤4，将步骤3得到的模型粗品置于酒精浸泡1h～2h，去除支撑结构，风干；

步骤5、将步骤4得到的风干后的模型置于固化箱中固化15min～40min，取出，得到用于定位切除肺结节的立体模型。

本发明提供了用于定位切除肺结节的立体模型的制备方法，该制备方法操作简单，便于控制；同时，通过严格的控制工艺参数，例如切片软件中立体模型的摆放方向、切片厚度、打印速度参数等，使得制备的立体模型误差小，精确度高，并且透明度好，便于识别。

进一步的，所述步骤1中，根据患者肺部扫描CT数据进行等比三维建模。

进一步的，所述步骤3中，打印过程中的工艺参数为：轮廓速度为3000-5000mm/s，实体速度为6000-7000mm/s，支撑速度为1000-1500mm/s，跳跃速度为9000-11000mm/s。优选地，所述步骤3中，打印过程中的工艺参数为：轮廓速度为3500-5000mm/s，实体速度为6000-6500mm/s，支撑速度为1200-1500mm/s，跳跃速度为10000-11000mm/s。更优选地，所述步骤3中，打印过程中的工艺参数为：轮廓速度为4000mm/s，实体速度为6000mm/s，支撑速度为1400mm/s，跳跃速度为10000mm/s。根据发明人大量的实验研究发现，打印过程中的工艺参数是影响立体模型精度和品质的重要影响因素，在优选的工艺参数范围内，制备的立体模型的壳体透明度更高，误差小，质量更好，更有利于识别。

进一步的，步骤5后还包括步骤5a：将取出固化后的模型进行表面打磨，然后再模型表面涂抹光油，固化15s～50s。通过表面涂抹光油可以增加立体模型的光滑度和透明度，便于识别。

进一步的，步骤5后还包括步骤5b：将所述立体模型中，每个肺结节进行不同颜色的涂抹设置。不同颜色的设置可以增加从肺模型表面看肺结节模型的辨识度。

进一步的，所述步骤2中，切片厚度为0.08mm～0.12mm。优选地，所述步骤2中，切片厚度为0.10mm。步骤2中切片软件中立体模型的摆放方向与切片厚度直接影响着生产立体模型过程中模型的精确度。

进一步的，所述步骤1中，所述用于定位切除肺结节的立体模型3D打印数据是由以下方法得到，包括以下步骤：

步骤S1、获取患者肺部扫描CT数据，CT数据层厚为1.5mm以下；然后将肺部扫描CT数据导入三维重建软件中，对数据进行分段处理，标准肺部范围，确认患者肺的结构及尺寸，对肺进行重建，得到肺部立体模型图；

步骤S2、在步骤S1的扫描CT数据中，标准肺结节范围，对每一个肺结节的位置、尺寸、结构进行重建，得到含有肺结节的肺部立体模型图；

步骤S3、沿肺底向肺尖将步骤S2得到的含有肺结节的肺部立体模型图进行掏空，得到壳状肺部立体模型图，其中，肺结节位于壳状肺部立体模型图内部；

步骤S4、在步骤S3得到的壳状肺部立体模型图中，将肺结节与壳体内壁通过连接机构进行连接，输出数据，得到用于定位切除肺结节的立体模型3D打印数据。

进一步的，所述步骤S1中，所述三维重建软件为mimics软件或magics软件。

进一步的，所述步骤S1中，通过肺叶分段功能，对肺进行结构划分，左肺分为左肺上叶、第一斜裂和左肺下叶，右肺分为右肺上叶、右肺中叶、右肺下叶、水平裂和第二斜裂。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的立体模型，根据患者肺部扫描CT数据进行三维建模后采用3D打印的肺模型和肺结节模型，基于高精度CT数据可以实现对不同深度位置、体积肺结节尺寸、结构的确认，然后，将肺模型设置成有内腔的中空壳体，肺结节模型与肺模型壳体内壁设置一个连接结构；透明中空壳体的设计一方面可以减轻这个立体模型的重量，另一方面医护人员可以从肺模型的内腔开口将手伸入进行进一步的观察或测量；连接棍的设置使得肺结节与肺表面连接，实质上形成一个直观的、可测量的、精确的肺结节位置信息，医生可通过目测估算、测量工具辅助测量或者产品说明书解释确定连接棍长度信息，明确肺组织内部肺结节从哪部分肺叶表面下刀最合适，从而可规划在进行手术切除时明确具体的切除肺组织大小、选择合适手术路径，达到肺结节精准定位应用于手术治疗的目的。利用本发明提供的立体模型可以实现定位切除肺结节术前肺结节的精准定位，而且操作简单，设备要求低，准确度高。

2、本发明提供了用于定位切除肺结节的立体模型的制备方法，该制备方法操作简单，便于控制；同时，通过严格的控制工艺参数，使得制备的立体模型误差小，精确度高，并且透明度好，便于识别。

附图说明

图1是实施例1制备的用于定位切除肺结节的立体模型结构示意图。

图2是实施例1制备的立体模型的从肺尖向肺底方向设置的剖面结构示意图。

图标：1-肺模型；11-内腔；12-壳体；2-肺结节模型；3-连接机构；4-肺底；5-肺尖；6-右肺上叶模块；7-右肺中叶模块；8-右肺下叶模块；9-水平裂；10-第二斜裂；13-开口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

获取某医院患者右边肺部扫描CT数据，CT数据为DICOM格式，CT数据层厚1.0mm；

将患者肺部扫描CT数据导入mimics软件三维重建软件中，对数据进行分段处理，标准肺部范围，通过肺叶分段功能，区分水平裂和斜裂，右肺分右肺上叶、右肺中叶、右肺下叶；确认患者肺结构尺寸大小；

然后在肺部范围数据中，标准肺结节范围，确认肺结节数量、尺寸、结构大小；

分别对各个肺叶和肺结节进行1：1比例重建组合；

从内部将重建完毕的肺模型掏空，形成3mm厚度的壳状肺模型，肺结节目前在内部处于悬空状态；

在肺结节和掏空后的壳状肺模型之间添加直径为2mm连接棍，连接棍长度基于选择距离较近的肺表面进行连接肺结节从而确定，连接棍数量基于悬空肺结节数量确定；

组合掏空后的壳状肺模型、肺结节、连接棍，形成一个完整的肺结节模型。

在肺结节模型表面添加患者姓名和住院号，形成辨识；

以STL格式输出设计文件。

制备过程：

将STL文件导入切片软件进行支撑设计，肺结节模型竖直、开口朝下摆放，根据模型精度调整切片厚度为0.1mm。

完成切片设置后，将数据传输到3D打印机进行制备，制备误差：±0.1mm，设置扫描速度：轮廓速度为4000mm/s，实体速度为6000mm/s，支撑速度为1400mm/s，跳跃速度为10000mm/s；

打印完毕后，取出模型置于酒精浸泡1.5小时软化支撑结构，并去除支撑，风干；

模型风干后进行二次固化，置于固化箱30min，使用砂纸将模型表面不规则处打磨光滑，然后均匀涂抹光油固化40s钟增加模型透光度；

使用彩色树脂调配颜色，涂抹至肺结节处，并进行紫外固化，便于肺结节定位、识别；最终得到用于用于定位切除肺结节的立体模型。

如图1所示，一种用于定位切除肺结节的立体模型，包括肺模型1、两个肺结节模型2和连接机构3；其中，肺模型1为右肺模型。如图2所示，所述肺模型1包括沿肺底4向肺尖5方向设置的内腔11和3mm厚的壳体12；所述内腔具有开口13，所述开口位于肺底4，所述肺模型1为透明结构件；

如图1所示，所述右肺模型壳体外表面包括水平裂9和第二斜裂10，所述水平裂9和第二斜裂10为沟槽，所述水平裂9和所述第二斜裂10将所述右肺模型壳体分为右肺上叶模块6、右肺中叶模块7和右肺下叶模块8；所述水平裂9设置于所述右肺上叶模块6与所述右肺中叶模块7之间；所述右肺上叶模块和右肺中叶模块通过第二斜裂10与所述右肺下叶模块连接。

每个所述肺结节模型2设置于所述肺模型1的内腔11中，每个所述肺结节模型2与所述肺模型1的内壁通过所述连接机构3进行连接，连接机构3为直径为2mm的连接棍。每个所述肺结节模型2通过所述连接机构3连接至距离所述肺模型1的内壁最短的位置。所述肺模型1为无色结构件，相邻所述肺结节模型2为非透明的不同颜色的结构件。所述用于定位切除肺结节的立体模型是光敏树脂材质的结构件。

该院医生采用上述立体模型进行定位诊断，成功的将肺结节进行切除。

本发明提供的立体模型，根据患者肺部扫描CT数据进行等比三维建模后采用3D打印的肺模型和肺结节模型，基于高精度CT数据可以实现对不同深度位置、体积肺结节尺寸、结构的确认，然后，将肺模型设置成有内腔的中空壳体，肺结节模型与肺模型壳体内壁设置一个连接结构；透明中空壳体的设计一方面可以减轻这个立体模型的重量，另一方面医护人员可以从肺底将手伸入进行进一步的观察或测量；连接棍的设置使得肺结节与肺表面连接，实质上形成一个直观的、可测量的、精确的肺结节位置信息，医生可通过目测估算、测量工具辅助测量或者产品说明书解释确定连接棍长度信息，明确肺组织内部肺结节距离那部分肺叶表面距离最近，从而可规划在进行手术切除时明确具体的切除肺组织大小、选择合适手术路径，达到肺结节精准定位应用于手术治疗的目的。利用本发明提供的立体模型可以实现定位切除肺结节术前肺结节的精准定位，而且操作简单，设备要求低，准确度高。同时，该制备方法操作简单，便于控制；同时，通过严格的控制工艺参数，使得制备的立体模型误差小，精确度高，并且透明度好，便于识别。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于定位切除肺结节的立体模型，其特征在于，包括肺模型(1)、至少一个肺结节模型(2)和连接机构(3)；

所述肺模型(1)和每个所述肺结节模型(2)均是根据患者肺部扫描CT数据进行三维建模后采用3D打印的结构件；

所述肺模型(1)包括壳体(12)和内腔(11)，所述内腔(11)具有开口(13)；所述肺模型(1)为透明结构件；

每个所述肺结节模型(2)设置于所述肺模型(1)的内腔(11)中，每个所述肺结节模型(2)与所述肺模型(1)的壳体(12)内壁通过所述连接机构(3)进行连接。

2.根据权利要求1所述的用于定位切除肺结节的立体模型，其特征在于，所述肺模型(1)的壳体(12)是左肺模型壳体或右肺模型壳体；所述左肺模型壳体外表面包括第一斜裂，所述第一斜裂为沟槽，所述第一斜裂将所述左肺模型壳体分为左肺上叶模块和左肺下叶模块；所述右肺模型壳体外表面包括水平裂(9)和第二斜裂(10)，所述水平裂(9)和第二斜裂(10)为沟槽，所述水平裂(9)和所述第二斜裂(10)将所述右肺模型壳体分为右肺上叶模块(6)、右肺中叶模块(7)和右肺下叶模块(8)；所述水平裂(9)设置于所述右肺上叶模块(6)与所述右肺中叶模块(7)之间；所述右肺上叶模块(6)和右肺中叶模块(7)通过第二斜裂(10)与所述右肺下叶模块(8)连接。

3.根据权利要求1所述的用于定位切除肺结节的立体模型，其特征在于，每个所述肺结节模型(2)通过所述连接机构(3)连接至距离所述肺模型(1)的壳体(12)内壁最短的位置。

4.根据权利要求1所述的用于定位切除肺结节的立体模型，其特征在于，所述壳体(12)的厚度为1mm～3mm。

5.根据权利要求1所述的用于定位切除肺结节的立体模型，其特征在于，所述肺模型(1)为无色结构件，每个所述肺结节模型(2)为非透明的彩色结构件。

6.根据权利要求1所述的用于定位切除肺结节的立体模型，其特征在于，相邻所述肺结节模型(2)为不同颜色的结构件。

7.根据权利要求1所述的用于定位切除肺结节的立体模型，其特征在于，所述连接机构(3)是连接棍；所述连接棍的直径为0.5mm～3mm。

8.根据权利要求1所述的用于定位切除肺结节的立体模型，其特征在于，所述用于定位切除肺结节的立体模型是光敏树脂材质的结构件。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述的用于定位切除肺结节的立体模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据患者肺部扫描CT数据进行三维建模，得到用于定位切除肺结节的立体模型3D打印数据；

步骤2、将步骤1得到的数据导入切片软件中，所述立体模型按肺底朝下设置摆放，设置切片层厚为0.06-0.12mm；

步骤3、将步骤2的数据传输到3D打印机进行打印，打印过程中的工艺参数为：轮廓速度为500-5000mm/s，实体速度为5000-7000mm/s，支撑速度为1000-2500mm/s，跳跃速度为8000-11000mm/s；打印完毕，取出，得到模型粗品；

步骤4，将步骤3得到的模型粗品置于酒精浸泡1h～2h，去除支撑结构，风干；

步骤5、将步骤4得到的风干后的模型置于固化箱中固化15min～40min，取出，得到用于定位切除肺结节的立体模型。

10.根据权利要求9所述的用于定位切除肺结节的立体模型的制备方法，奇特在于，所述步骤1中，所述用于定位切除肺结节的立体模型3D打印数据是由以下方法得到，包括以下步骤：

步骤S1、获取患者肺部扫描CT数据，CT数据层厚为1.5mm以下；然后将肺部扫描CT数据导入三维重建软件中，对数据进行分段处理，标准肺部范围，确认患者肺的结构及尺寸，对肺进行重建，得到肺部立体模型图；

步骤S2、在步骤S1的扫描CT数据中，标准肺结节范围，对每一个肺结节的位置、尺寸、结构进行等比重建，得到含有肺结节的肺部立体模型图；

步骤S3、沿肺底向肺尖将步骤S2得到的含有肺结节的肺部立体模型图进行掏空，得到壳状肺部立体模型图，其中，肺结节位于壳状肺部立体模型图内部；

步骤S4、在步骤S3得到的壳状肺部立体模型图中，将肺结节与壳体内壁通过连接机构进行连接，输出数据，得到用于定位切除肺结节的立体模型3D打印数据。

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