CN112368760A - 回声器官复制品和使用增材制造***的制造方法 - Google Patents

回声器官复制品和使用增材制造***的制造方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种回声器官复制品和使用增材制造***的制造方法。回声器官复制品包括至少一种较低声阻抗材料和分布在至少一种较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料。回声器官复制品的所得回声反射性在一个或更多个位置中的每个位置的三个维度上变化，以基本上复制与体内器官组织的相应位置相关联的回声反射性。

Description

回声器官复制品和使用增材制造***的制造方法
相关申请
本申请要求于2018年5月21日提交的美国专利申请No.62/674,585的权益和优先权，其全部内容出于所有目的通过引用合并于此。
技术领域
背景技术
器官复制品用于模拟与人或动物体内器官相关联的解剖特征和/或机械功能。使用增材制造***制造的器官复制品可以模拟与特定患者要模拟或复制的器官相对应的多种体内条件。
发明内容
根据一个方面，本公开涉及一种回声器官复制品。回声器官复制品包括较低声阻抗材料和分布在较低声阻抗材料内的至少一种较高声阻抗材料。在回声器官复制品的不同位置处，至少一种较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内，其材料分布在整个器官复制品中在三个维度上变化，从而导致器官复制品的回声反射性在三个维度上变化以复制与相应的体内器官组织相关联的回声反射性的三维变化。
在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料包括第一较高声阻抗材料和第二较高声阻抗材料，第二较高声阻抗材料具有与第一较高声阻抗材料不同的弹性。在一些实施方式中，第一较高声阻抗材料和第二较高声阻抗材料的布置使得回声器官复制品在其表面上具有与鉴于体内器官组织周围的一个或更多个器官、由回声器官复制品复制的体内器官组织的相应位置处的弹性基本相似的弹性。
在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内。在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料作为分布在较低声阻抗材料内的多个微珠分布在较低声阻抗材料内。在一些实施方式中，微珠的直径(或最小尺寸，如果不是球形的话)在0.01mm至1.0mm之间。在一些实施方式中，在第一位置处分布在较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的量与在第二位置处分布在较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的量不同。
在一些实施方式中，较高声阻抗材料分布在至少一种较低声阻抗材料内，使得较高声阻抗材料在回声器官复制品的一个或更多个位置处形成晶格结构。在一些实施方式中，在第一位置处的晶格结构具有导致第一回声反射性的第一间距，并且在第二位置处的晶格结构具有导致第二回声反射性的第二间距。在一些实施方式中，较低声阻抗材料包括非聚合材料，该非聚合材料包括水、凝胶、离子或生物分子中的至少一种。
在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内，使得较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的所得空间密度在回声器官复制品的一个或更多个位置处的较低声阻抗材料的体积的约0.1％至10.0％的范围内。在一些实施方式中，较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内，使得在第一位置处的较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的空间密度在大约1.0％至3.0％的范围内，并且在第二位置处的较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的空间密度大于3.0％。
在一些实施方式中，较低声阻抗材料和至少一种较高声阻抗材料包括3D打印材料。在一些实施方式中，体内器官组织包括一种或更多种人或动物器官的器官组织，该器官包括心脏、肺、胃、膀胱、骨骼、***、喉、咽、肌肉脉管***、脊柱、肠、结肠、直肠或眼睛。
根据另一方面，本公开涉及一种制造回声器官复制品的方法。该方法包括获得特定患者体内器官的医学图像数据。该方法还包括由增材制造***接收一个或更多个数据文件，该一个或更多个数据文件指定要由增材制造***沉积的一种或更多种材料的配置。该方法还包括基于所接收的一个或更多个数据文件，由增材制造***通过分配分布在较低声阻抗材料内的至少一种较高声阻抗材料来形成回声器官复制品。在回声器官复制品的不同位置处，至少一种较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内，其材料分布在整个器官复制品中在三个维度上变化，从而导致器官复制品的回声反射性在三个维度上变化，以复制与相应的体内器官组织相关联的回声反射性的三维变化。
在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料中的一种材料具有第一弹性，并且至少一种较高声阻抗材料中的另一种材料具有与第一弹性不同的第二弹性。在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内。在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料作为分布在较低声阻抗材料内的多个微珠分布在较低声阻抗材料内。在一些实施方式中，微珠的直径(或最小尺寸，如果不是球形的话)在0.01mm和1.0mm之间。在一些实施方式中，在第一位置处分布在较低声阻抗材料内的至少一种较高声阻抗材料的量与在第二位置处分布在较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的量不同。
在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内，使得至少一种较高声阻抗材料在回声器官复制品的一个或更多个位置处形成晶格结构。在一些实施方式中，在第一位置处的晶格结构具有导致在第一位置处的第一回声反射性的第一间距，而在第二位置处的晶格结构具有导致在第二位置处的第二回声反射性的第二间距。在一些实施方式中，较低声阻抗材料包括非聚合材料，该非聚合材料包括水、凝胶、离子或生物分子中的至少一种。
在一些实施方式中，至少一种较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内，使得较低声阻抗材料内的至少一种较高声阻抗材料的所得空间密度在回声器官复制品的一个或更多个位置处的较低声阻抗材料的体积的约0.1％至10.0的范围内。在一些实施方案中，至少一种较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内，使得在第一位置处的较低声阻抗材料内的至少一种较高声阻抗材料的空间密度为约1.0％至0.1％，并且在第二位置处的较低声阻抗材料内的至少一种较高声阻抗材料的空间密度大于3.0％。
在一些实施方式中，至少一种较高阻抗材料和较低声阻抗材料的局部机械特性发生变化，以复制由体内器官组织周围的一个或更多个器官施加在被复制的器官上的机械反馈。在一些实施方式中，被复制的器官(机械反馈被施加在器官上)周围的一个或更多个器官组织包括骨骼或关节中的至少一个。
在一些实施方式中，器官包括较大器官的一部分。在一些实施方式中，器官包括动脉。在一些实施方式中，器官包括心脏、肺、胃、膀胱、骨骼、***、喉、咽、肌肉脉管***、脊柱、肠、结肠、直肠或眼睛。
附图说明
当结合以下附图时，通过参考以下详细描述，将更充分地理解本公开的上述和相关目的、特征和优点，其中：
图1是用于使用增材制造***制造回声器官复制品的示例***的图。
图2是回声器官复制品的一部分的图，回声器官复制品包括布置成多个材料层的多个器官组织材料。
图3A-图3D是示出了根据一些实施方式的多个回声器官复制品材料布置的图。
图4A是示出了根据一些实施方式的多个回声器官复制品材料分布的图。
图4B是一系列超声图像，示出了根据一些实施方式的与多个回声器官复制品材料分布相关联的多个回声结果。
图4C展示了如何也可以通过改变一定体积内的低声阻抗材料中的较高声材料阻抗材料的特定布置，来调制回声器官复制品的超声方面。
图4D示出了高声阻抗材料的更多定义的局部变化如何可以实现定义的超声成像结果。
图5A是一系列超声图像，比较了患者的回声器官复制品的回声反射性(echogenicity)与响应于组织***的患者的体内器官的回声反射性。
图5B是一系列超声图像，比较了患者的回声器官复制品的回声反射性与响应于附件检测的患者的体内器官的回声反射性。
图6是表示根据一些实施方式的制造回声器官复制品的示例方法的流程图。
图7是示例计算***的框图。
具体实施方式
三维(3D)打印近来已发展成为一种快速的原型制作过程，可以通过在计算机辅助控制下沉积、连接或固化材料来构造各种三维对象。增材制造描述了一种更广泛的3D打印方法，该方法通常与复杂的多组件对象(例如钟表、医疗设备、涡轮发动机零件和汽车组件)的工业标度生产相关联。增材制造***通过基于表示要生成的对象的数字模型数据，在多层中依次添加或沉积一种或更多种材料来生成三维对象。增材制造技术的进步和增材制造***中使用的材料已使它在医疗领域的进一步应用得以实现，在医疗领域的进一步应用包括组织和器官的制造、助听器的制造、假体和植入物的定制、解剖器官的建模、药物输送机制的研究以及组织的生成。
可以使用具有各种材料和方法的增材制造***来制造器官复制品(也称为器官模型或器官模拟设备)，以形成物理对象，医学从业者可以在该物理对象上进行模拟的实验、诊断或临床任务。例如，器官复制品可以使医学从业者在对活着的人或动物患者执行手术之前，先练习特定的手术或治疗性疗法，例如导管血管造影、经食道超声心动图或器官和关节植入手术。在包括通用解剖特征的器官模型上或在尸体器官上执行这些类型的练习会使医学从业者对特定患者中可能存在的独特解剖变异或异常了解有限，从而增加了对特定患者执行该手术的风险和复杂性。
医学成像和材料技术的进步使得利用增材制造***来生成具有特定患者器官的独特的解剖学和结构特征的器官复制品成为可能。然而，难以形成器官复制品，使得器官复制品的材料准确地模拟或对应于被复制的器官组织的体内特性。例如，体内器官组织特性(例如弹性、渗透性、回声反射性和密度)很难在使用增材制造***形成的器官复制品中复制。
另外，经常使用超声成像来执行许多微创医疗手术，使得医学从业者可以查看超声图像并由超声图像引导以安全地执行特定的治疗或手术。回声器官复制品允许医学从业者使用与在患者的实际手术中使用的相同的超声成像方法和设备，从而不仅复制患者的特定器官，而且复制特定手术中将使用的临床治疗环境和方法，来在患者器官或器官组织的回声和解剖学精确模型上练习特定的手术。需要一种新颖的解决方案，以使用增材制造***和材料基于从各种成像方式获得的医学成像数据来生成回声器官复制品。
本文提出的针对该问题的解决方案包括回声器官复制品以及使用增材制造***和多种材料制造回声器官复制品的方法。增材制造***能够使用多种材料生成回声器官复制品，从而使所得的回声器官复制品具有与针对特定病人模拟或复制的体内器官或器官组织相关联的解剖学特征、回声和/或机械特性。可以形成回声器官复制品，使得多种材料沉积在一个或更多个材料层中。每个材料层可以包括一种或更多种具有不同声阻抗材料。具有不同声阻抗材料彼此相邻的放置会导致声间断，从而导致回声反射性的变化。在回声器官复制品的一个或更多个位置，可以以模拟被三维复制的相应器官组织的回声反射性的方式沉积多种材料。
回声反射性是指材料或器官或器官组织反射超声能量的能力。较高回声反射性是材料、器官或器官组织对超声能量的反射增加的结果。当表现出增加的超声能量反射时，材料、器官或器官组织可被描述为高回声的。较低的回声反射性是由于材料、器官或器官组织对超声波能量的反射减小(和透射增加)而导致的。当表现出超声能量的反射减小(或透射增加)时，材料、器官或器官组织可被描述为低回声的。
尽管回声反射性是相对强度特性，并且没有由严格的标准来定义，但是以下定义在医学成像领域中通常被接受。低回声的材料通常被认为是当将超声能量施加到该材料时产生减小的响应(或减小的声音回声)的材料。当使用超声成像查看时，低回声材料表示为较深的颜色。低回声材料透射和/或漫射所施加的超声能量，并且不反射或返回所施加的超声能量。相反，高回声材料通常被认为是当将超声能量施加到该材料时产生增加的响应或增加的声音回声的材料。当使用超声成像查看时，高回声材料表示为较浅的颜色。高回声材料会反射所施加的超声能量，并且不会漫射(或在较小程度上漫射)所施加的超声能量。非回声(anechogenic)材料是不对所施加的超声能量产生响应的材料。当使用超声能量查看时，由于所有施加的超声能量都完全通过非回声材料透射，因此，非回声材料将显示为完全黑色。尽管本文提供的回声反射性的描述是参照材料进行的，但是回声反射性的相同描述可以应用于人或动物体内的器官、器官组织或器官组织的一部分。
多种材料可以包括较高声阻抗材料和较低声阻抗材料。
多种材料还可以包括多种材料混合物，其中将指定量的较高声阻抗材料分布、悬浮或封装在一定数量的较低声阻抗材料内(反之亦然)。在一些实施方式中，材料混合物可以包括分布在较低声阻抗材料内的变化比例的较高声阻抗材料，以便实现在较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的预定空间密度。在一些实施方式中，材料混合物可以包括分布在较低声阻抗材料内的变化比例的较高声阻抗材料，以便在回声器官复制品的一个或更多个位置处实现预定的回声反射性。较高声阻抗材料可以作为悬浮液分布在较低声阻抗材料内。例如，较高声阻抗材料可以分布为悬浮在较低声阻抗材料内的多个微珠或微纤维。微珠可以是球形的、卵形的或矩形的，或具有任何其他规则或不规则形状。较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的密度可以在复制器官或器官组织的高度低回声区域的0％到复制器官的更多高回声区域的10％或更高的范围内。通过在复制组织或器官的整个区域内沉积较高声阻抗材料的增加或减小密度的材料，可以在三维上实现空间回声梯度。
在一些实施方式中，除了或代替改变悬浮液中较高声阻抗材料的密度，可以通过使用材料的不同组合来改变复制器官组织的回声反射性。例如，对于较低回声反射性的区域，较低声阻抗材料与悬浮或分布在较低声材料中的较高声阻抗材料之间的声阻抗差可以小于在较大回声反射性区域中使用的材料的声阻抗差。因此，在各种实施方式中，较低声阻抗材料与较高声阻抗材料之间的声阻抗差可以介于从小如大约10％至大如25倍的范围。例如，较高声阻抗材料可以具有比较低声阻抗材料的声阻抗高10％、高100％、高500％、高1000％或甚至高2500％的声阻抗。声阻抗的较大差异会导致回声反射性增加。
在一些实施方式中，回声器官复制品包括嵌入在较低声阻抗材料中并完全被较低声阻抗材料包围的较高声阻抗材料的较大结构。在一些实施方式中，较高声阻抗材料被嵌入在较低声阻抗材料内以形成晶格或矩阵结构。晶格结构可以形成为具有不同声阻抗材料的各种材料布置，使得一个或更多个位置的回声反射性改变，以便针对要复制的器官复制器官组织区域的变化的回声反射性。这种变化可以在三个维度上发生，既可以在特定器官组织的整个表面上发生，也可以在器官组织的整个厚度上发生。在一些实施方式中，该变化包括晶格结构的间距的变化。在一些实施方式中，晶格结构可以在回声器官复制品的一个或更多个位置处提供结构支撑。
在一些实施方式中，基于要复制的体内器官或器官组织的声学特性，较高声阻抗材料分布在较低声阻抗材料内，以产生一个或更多个离散的声间断。以这种方式，可以在回声器官复制品中的一个或更多个位置处重建广泛的回声特征。例如，心脏可能具有更高度回声的组织部分，从而反射更多的超声能量。心脏组织的其他部分可能回声较少，并且较差地反射超声能量，从而允许更多的超声能量通过心脏的那些部分透射。心脏的其他部分仍然充满血液，几乎完全是低回声的。离散的声间断出现在分布在较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的界面处，以复制在用超声检查心脏时明显的三个或更多不同水平的回声反射性。尽管上面描述了心脏的示例，但回声器官复制品也可以是肺、胃、膀胱、骨骼、***、喉、咽、脉管、脊柱、肠、结肠、直肠、听道或眼睛。
在一些实施方式中，回声器官复制品可以包括布置在回声器官复制品内的多种材料，使得回声器官复制品表面的所得弹性与被复制的体内器官或器官组织的相应位置基本相似。在一些实施方式中，所得的弹性基于被复制的体内器官或器官组织周围的一个或更多个器官。周围器官可能会影响体内器官的弹性。例如，沿着骨骼的长度纵向定向的动脉部分在靠近骨骼的一个或更多个位置处可能具有较小的弹性，因为该动脉受到刚性骨骼结构的限制。在其他位置，当动脉定向至较不刚性的结构(例如膜、肌肉、脂肪组织或体腔)近端时，动脉可能具有更大的弹性。
图1是用于使用增材制造***125制造回声器官复制品130的示例***100的图。概括而言，***100包括医学成像***105，例如CT扫描仪，并且可选地，***100可以包括(如虚线所示的)超声成像***110。在一些实施方式中，该***可以包括其他医学成像***，例如X射线照相术、磁共振成像(MRI)或核医学功能成像***(例如正电子发射断层扫描和单光子发射计算***)。***100包括医学图像数据115和一个或更多个数据文件120。***100还包括用于制造回声器官复制品130的增材制造***125。
如图1所示，患者参与利用CT扫描仪105的医学成像过程。此外，或者，患者参与利用超声成像设备110的医学成像过程。生成的医学图像数据115作为任何一种医学成像过程的结果。基于要由医学从业者识别的、要使用CT扫描仪105或超声成像设备110进行成像的特定器官或器官组织来生成患者的医学图像数据115。医学图像数据115被处理以生成一个或更多个数据文件120。
一个或更多个数据文件120包括与使用CT扫描仪105和/或超声成像设备110进行成像的器官或器官组织相对应的患者特定数据。一个或更多个数据文件120可以通过处理医学图像数据由医学图像数据115生成。例如，处理可以包括将医学图像数据115从医学成像过程中使用的通用文件格式(例如，数字成像和医学通信(DICOM)文件格式)转换为一个或更多个以立体光刻技术(STL)格式化的数据文件或其他适用于增材制造***的文件格式(例如OBJ、PLY、X3G或FBX)。在一些实施方式中，图像数据可以被转换成二进制图像格式的堆栈，例如位图或RAW，以用于其他增材制造***。
如图1所示，一个或更多个数据文件120由增材制造***125接收。一个或更多个数据文件120由增材制造***125处理以制造回声器官复制品130。增材制造***125可以利用各种增材制造技术，例如立体光刻技术、熔融沉积建模、3D喷墨印刷(也称为PolyjetTM(北美的Stratasys Ltd.))、连续液体界面生产(CLIP)等。增材制造***125通过顺序地分层和/或连接与包括在一个或更多个数据文件120中的3D器官模型相关联的多种材料来生成回声器官复制品130。增材制造***125可以被配置为基于一个或更多个数据文件120生产3D对象，该3D对象包括具有不同物理特性(例如颜色、密度、弹性和声阻抗)的多种材料。例如，如图1所示，增材制造***125生产回声器官复制品130。
回声器官复制品130是特定患者器官(如图1所示为心脏)的3D模型。其他适合复制的器官包括但不限于肺、胃、膀胱、骨骼、***、喉、咽、脉管***、脊柱、肠、结肠、直肠、听道或眼睛。回声器官复制品130包括由增材制造***125根据包括在由增材制造***125所接收的一个或更多个数据文件120中的体积或3D模型的规格来沉积的多种回声材料。回声器官复制品130包括多种3D打印材料，包括较高声阻抗材料和至少一种较低声阻抗材料。附加的较高或较低声阻抗材料可以包括在回声器官复制品130中，以提供穿过并通过器官复制品130的不同水平的回声反射性。附加的材料可以包括具有不同的材料特性(例如弹性或密度)的材料。在一些实施方式中，回声器官复制品130可以包括通过将较高声阻抗材料封装在至少一种较低声阻抗材料内而形成的材料的晶格结构或其他布置。附加地或替代地，在一些实施方式中，作为示例性材料布置，可以在器官复制品130内形成晶格结构，以改变器官复制品130中一个或更多个位置处的多个较高声阻抗和较低声阻抗材料的空间密度。可以执行在回声器官复制品130的一个或更多个位置处的材料的空间密度的变化，以在被复制的体内器官的相应位置处绘制、建模、模拟或以其他方式复制变化的回声反射性和机械特性。在一些实施方式中，回声器官复制品130可以包括牺牲材料(sacrificialmaterial)，该牺牲材料使用诸如水、凝胶或生物分子的较低声阻抗材料形成。在这些实施方式中，可以在制造之后通过加热或通过施加试剂以溶解非聚合材料将牺牲材料从回声器官复制品130中去除。这种去除被用于形成在复制的器官或组织内具有复制的脉管***和腔(例如心室)的管腔。在一些实施方式中，为了避免去除较低声阻抗材料(其中该材料用于包围或悬浮较高声阻抗材料)并增加器官复制品130(较大部分)的结构完整性，在某些情况下，整个器官复制品可被(例如，仅约几百微米厚的)较高声阻抗材料的薄层包裹或包围，该较高声阻抗材料的薄层在制造后的清洁过程中不易被去除。
图2是回声器官复制品，例如图1中所示的回声器官复制品130的图200。图2中所示的回声器官复制品130包括多个复制品组织层205a-205c，每个复制品组织层通常可以被称为复制品组织层205。如图2的图200所示，回声器官复制品130以剖视图200A示出，以示出包括复制品组织层(外部复制品组织层205a、中间复制品组织层205b和内部复制品组织层205c)(通常是复制品组织层205)的回声器官复制品130的一部分。
如图2所示，复制品组织层205各自代表多层沉积材料，这些沉积材料共同(基于每层中所包括的各种材料的相对分布)形成复制了体内组织层的回声反射性的回声反射性。每个复制品组织层205可以对应于由回声器官复制品130复制的器官的解剖层。例如，心脏的壁具有三个解剖层。心外膜(外层)、心肌层(中间层)和心内膜(内层)。如图2所示，回声器官复制品130的剖视图包括三个复制品组织层205，其对体内心脏的三个解剖层的相应解剖形状和回声特性进行建模。在一些其他实施方式中，复制品组织层205也可以表现出模仿被复制的体内器官结构的机械特性的那些机械特性。
应该注意的是，每个复制品组织层205可以由多个沉积层的一部分组成。如本文中所使用的，沉积层是指由增材制造设备在从打印对象的底部起的共同高度上沉积的单层材料。这样的沉积层可能不对应于单个结构材料层。例如，如果以图2所示的取向从图的底部到顶部制造器官复制品200，则沉积层将形成器官复制品200的水平截面，包括来自外部材料层205a、中间层205b和内层205c的材料。
每个复制品组织层205可以由增材制造***125基于处理图1所示的一个或更多个接收到的数据文件120并沉积一系列沉积层来形成，每个沉积层包括具有相同或变化的声阻抗的一种或更多种材料。在一些实施方式中，复制品组织层205可以包括具有相同声阻抗的一种或更多种材料，例如，其中复制品组织层复制低回声的组织。另一个复制品组织层205可以包括具有变化的声阻抗材料，从而导致声间断和超声反射以模仿高回声的组织。
例如，如图2所示，外部复制品组织层205a可以形成为复制患者的心脏壁的最外层。外部复制品组织层205a可以由单一材料分布形成，使得较低声阻抗材料的体积内的较高声阻抗材料的空间分布通过复制品组织层基本上是恒定的。如以下进一步描述的，材料分布可以通过将较高声阻抗材料的微珠或微纤维悬浮或分布而形成，该较高声阻抗材料的微珠或微纤维基本上均匀地悬浮或分布在给定体积的较低声阻抗材料内。替代地，可以通过以晶格的形式分配较高声材料来形成分布，其中分配较低声阻抗材料以填充晶格内的空隙。具有较紧密“编织”的晶格会导致较高声阻抗材料的更大的空间密度，因此会产生更高回声的复制品组织层。相对于较低声阻抗材料的量，具有较松“编织”的晶格导致较高声阻抗材料的更小的空间密度，从而产生更低回声的复制品层。可以在三个维度上跨复制层205改变晶格的该间距，以实现穿过和通过复制品组织层205的体积的变化的回声反射性。关于图3E进一步描述了这种晶格结构。除了提供用于调制回声反射性的手段之外，增加晶格结构还可以帮助降低在操纵和处理期间撕裂或以其他方式损坏回声器官复制品130的风险。在另外的其他实施方式中，可以以微珠的簇而不是基本上均匀的分布来制作较高声材料沉积。
如图2进一步所示，在剖视图200A中示出的回声器官复制品130的一部分包括中间复制品组织层205b。可以使用在较低声阻抗材料中的较高声阻抗材料的悬浮液来形成中间复制品组织层205b或者用由较低阻抗材料包围的较高声阻抗材料的晶格来形成中间复制品组织层205b。假设中间复制品组织205b的组织结构与外部复制品组织层205a的组织结构不同，则用于形成中间层的悬浮或分布在较低声材料中的较高声材料的密度或晶格的间距可以与形成外部复制品组织模型205a所采用的密度和间距不同，以针对两个组织复制品层205a和205b实现不同的回声反射性。另外，可以选择不同的材料以针对每个相应的层提供不同的机械特性。
如图2所示，在剖视图200A中示出的回声器官复制品130的一部分还可以包括内部组织复制品层205c。如以上关于外部和中间组织复制层205a和205b所述，内部材料层205c可以由具有变化的声阻抗材料的悬浮液或晶格形成，以形成模仿组织复制层205c的体内回声反射性的回声反射性。
在一些实施方式中，特别是在其中组织复制品层由在较低声阻抗材料中的较高声阻抗材料的悬浮液形成的实施方式中，相邻的组织复制品层可以被较高声阻抗材料的(大约一百到三百微米的数量级厚的)薄层隔开。这样的材料倾向于更坚固、更机械稳定，并且在清洁过程中不易去除。结果，此类层有助于维持此类器官复制品的结构完整性。
图3A-图3D是示出了根据一些实施方式的可以形成回声器官复制品120或其一部分的多个回声器官复制品材料布置的图。
图3A示出了多个区域，例如区域A、B、C、D和E。图3A所示的多个区域中的每个区域代表了通过器官复制品130或其部分的复制品组织层的厚度的示例性材料分布。应当理解，可以通过增材制造***125在复制品组织层的整个厚度上沉积多种材料分布。在一些实施方式中，可以布置具有附加或替代材料分布的多层以形成回声器官复制品130或其部分。图3A所示的多个区域以穿过所复制的组织的壁的截面图的形式示出。在图3A的底部提供了材料的图例。在图3A的右侧提供了回声反射性的标度，以描述与每个区域相关联的声反射率，该声反射率是由各个区域内包括的较高声阻抗材料的数量和空间分布所导致的。
如图3A所示，图300A中所示的材料布置包括多种材料，例如一种或更多种材料，诸如较低声阻抗材料和较高声阻抗材料。图300A中的多种材料示出了基于一个或更多个如图1所示的所接收的数据文件120的，由诸如增材制造***125的增材制造***形成的材料的多个示例性配置或材料布置。可以由增材制造***125通过沉积离散量的诸如较低声阻抗材料和较高声阻抗材料的各个材料，来形成图3A中所示的材料的配置。
如图3A所示，示出了一种和/或两种材料的五种布置。在区域A中，该区域中仅包括较低声阻抗材料。如在图3A右侧的回声反射性标度中所述，仅较低声阻抗材料的材料布置将导致具有最大地透射声特性的区域。在区域B中，材料布置包括在四个较低声阻抗材料块的连续沉积物的任一侧上的较高声阻抗材料块。由于将较高声阻抗材料引入到区域B中，从而在较高声阻抗材料与较低声阻抗材料之间形成界面，在该界面散射或反射声能，从而增加了区域的回声反射性，因此，区域B产生的回声反射性将高于区域A。在区域C中，材料布置包括沉积在三个重复的较低声阻抗材料体积之间的较高声阻抗材料体积。由于具有不同声阻抗材料之间更频繁(更小间距)的界面，导致区域C产生的回声反射性大于区域A和区域B。在层E中，材料布置包括以重复方式直接沉积在单个体积的较低声阻抗材料之间的单个体积的较高声阻抗材料。由于不同声阻抗材料的界面之间的最高频率/最小间距，区域E产生的回声反射性大于层D、层C、层B和层A中任何一个的回声反射性。
图3B包括两个示例性图300B-1和300B-2，它们示出了将较高声阻抗材料分布或封装在较低声阻抗材料内的效果，以及与分布在层中的多种材料相关联的声反射率和透射率。在一些实施方式中，可以布置具有附加或替代材料分布的多层以形成回声器官复制品130或其部分。图3B的图300B-1和图300B-2中示出的多个层以水平截面图示出。在每个图中，超声换能器向下透射声能，如从超声换能器发出的向下箭头所示。从超声换能器透射的声能首先穿透层A，然后穿透层B，最后穿透层C。在每个图300B-1和300B-2下方提供了材料的图例。在每个图的右侧提供了声反射率和声透射率的标度。箭头的大小对应于在材料层的组合中存在该特性的大小或程度。例如，代表声反射的大箭头表示材料层的组合产生较大量或较大程度的声反射，而较小的箭头表示材料层的组合产生较小量或较小程度的声反射率。关于声透射率，可以类似地应用关于声反射率所描述的箭头大小的相同解释。箭头的取向(例如，向上的箭头或向下的箭头)示出了辐射声能的方向。声能可以从材料的组合反射回超声换能器(例如，使用向上的箭头所示)，或者声能可以通过材料的组合远离超声换能器透射(例如，使用向下的箭头所示)。或者，在某些情况下，由于瑞利散射，由于存在尺寸比周围材料中的超声波波长小得多的较高声阻抗材料，声能可能会被散射。
如图3的图300B-1所示，示出了包括被布置成三层的多种材料的材料布置。层A和层C仅包括较低声阻抗材料，而层B包括两个体积的较高声阻抗材料。这两个体积的较高声阻抗材料在较低声阻抗材料的体积内形成长方体微珠。从产生的声反射率标度中可以看出，超声换能器发出的相对少量的声能通过图300B-1中由三层形成的材料的组合被反射，而来自超声换能器的很大程度的声能则通过图300B-1中由三层形成的材料的组合被透射。结果是由于在较低声阻抗材料的较大主体内相对少量的较高声阻抗材料，从而产生了较小程度的声反射(例如，较低的回声反射性)。材料的组合导致通过材料层的组合的相当高的声能透射，这是因为较低声阻抗材料和较高声界面材料之间的界面的较小的尺寸和缺乏连续性。
如图300B-2所示，示出了包括被布置成三层的多种材料的材料布置。类似于图300B-1，图300B-2中所示的材料布置，层A和层C仅包括较低声阻抗材料。然而，在图300B-2中包括五个体积的较高声阻抗材料，其分布在较低声阻抗材料内或由较低声阻抗材料封装。五个连续的体积在较低声阻抗材料的体积内形成卵形微珠。由于声阻抗间断面积(即，构成了不同声阻抗材料之间的界面的较大的面积)的增加，通过在由三层形成的材料的组合中增加分布在较低声阻抗材料中的较高声阻抗的量或浓度会导致所施加的声或超声能量的声反射程度更大。
图3B中所示的材料布置300B-2还表现出回声各向异性，这对于复制体内组织对超声的响应可能是有价值的。例如，某些人的组织，例如肌腱、胎脑组织、肾脏组织等，都表现出各向异性的超声方面。这样的各向异性可以用于例如诊断某些病理，例如胎脑组织中的脑室旁白质软化症。复制这种各向异性的能力在形成组织模型时很有用，临床医生或医学生可以在训练中使用这些组织模型来学习如何诊断此类疾病。
布置300B-2表现出的各向异性是由于较高声阻抗材料的体积在页面的垂直方向上仅一个单位厚度，而在页面水平方向上为五个单位厚度。因此，如图所示，在超声换能器位于材料布置300B-2上方的情况下，超声波前遇到跨过五个体积的高声阻抗材料的结构。如果将超声换能器的位置绕布置300B-2旋转90°，以使超声能量从侧面而不是从顶部透射到布置300B-2中，则超声响应将显著降低，因为波前会遇到只跨过一个单位的高声阻抗结构。即，更多的声能将能够从侧面而不是从顶部或底部穿过材料布置。
图3C示出了布置在五个区域中的多种材料的布置。图3C所示的五个区域包括具有不同声阻抗特性以及不同机械特性的多种材料。例如，多种材料包括两种各自具有不同机械特性的较高声阻抗材料(例如，弹性较高声阻抗材料以及刚性较高声阻抗材料)和较低声阻抗材料。两种较高声阻抗材料可以是例如具有不同弹性的两种PolyJetTM材料。在其他实施方式中，在不脱离本公开的范围的情况下，其他较高声阻抗材料可以用于刚性高声阻抗材料或弹性高声阻抗材料。
图3D是示出了根据一些实施方式的回声器官复制品材料布置的图。如图3D的图300E所示，从顶向下的角度看，多种材料被示出为布置在单层中。图300E中所示的材料布置是要沉积以在回声器官复制品130的一层或更多层内形成晶格结构的材料的布置。多种材料包括较低声阻抗材料和较高声阻抗材料。在一些实施方式中，尽管未明确示出，但是多种材料也可以包括如上所述的一种或更多种材料混合物，其中较高声阻抗材料悬浮在可能具有或不具有刚性机械特性或弹性机械特性的较低声阻抗材料内。
如图3D所示，较高声阻抗材料的晶格分布在较低声阻抗材料内，从而较高声阻抗的较高声阻抗材料被较低声阻抗材料封装。晶格结构可以被配置为使得间距在材料布置的一个或更多个位置中变化，从而改变材料布置的局部回声反射性。例如，图3D示出了两个不同的间距，例如，在图300E的左上方示出的间距A(较小的水平取向间距)，以及在图300D的右上方示出的间距B(较大的水平取向间距)。间距是重复元素(例如要以图300E所示的晶格配置或布置沉积以形成回声器官复制品130的一部分的重复体积的较高声阻抗材料)之间的距离或空间的中心距测量。材料布置可以在整个回声器官复制品的一部分中包括一致的间距，或者材料布置可以在材料布置的一个或更多个位置处包括不同的间距。间距可以在例如整个组织表面上的两个维度上变化，或者在三个维度上(即在整个表面以及在组织或器官复制品的整个厚度两者上)变化。因此，所得的回声器官复制品130可以包括具有一致的间距(和相应的回声反射性)的一个或更多个区域和具有变化的间距(和变化的回声反射性)的一个或更多个区域。
例如，如图3D所示，较小的水平间距A被配置为使得单个体积的较低声阻抗材料沉积在两个相邻体积的较高声阻抗材料之间。如图3D中进一步所示，较大的水平间距B被配置为使得三个体积的较低声阻抗材料沉积在两个相邻体积的较高声阻抗材料之间。以此方式，可以在回声器官复制品130内配置晶格结构，使得在第一位置，回声器官复制品130可以具有导致第一回声反射性的第一间距，而在第二位置可以具有导致第二或不同回声反射性的第二或不同的间距。间距可以在回声器官复制品130的一个或更多个位置处变化，以便实现模拟被复制的体内器官的一个或更多个相应位置的回声反射性的材料布置。在一些实施方式中，除了水平间距变化之外，器官复制品130的一个或更多个位置处的垂直间距尺寸也可以变化或被调整以复制在被复制的体内器官的一个或更多个位置处的回声特性。另外，如上所述，当晶格是三维晶格时，间距可以在(即，进入或离开图的平面的)第三维度上变化。
图3D中的晶格结构表明如何将较高声材料沉积为微纤维。每条微纤维都是较高声阻抗材料的体积的连续的串。
图4A是示出根据一些实施方式的一组器官复制品材料分布410的图。在图4A中，在组410中示出了四个不同的材料分布样本。在组410中示出的四个不同的材料分布样本示出了在至少一种较低声阻抗材料中分布较高声阻抗材料的所得空间密度。如组410中所示，四个材料分布样本中的每一个可以代表一个或更多个体素。体素是与三维节点集相关联的基本体积元素，这些三维节点集在要复制的器官的体积模型或要复制的器官的部分中划分出空间区域(例如，由要复制的器官或要复制的器官的部分所包围的空间)的区域。每个体素可包括具有分布或封装在一定体积的较低声阻抗材料内的给定浓度的较高声阻抗材料的材料混合物，以使得较高声阻抗材料的所得空间密度在不同体素之间变化。体素的材料混合物可以在材料的单个沉积物内(例如，高声阻抗材料的纳米颗粒的混合物悬浮在来自3D打印机打印头的主要是较低声阻抗材料的单个微滴中)或跨多个独立的材料沉积，具有在较低阻抗材料沉积的较大主体内的较高声阻抗材料沉积的给定空间分布。
如图4A进一步所示，序列410的四个不同材料分布样本中的每个样本中示出的较亮点表示一定数量的较高声阻抗材料。深色背景表示至少一种较低声阻抗材料的数量，在该至少一种较低声阻抗材料内分布有一定数量的较高声阻抗材料。在一些实施方案中，较高声阻抗材料可作为多个微珠或微纤维悬浮或分布在至少一种较低声阻抗材料内。在一些实施方式中，微珠或微纤维可以具有在0.01mm与1.0mm之间的直径(或最小尺寸，如果不是球形的话)。如图4A的组410所示，当从左到右观看时，四个材料分布样本的范围示出了当在不同浓度下在至少一种较低声阻抗材料内分布或封装较高声阻抗材料时获得的所得空间密度。如图4A中所示，随着分布或封装在至少一种较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的浓度的增加，组410的材料分布样本的所得空间密度增加(从左至右)。例如，最左边的图像不包括(或0％的)较高声阻抗材料，并且仅由较低声阻抗材料形成。在从左边起第二个图像中，材料分布的1.0％由较高声阻抗组成，其余部分则由较低声阻抗材料组成。在从左边起第三个图像中，材料分布的4.0％由较高声阻抗组成，其余部分为较低声阻抗材料。在最右边的图像中，材料分布的6.0％由较高声阻抗组成，其余部分是较低声阻抗材料。在各种实施方式中，较高声阻抗材料的空间密度可以高达结构体积的10％-20％或更高。在一些实施方式中，较高声材料的空间密度在给定材料样本的体积的0％-10％的范围内。
图4B是一系列超声图像420，其示出了与询问关于图4A示出和描述的该组器官复制物材料分布410相对应的回声结果。
如图4B所示，当从左到右观看时，序列420示出了与在至少一种较低声阻抗材料内分布或封装越来越多量的较高声阻抗材料相关联的回声反射性不断增加。例如，如在标记为“最小回声”的序列420的最左边所看到的那样，包括最小量的封装在或分布在至少一种较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的材料分布产生了不那么明显的(且分布最为分散的)超声回波并反射了比(如最右边所示并标记为“最大回声”的)包括更大量的悬浮或分布在至少一种较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的材料分布更少的超声能量。如在序列420的最右边所看到的，包括封装在或分布在至少一种较低声阻抗材料中的更大量的较高声阻抗材料的材料分布会产生更明显的(集中的)超声回波，如图所示超声能量的反射增加。
如图4B进一步所示，与图4A中所示的材料分布组410相对应的序列420类似地示出了，随着封装或分布在至少一种较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的浓度增加，(从左向右看)回声反射性不断增加。通过调节分布或封装在至少一种较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的浓度或所得的空间密度，可以在回声器官复制品130的一个或更多个位置处实现期望的回声反射性。以这种方式，可以在回声器官复制品的一个或更多个位置有效地复制体内器官组织的回声反射性。
图4C展示了如何通过改变一定体积的较低声阻抗材料内的较高声材料阻抗材料的特定布置，也可以调制回声器官复制品的超声方面。图4C中上面一行的图像描绘了各种较高声阻抗沉积图案的沉积物的CAD模型，而下面的一行图片则示出了通过对使用这种沉积图案制作的材料进行成像所获得的实际超声响应。如在最左边的图像对中所见，较高声阻抗材料沉积物的相对一致但随机的分布导致相对一致的浑浊超声图像。较高声阻抗材料的结构化沉积物(其中较高声阻抗材料成行沉积)导致超声图像，在该超声图像中可辨别此类行，如在中间图像对中所见。最右边的图像对示出了较高声阻抗材料的簇沉积，如何导致了与更一致的分布模式相比不同的超声方面。当对实际的体内组织成像时，可以采用这些以及其他模式来复制预期的各种超声方面。
图4D示出了高声阻抗材料的更多定义的局部变化如何可以实现定义的超声成像结果。左手图像描绘了较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料沉积物的CAD模型。该CAD模型包括具有较高声阻抗材料的不同空间密度的交替同心环。较亮的环比较暗的环具有更高空间密度的较高声阻抗材料沉积物。在一些实施方式中，CAD模型中的每个亮点对应于较高声阻抗材料的沉积微珠。右图示出了对根据CAD模型制造的结构的超声响应。从图4D中可以看出，在超声图像中可以清楚地区分这些环。
图5A是一系列超声图像510，其比较使用本文所公开的***和根据本文所公开的方法制造的患者的器官复制品130的回声反射性与响应于组织***的患者的体内器官的回声反射性。当对象通过导管在组织上产生力时，会导致组织响应于所施加的力而拉伸或“***”，从而发生组织***。例如，当在经中隔经导管心脏内介入手术之一期间执行经中隔的穿刺时，医疗设备对象可以在穿刺部位向心脏组织施加压力。当使用超声成像查看时，可以看到随着医疗设备对象向组织施加压力，心脏组织通过在穿刺部位拉伸或“***”来对所施加的压力做出响应。如序列510所示，提供了患者心脏的回声器官复制品130的超声图像与在体内条件下的患者心脏的超声图像之间的比较。可以看到器官复制品130的回声反射性复制了在体内条件下的患者心脏的回声反射性。箭头用于说明在回声器官复制品130的超声以及在体内条件下的患者心脏的超声图像中可以看到的***组织的部位。希望针对特定患者的心脏练习经中隔穿刺的医学从业者可以对复制了在体内条件下的患者心脏的回声反射性的回声器官复制品130执行经中隔经导管心脏内介入手术。
图5B是一系列超声图像520，其比较了使用本文所公开的***和根据本文所公开的方法制造的患者的回声器官复制品130的回声反射性与响应于附件检测的患者的体内器官的回声反射性。可以由医学从业者使用超声成像执行附件检测，以检测一个或更多个解剖附件，例如特定患者心脏内部可能存在的心房附件。如序列520中所示，显示了患者心脏的回声器官复制品130的超声图像与患者体内的心脏的超声图像之间的比较。一系列图像520示出了在体内条件下在患者器官中检测到的心房附件已在回声器官复制品130中复制。箭头用于说明在回声器官复制品130的超声中以及在体内条件下的患者器官的超声图像中的附件。基于针对患者器官获得的医学图像数据115，根据关于图6所描述的方法600形成回声器官复制品130。序列530中示出的回声器官复制品130超声图像示出了回声器官复制品130具有复制了在体内条件下的患者器官的回声反射性的回声特性。回声器官复制品130可以提供使用超声成像来练习心耳介入手术的医学从业者对心脏内部的各种解剖结构的更多的了解，否则，在非回声器官复制品中可能看不到这些结构。例如，回声器官复制品130可以允许医学从业者查看解剖结构(例如附件)，当使用超声成像来练习特定的医疗手术时，该解剖结构可以位于其他器官、器官组织、脂肪组织或膜的后面。回声器官复制品130使医学从业者能够使用与现实生活中的特定医疗手术中所使用的相同的超声成像方法来模拟特定手术，从而提高医学从业者的信心并降低对患者的风险。
图6是表示根据一些实施方式的制造回声器官复制品130的示例方法600的流程图。该方法包括获得特定患者内的器官的医学图像数据(阶段610)。该方法还包括处理医学图像数据以生成包括器官的体积模型的一个或更多个数据文件(阶段615)。该方法包括接收一个或更多个数据文件，该一个或更多个数据文件指定要由增材制造***沉积的一种或更多种材料的配置(阶段630)。该方法还包括通过分配具有较低声阻抗特性的至少一种第一材料和具有较高声阻抗特性的第二材料来形成回声器官复制品(阶段640)。
在阶段610，获得特定患者体内器官的医学图像数据。可以使用诸如X射线照相术、X射线旋转血管造影术、MRI、CT扫描、(2D或3D)超声成像或核医学功能成像技术(例如正电子发射断层扫描和单光子发射计算机断层扫描)之类的常见医学成像方式获得器官的医学图像数据。例如，如图1所示，使用诸如CT扫描仪或超声成像***110之类的医学成像***105获得医学图像数据115。可以针对特定患者内的器官或较大器官的一部分获得医学图像数据115。例如，器官可以是心脏或动脉。医学图像数据115还可以包括与围绕或位于紧邻要成像的器官的器官(例如可以对要复制的器官施加机械反馈的骨骼、关节、脂肪组织、腺体或膜)相关联的数据。
在阶段620，医学图像数据115被处理以生成包括器官的体积模型的一个或更多个数据文件120。处理医学图像数据115以生成要复制为回声器官复制品130的特定器官的体积模型。通过将医学图像数据115转换为描述要复制的器官的解剖学特征的三维数据模型来生成体积模型。解剖特征可以包括要复制的器官的各种线性尺寸、体积尺寸、厚度以及其他特征，例如组织回声反射性。这样的特征可以直接从收集的医学成像数据115(例如，从超声图像)得到，或者通过参考存储了有关体内各种组织的代表性组织特征的参考信息的解剖学知识的一个或更多个数据库或其他电子数据源间接得到。体积模型包括三维节点集，其定义了多个基本体积元素或体素，这些三维节点集划分了由体积模型建模的空间区域(例如，由器官或器官的部分所包围的空间)。基本体积元素可以被定义为四面体、棱锥、三棱柱、六面体、球体或卵形的形状。可以从在医学图像数据115中捕获的要复制的器官的三维表面网格生成体积模型。在一些实施方式中，可以通过在表面网格上执行体积模型生成来生成体积模型。在一些实施方式中，通过对医学图像数据115执行有限元体积模型生成来生成体积模型。在一些实施方式中，进一步处理该体积模型以生成要复制的器官的变形的体积模型。在这些实施方式中，变形的体积模型复制了由特定患者体内器官组织周围的一个或更多个器官组织对特定患者体内器官组织施加的负载和约束。
定义与成像器官相关联的三维节点集和基本体积元素或体素允许将多种材料分配给每个体素，以便增材制造***125可以形成回声器官复制品130，使得在一个或更多个位置处的体内器官组织的回声特性被精确地复制在回声器官复制品130的相应位置中。所分配的材料可以包括具有不同声阻抗值的材料(例如较高声阻抗材料、较低声阻抗材料)或具有不同声阻抗材料的混合物或悬浮液。
使用成本函数执行材料分配，以最小化期望回声特性(基于医学图像数据115或从存储代表性组织特性数据的电子数据库或数据源确定)与在对应于体积模型的给定体素或体素簇的位置中选择沉积的一种或更多种材料的组合的所得回声特性之间的误差。在一些实施例中，成本函数可以包括附加成本函数，例如与被复制器官的弹性材料特性或其他机械材料特性相关联的误差最小化的成本函数。在这些实施例中，可以通过使用联合搜索来求解成本函数以最小化机械材料特性和回声反射性材料特性之间的误差之和来实现材料分配。在一些实施方式中，可以基于期望的应用将权重施加于各个组成成本函数。例如，当准确地模拟器官复制品130中的回声反射性不太重要时，可能期望对与机械材料特性相关联的成本函数施加更高的权重。可替代地，在精确地模拟器官复制品130中的回声反射性的情况下，使与回声材料特性相关联的成本函数具有较高的权重是重要的。如上所述，在执行联合搜索之后，可以生成最终的体积模型。
在一些实施方式中，作为联合搜索方法的替代，可以使用机械特性成本函数来评估预定数量的最佳拟合回声特性模型，以选择整体最佳拟合模型。另外地或可替代地，可以使用回声反射性成本函数来评估预定数量的最佳拟合机械特性模型，以识别整体最佳拟合模型。在一些实施方式中，成本函数可以包括约束以防止体积模型的各个方面被分配特定的材料。例如，可以实施约束以要求要由牺牲材料形成的较低声阻抗材料完全封装在一种或更多种较高声阻抗材料内。
可以从对象材料的数据库中选择由于应用(一个或更多个)成本函数而确定的要分配给每个体素的对象材料。在一些实施方式中，可以基于使体积模型的给定区域(例如，簇)或多个基本体积元素的成本函数最小化的结果来选择特定材料。
作为处理特定患者器官的医学图像数据115的结果，生成了如图1所示的一个或更多个数据文件120。在一些实施方式中，一个或更多个数据文件120可以由与医学成像***105同地协作的计算设备生成。在一些实施方式中，可以从医学成像***105远程地处理一个或更多个数据文件120。例如，医学图像数据115可以被存储在数据库中或在云计算环境中，并且被传输到远程计算设备以处理医学图像数据115，以便生成一个或更多个数据文件120。在一些实施方式中，处理医学图像数据115包括将医学图像数据115从特定于用于获取医学图像数据115的特定医学成像模态的数据或文件格式转换为与增材制造***125兼容的数据或文件格式。例如，医学图像数据115可以被处理并转换为图1所示的一个或更多个STL数据文件120或其他增材制造***兼容的文件格式。增材制造***125可以利用STL文件格式，基于一个或更多个数据文件120中包括的体积模型来生成3D回声器官复制品130。
在阶段630处，该方法还包括接收一个或更多个数据文件120，该一个或更多个数据文件120指定要由增材制造***125沉积的一种或更多种材料的配置。一个或更多个数据文件120可以定义基于阶段620中执行的处理，要由增材制造***125沉积的多种回声和非回声材料(或较高声阻抗和较低声阻抗材料)的布置或配置。例如，基于分配给在一个或更多个数据文件120中包括的体积模型的每个体素的多种材料，增材制造***125可以确定要沉积在一层或更多层中以形成器官复制品130的一种或更多种材料的布置。
在阶段640，增材制造***125通过分配具有较低声阻抗特性的至少一种材料和具有较高声阻抗特性的第二材料来形成回声器官复制品130。增材制造***125分配多种材料以形成回声器官复制品130。多种材料包括至少一种较低声阻抗材料和较高声阻抗材料。可以同时分配两种材料作为在较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的悬浮液，或作为较高声阻抗材料和较低声阻抗材料的单独沉积物。基于分配给一个或更多个数据文件120中所包括的体积模型的每个体素的材料的配置，增材制造***125分配针对在要复制的器官的体积模型中定义的给定基本体积元素而确定的适当材料。例如，增材制造***125在回声器官复制品130中的多个位置处分配一定数量的至少一种低回声材料，这些位置映射或对应于体积模型中基于医学图像数据115或电子组织特征数据源被确定为较少回声的面积或区域的相同位置。类似地，高回声材料(例如，具有较高密度的高声阻抗材料的悬浮液)可以由增材制造***125分配在回声器官复制品130中与被确定为更多回声的体积模型中的相同位置相对应的位置处。
体素与给定的材料沉积物之间不需要一一对应。体素是一种逻辑构造，可以通过增材制造设备进行处理以确定适当的一组独立的材料沉积物。例如，可以以比用于打印回声器官复制品130的3D打印机的打印分辨率更低的分辨率来生成一些体积模型。在这种情况下，3D打印机可以进行多次材料沉积以生成单个体素。例如，在一些实施方式中，每个体素可以对应于3×3×3、4×4×4、5×5×5或其他尺寸的材料沉积物的长方体。在其他实施方式中，体素可以转换为卵形或其他形状的沉积物，而不是长方体沉积物。用于制造回声器官复制品130的3D打印机可以将分配给每个体素的回声反射性转换为给定的相应长方体或卵形沉积物内材料沉积物的适当图案。在其他实施方式中，每个体素对应于单个材料沉积物，取决于用于进行沉积的设备，该单个材料沉积物可以具有球形、卵形、矩形或其他规则或不规则形状。具有较低声阻抗特性的至少一种材料和具有较高声阻抗特性的第二材料可以由增材制造***125使用浇铸、3D打印、不同材料的机械连接和材料沉积制造来分配。增材制造***125可利用各种增材制造工艺(包括粘合剂喷射、定向能量沉积、材料喷射、动力床融合、熔融沉积建模、激光烧结、立体光刻、光聚合和连续液体界面生产)来形成回声器官复制品130。在一些实施方式中，使用PolyJet MatrixTM技术(Stratasys，Ltd.，EdenPrairie，MN)的3D打印机可以用于同时分配具有不同弹性和声阻抗特性的多种材料，以形成在一个或更多个位置处具有变化的弹性和回声特性的回声器官复制品130。在一些实施方式中，具有较高声阻抗特性的至少一种材料包括聚合的材料，例如具有1.18-1.21g/cm3的聚合密度的PolyJet材料。在一些实施方式中，较低声阻抗包括具有类似于水的声学特性的水凝胶。在一些实施方式中，较低声阻抗材料包括非聚合材料，例如水、凝胶、离子或生物分子。
图7是说明根据说明性实施方式的计算机***700的通用架构的框图，该计算机***700可用于实现本文所描述和示出的***和方法的元件，例如与如图1所示的CT扫描仪105、超声成像仪110或增材制造***125相关联的一个或更多个计算机***。
概括地说，计算***700包括至少一个输入设备716和至少一个输出设备714。计算***700进一步包括至少一个客户端计算设备710。客户端计算设备710包括用于根据指令执行动作的处理器712和用于存储指令和数据的一个或更多个存储器设备720。一个或更多个存储器设备720还被配置为包括应用程序722。一个或更多个处理器712经由通信模块718与至少一个网络750通信。
更详细地，处理器712可以是处理例如从存储器720中取出的指令的任何逻辑电路。在许多实施例中，处理器712是微处理器单元或专用处理器。客户端计算设备710可以基于能够如本文所述进行操作以执行关于图6所描述的方法的任何处理器或一组处理器。处理器712可以是单核处理器或多核处理器。处理器712可以是多个处理器。在一些实施方式中，处理器712可以被配置为运行多线程操作。在其他实施方式中，处理器712可以被配置为在可编程逻辑控制器(PLC)的环境中操作和传送数据。
存储器720可以是适合于存储计算机可读数据的任何设备。存储器720可以是具有固定存储的设备或用于读取可移动存储介质的设备。示例包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储设备，半导体存储设备(例如，EPROM、EEPROM、SDRAM和闪存设备)，磁盘，磁光盘和光盘(例如，CD ROM、DVD-ROM和
Figure BDA0002875131160000231
盘)。
存储器720还包括用于控制图6中所示方法的应用程序722。应用程序722可以包括一个或更多个计算机程序产品，例如，编码在计算机可读介质上以供计算机***700执行或根据本领域技术人员众所周知的任何方法来控制计算机***700的操作的一个或更多个计算机程序指令模块。存储器720还可用于在执行要由处理器712执行的指令期间存储临时变量或其他中间信息。
本文所讨论的应用程序722不一定对应于文件***中的文件。应用程序722可以存储在保存其他程序或数据的文件(例如，存储在标记语言文档中的一个或更多个脚本)的一部分中，存储在专用于所讨论程序的单个文件中或存储在多个协调文件(例如，存储一个或更多个模块、子程序或部分代码的文件)中。可以将应用程序722部署为在一台计算机上或在位于一个站点上或分布在多个站点上并通过通信网络互连的多个计算机上(例如在云计算环境中)执行。本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由执行一个或更多个应用程序722的一个或更多个可编程处理器来执行，以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行功能。
通信模块718经由网络接口卡(未示出，也称为网络接口驱动器)管理数据交换。通信模块718处理用于网络通信的OSI模型的物理和数据链路层。在一些实施方式中，一些网络接口驱动器控制器的任务由处理器712处理。在一些实施方式中，通信模块718是处理器712的一部分。在一些实施方式中，客户端计算设备710具有多个通信模块718。网络接口卡(未示出)中配置的网络接口端口是物理网络链接的连接点。在一些实施方式中，通信模块718支持无线网络连接，并且与网络接口卡相关联的接口端口是无线接收器/发送器。通常，客户端计算设备710经由与网络接口卡中配置的网络接口驱动器端口接口的物理或无线链路与其他网络设备750交换数据。在一些实施方式中，通信模块718实施诸如以太网的网络协议。
计算***700还包括输入设备716和输出设备714。例如，客户端计算设备710可以包括用于连接输入设备716(例如，键盘、麦克风、鼠标或其他定点设备)、输出设备714(例如视频显示器、扬声器或打印机)或其他存储设备(例如便携式闪存驱动器或外部媒体驱动器)的接口(例如，通用串行总线(USB)接口)。在一些实施方式中，输入设备716可以包括医学成像***，诸如图1所示的CT扫描仪105或超声成像设备110。在一些实施方式中，输入设备716可以包括MRI***或设备、X射线照相设备或***、或核医学功能成像***或设备。在一些实施方式中，输出设备714可以包括增材制造***，诸如图1所示的增材制造***125。
本说明书中描述的主题和操作(包括在本说明书中所公开的结构及其结构等同物)的实施方式可以在数字电子电路中，或在有形介质、固件或硬件上或其中一种或更多种的组合中体现的计算机软件中实现。本说明书中描述的主题的实施方式可以实现为在有形介质(即，一个或更多个计算机程序指令模块)上体现、在一个或更多个计算机存储介质上编码以由数据处理设备执行或以控制数据处理设备的操作的一个或更多个计算机程序。计算机存储介质可以是计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行访问存储器阵列或设备、或它们中的一个或更多个的组合，或包括在计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行访问存储器阵列或设备、或它们中的一个或更多个的组合中。计算机存储介质还可以是一个或更多个单独的组件或介质(例如，多个CD、磁盘或其他存储设备)或包括在一个或更多个单独的组件或介质(例如，多个CD、磁盘或其他存储设备)中。该计算机存储介质可以是有形的和非暂时性的。
本说明书中描述的操作可以被实现为由数据处理设备对存储在一个或更多个计算机可读存储设备上或从其他源接收的数据执行的操作。可以在数据处理设备的本机环境内或在由数据处理设备托管的一个或更多个虚拟机或容器内执行操作。
虽然本说明书包含许多特定的实施细节，但是这些不应被解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而应被解释为对特定发明的特定实施方式所特有的特征的描述。在本说明书中在单独的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以分别在多个实施方式中或以任何合适的子组合来实施。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声称，但是在某些情况下，可以从组合中去除所要求保护的组合中的一个或更多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应理解为要求以所示的特定顺序或以连续的顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，在上述实施方式中的各种***组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序组件和***通常可以被集成在一起在单个软件产品中或打包到多个软件产品。
对“或”的引用可以被解释为包括性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个、多个和所有所描述术语中的任何一个。标签“第一”、“第二”、“第三”等不一定旨在表示顺序，并且通常仅用于区分类似或相似的项目或元素。
对本公开中所描述的实施方式的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他实施方式。因此，权利要求书不旨在限于本文所示的实施方式，而是应被赋予与本公开、本文所公开的原理及新颖特征一致的最广范围。

Claims (30)

1.一种回声器官复制品，包括：
较低声阻抗材料，以及
至少一种较高声阻抗材料，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内，使得在所述回声器官复制品的不同位置处，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内，其中，材料分布在整个所述器官复制品中在三个维度上变化，导致器官复制品的回声反射性在三个维度上变化，以复制与相应的体内器官组织相关联的回声反射性的三维变化。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一种较高声阻抗材料包括第一较高声阻抗材料和第二较高声阻抗材料，其中所述第二较高声阻抗材料具有与所述第一较高声阻抗材料不同的弹性。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一较高声阻抗材料和所述第二较高声阻抗材料的布置使得考虑到所述体内器官组织周围的一个或更多个器官，所述回声器官复制品在其表面上具有与由所述回声器官复制品复制的所述体内器官组织的相应位置处的弹性基本相似的弹性。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述至少一种较高声阻抗材料作为分布在所述较低声阻抗材料内的多个微珠分布在所述较低声阻抗材料内。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述微珠的最小尺寸在0.01mm至1.0mm之间。
7.根据权利要求4所述的设备，其中，在第一位置处分布在所述较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的量与在第二位置处分布在所述较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的量不同。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述较高声阻抗材料分布在所述至少一种较低声阻抗材料内，使得所述较高声阻抗材料在所述回声器官复制品的所述一个或更多个位置处形成晶格结构。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，在第一位置处的所述晶格结构具有导致第一回声反射性的第一间距，并且在第二位置处的所述晶格结构具有导致第二回声反射性的第二间距。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述较低声阻抗材料包括非聚合材料，所述非聚合材料包括水、凝胶、离子或生物分子中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内，使得所述较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的所得空间密度在所述回声器官复制品的所述一个或更多个位置处的所述较低声阻抗材料的体积的约0.1％至10.0％的范围内。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内，使得在第一位置处的所述较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的所述空间密度在大约1.0％至3.0％的范围内，并且在第二位置处的所述较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的所述空间密度大于3.0％。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述较低声阻抗材料和所述至少一种较高声阻抗材料包括3D打印材料。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述体内器官组织包括一种或更多种人或动物器官的器官组织，所述器官包括心脏、肺、胃、膀胱、骨骼、***、喉、咽、肌肉脉管***、脊柱、肠、结肠、直肠或眼睛。
15.一种制造回声器官复制品的方法，包括：
获得特定患者体内器官的医学图像数据；
由增材制造***接收一个或更多个数据文件，所述一个或更多个数据文件指定要由所述增材制造***沉积的一种或更多种材料的配置，以及
基于所接收的一个或更多个数据文件，由所述增材制造***通过分配分布在较低声阻抗材料内的至少一种较高声阻抗材料来形成所述回声器官复制品，使得在所述回声器官复制品的不同位置处，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内，其中，材料分布在整个所述器官复制品中在三个维度上变化，导致器官复制品的回声反射性在三个维度上变化，以复制与相应的体内器官组织相关联的回声反射性的三维变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一种较高声阻抗材料中的一种材料具有第一弹性，并且所述至少一种较高声阻抗材料中的另一种材料具有不同于所述第一弹性的第二弹性。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少一种较高声阻抗材料作为分布在所述较低声阻抗材料内的多个微珠分布在所述较低声阻抗材料内。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述微珠的最小尺寸在0.01mm至1.0mm之间。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，在第一位置处分布在所述较低声阻抗材料内的所述至少一种较高声阻抗材料的量与在第二位置处分布在所述较低声阻抗材料内的较高声阻抗材料的量不同。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内，使得所述至少一种较高声阻抗材料在所述回声器官复制品的所述一个或更多个位置处形成晶格结构。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，在第一位置处的所述晶格结构具有导致在所述第一位置处的第一回声反射性的第一间距，并且在第二位置处的所述晶格结构具有导致在所述第二位置处的第二回声反射性的第二间距。
23.根据权利要求15所述的方法，其中，所述较低声阻抗材料包括非聚合材料，所述非聚合材料包括水、凝胶、离子或生物分子中的至少一种。
24.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内，使得所述较低声阻抗材料内的至少一种较高声阻抗材料的所得空间密度在所述回声器官复制品的所述一个或更多个位置处的所述较低声阻抗材料的体积的约0.1％至10.0％的范围内。
25.根据权利要求15所述的设备，其中，所述至少一种较高声阻抗材料分布在所述较低声阻抗材料内，使得在第一位置处的所述较低声阻抗材料内的所述至少一种较高声阻抗材料的所述空间密度在大约1.0％至3.0％的范围内，并且在第二位置处的所述较低声阻抗材料内的所述至少一种较高声阻抗材料的所述空间密度大于3.0％。
26.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一种较高阻抗材料和所述较低声阻抗材料的局部机械特性发生变化，以复制由所述体内器官组织周围的一个或更多个器官组织施加在所述被复制的器官上的机械反馈。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述被复制的器官周围的所述一个或更多个器官组织包括骨骼或关节中的至少一个；由于所述被复制的器官周围的所述一个或更多个器官组织，机械反馈被施加在所述器官上。
28.根据权利要求15所述的方法，其中，所述器官包括较大器官的一部分。
29.根据权利要求15所述的方法，其中，所述器官包括动脉。
30.根据权利要求15所述的方法，其中，所述器官包括心脏、肺、胃、膀胱、骨骼、***、喉、咽、肌肉脉管***、脊柱、肠、结肠、直肠或眼睛。
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