个体化血流动力学优化的三维立体血管补片成型技术的应用
【专利摘要】本发明涉及一种个体化血流动力学优化的三维立体补片及其制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：(1)采集数据获取三维数字化模型，(2)分析个体化虚拟手术研究确定补片设计，(3)利用3D打印技术制作补片成型模具，(4)将待成型的补片放置于模具凸面上，然后与模具凹面进行扣合，向其内灌注固定液，水平放置待固定成型，成型后去除模具，即获得三维立体补片。其优点表现在：本发明的补片是三维立体的，可个体化，并且符合血流动力学的要求。
【专利说明】
个体化血流动力学优化的三维立体血管补片成型技术的应用
技术领域
[0001] 本发明涉及医学材料技术领域，具体地说，是个体化血流动力学优化的三维立体 血管补片成型技术的应用。
【背景技术】
[0002] 先心病及补片应用：近年来最新医学资料表明，先天性心脏病（以下简称"先心 病"）是婴幼儿中的常见病、多发病。在我国，先心病发病率约占出生婴儿的8%。~12%。，已成 为新生儿死亡的首要病因。据统计，我国每年约有15万左右的新增先心病病人，其中复杂先 心病患者约占30~40%。随着医学科技的进步，许多婴幼儿、新生儿时期的先心病包括复杂 心脏畸形目前已经可以获得根治，国内每年约有3~4万患儿接受先心病手术治疗。其中，部 分复杂先心病亚型由于血管及流出道狭窄或者梗阻等，需要自体心包补片扩大狭窄的血管 或者流出道进行外科治疗。在以往的临床工作中，血管补片植入位置、形状、大小和角度的 选择主要依据手术者临床经验来判断和决定的。由于缺乏客观、准确的判断方法，术后可能 会发生补片扭曲、变形、成角，导致残余梗阻的发生。而这些却可以通过计算机辅助模拟最 优血流动力学的个体化血管补片设计及3D打印模具加工心包补片成型技术来加以解决。即 根据患者术前血管的发育条件进行血流动力学计算机模拟，确定个体化血管补片的血流动 力学最优设计方案，以及根据此方案进行个体化3D打印模具，最终实现心包补片成型技术。
[0003] 计算血流动力学:近年来，随着计算机技术的不断发展，以数值模拟为基础，结合 流动三维可视化技术发展起来的计算血流动力学（Computational Hemodynamics)为定量 分析血流动力学参数变化，体外研究血流运动轨迹以及客观定量评估、设计补片方案提供 了可能。计算血流动力学利用医学临床影像资料，如超声（Ultrasound，US)，核磁共振 (Magnetic Resonance，MRI )，电子计算机X射线断层扫描（Computed Tomography，CT)图像， 通过对血管形态学、血流动力学、心功能等多方面信息进行精确测量，依据患者自身解剖和 生理特点，通过求解赋予患着个体化的生理信息（如脉动压力、血流)为边界条件的血流控 制方程来模拟近似真实体内环境的血液流动情况，进而可评估患者补片植入前后右室流出 道血流动力学特性的改变，为医师更直观地研究补片的植入位置、形状、大小和角度的选 择，及补片材料特性等因素对血流动力学的影响提供重要的手段。
[0004] 对专利文献、科技论文等进行检索，关于个体化血流动力学优化的三维立体血管 补片成型技术的应用目前还未见报道。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种个体化血流动力学优化的三维 立体补片的制备方法。
[0006] 本发明的再一的目的是，提供一种个体化血流动力学优化的三维立体补片。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是:一种个体化血流动力学优化的三维 立体补片，所述的制备方法包括以下步骤：（1)采集数据获取三维数字化模型，（2)分析个体 化虚拟手术研究确定补片设计，（3)利用3D打印技术制作补片成型模具，（4)将待成型的补 片放置于模具凸面上，然后与模具凹面进行扣合，向其内灌注固定液，水平放置待固定成 型，成型后去除模具，即获得三维立体补片。
[0008] 所述的步骤（1)为通过获取患者术前的临床MRI影像资料以及超声血流测量信息， 完成待手术血管区域三维数字化模型重建。
[0009] 所述的步骤(2)为利用CAD技术实施虚拟补片植入，以不同虚拟手术设计方案三维 模型为研究基础，分别进行血流动力学定量评估与可视化显示，完成计算结果的分析，对不 同手术方案下的血流动力学特征进行比较。
[0010] 所述的步骤(2)为利用CAD技术实施虚拟补片植入，以不同虚拟手术设计方案三维 模型为研究基础，分别进行血流动力学定量评估与可视化显示，完成计算结果的分析，对不 同手术方案下的血流动力学特征进行比较;利用计算流体动力学方法，确立准确模拟血管 补片植入后血流运动计算模型，对三维重建补片植入区域血管模型进行血流动力学模拟和 分析;运用基于有限控制容积法则的计算流体动力学进行血流模拟;通过计算机实现脉动 血流三维流场考虑呼吸作用、血管阻力、血管弹性生理条件下的血流动力学准确模拟，并将 计算结果进行可视化处理与比较，对每种模型补片植入位置、形状、大小和角度情况进行综 合评价，寻找患者个体化最佳血流动力学手术实施方案。
[0011] 所述的步骤(4)为将心包放置于模具凸面上，然后与模具凹面进行扣合，向其内灌 注心包补片固定所用的戊二醛溶液，水平放置待固定成型，成型后去除模具获得已成型心 包补片，即三维立体补片。
[0012]为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：一种个体化血流动力学优化 的三维立体补片，所述的三维立体补片通过以下方法制得：（1)采集数据获取三维数字化模 型，（2)分析个体化虚拟手术研究确定补片设计，（3)利用3D打印技术制作补片成型模具， (4)将待成型的补片放置于模具凸面上，然后与模具凹面进行扣合，向其内灌注固定液，水 平放置待固定成型，成型后去除模具，即获得三维立体补片。
[0013] 所述的三维立体补片应用于先天性心脏病手术中。
[0014] 本发明优点在于：
[0015] 1、本发明的补片是三维立体的，相对于二维平面补片，更加契合患者的血管形态。
[0016] 2、本发明的补片可以根据不同的患者进行个体化定制。
[0017] 3、本发明的补片经过血流动力学拟合，更加符合血流动力学的要求。
【附图说明】
[0018] 附图1是本发明的三维立体补片及模具的结构示意图。
[0019]附图2是本发明的三维立体补片及模具的结构示意图。
[0020]附图3是本发明的三维立体补片的模具的照片。
[0021]附图4是本发明的三维立体补片模具的应用过程。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明提供的【具体实施方式】作详细说明。
[0023]附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：
[0024] 1、模具凹面
[0025] 2、待成型的补片
[0026] 3、模具凸面
[0027] 实施例1
[0028] (1)采集数据获取三维数字化模型
[0029] 通过获取患者术前的临床MRI影像资料，以及超声血流测量信息，完成待手术血管 区域三维数字化模型重建。通过MRI扫描获取一系列二维DIC0M图像数据用以后续进行解剖 结构的三维重建。通过心脏超声扫描获取各管腔内随时间变化的血流速度信息。将DIC0M格 式的图像数据导入高度集成的医学图像处理软件Materialise-M中，对由MRI扫描 产生的图像数据进行预处理，通过筛选选取补片植入区域完好的图像，重建三维数字肺动 脉图像。
[0030] (2)分析个体化虚拟手术研究确定补片设计
[0031] 利用患者医学影像数据进行个体化三维重建，并结合患者自身解剖特点设计多种 可行的补片植入方案，如不同植入位置、形状、大小和角度。利用CAD技术实施虚拟补片植 入，以不同虚拟手术设计方案三维模型为研究基础，分别进行血流动力学定量评估与可视 化显示，完成计算结果的分析，对不同手术方案下的血流动力学特征进行比较。利用计算流 体动力学方法，确立准确模拟血管补片植入后血流运动计算模型，对三维重建补片植入区 域血管模型进行血流动力学模拟和分析。运用基于有限控制容积法则的计算流体动力学分 析软件Ansys-Fluent 14.0进行血流模拟。通过计算机C语言编程用户自定义函数(UDF)进 行计算控制，实现脉动血流三维流场考虑呼吸作用、血管阻力，血管弹性等生理条件下的血 流动力学准确模拟，并将计算结果进行可视化处理与比较，对每种模型补片植入位置、形 状、大小和角度等情况进行综合评价，寻找患者个体化最佳血流动力学手术实施方案。
[0032] (3)利用3D打印技术制作补片成型模具，探索患者个体化补片固定方法
[0033]结合3D打印技术，制作经虚拟手术设计患者个体化最佳补片设计方案成型模具， 与临床手术医师共同探讨手术操作可行性与操作特点，结合血流动力学分析结果，确定患 者个体化符合最佳血流动力学条件的最优手术植入方案。基于临床已有利用戊二醛对补片 的固定方法，结合3D打印补片成型模具，探索数字设计符合患者血管生理特性的个体化补 片成型技术，开展随访与术后临床数据采集，对术后患者可能产生的并发症进行预测，为相 关医学人员提供参考。
[0034] 实施例2
[0035] 选取一例需要进行补片移植的先心病患儿，手术过程中需应用自体心包补片扩大 狭窄的右室流出道和肺动脉(包括分支），从而解除流出道梗阻，达到手术根治的目的。
[0036] 采集患儿术前影像资料，通过MRI和心脏超声方法获取进行计算血流动力学分析 所需的三维解剖结构信息和分流区域内血流速度等数据作为计算数值模拟的模型构建基 础和边界条件设定依据，完成患儿个体化补片植入区域解剖结构的三维重建，通过患儿个 体化血流动力学模拟及虚拟手术，确定符合此患儿最佳血流动力学的补片设计。利用3D打 印技术，制作患儿个体化补片成型物理实体模具，严格消毒，以用于术中自体心包补片固定 成型。
[0037] 手术中取患儿自体心包(A)，放置于个体化补片模具凸面上(B)，然后与模具凹面 部分进行扣合，向其内灌注心包补片固定所用的戊二醛溶液，水平放置待固定成型(C)，15 分钟后去除模具，获得已成型心包补片，其形状与角度理想(D)，极大程度地拟合个体化数 字设计补片模型，可以在手术中很好地帮助术者轻松定位移植位置、形状以及角度。更重要 的是，这种符合血流动力学个体化三维立体补片的体内血管修补及移植应用，可以更好地 帮助患者进行术后恢复，减少并发症。
[0038] 本研究在血管补片临床治疗成型、固定以往的方法基础上，利用计算流体动力学 及3D打印技术制作患者个体化补片成型模具，实现患者个体化治疗与最优血流动力学设 计，使得手术操作有据可循，有利于手术方式的改进与临床标准的建立。此外，本研究中补 片成型、固定技术易于操作，有利于临床推广与普及。
[0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种个体化血流动力学优化的三维立体补片的制备方法，其特征在于，所述的制备 方法包括以下步骤：（1)采集数据获取三维数字化模型，（2)分析个体化虚拟手术研究确定 补片设计，（3)利用3D打印技术制作补片成型模具，（4)将待成型的补片放置于模具凸面上， 然后与模具凹面进行扣合，向其内灌注固定液，水平放置待固定成型，成型后去除模具，即 获得二维立体补片。2. 根据权利要求1所述的三维立体补片的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1)为通 过获取患者术前的临床MRI影像资料以及超声血流测量信息，完成待手术血管区域三维数 字化模型重建。3. 根据权利要求1所述的三维立体补片的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)为利 用CAD技术实施虚拟补片植入，以不同虚拟手术设计方案三维模型为研究基础，分别进行血 流动力学定量评估与可视化显示，完成计算结果的分析，对不同手术方案下的血流动力学 特征进行比较。4. 根据权利要求1所述的三维立体补片的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)为利 用CAD技术实施虚拟补片植入，以不同虚拟手术设计方案三维模型为研究基础，分别进行血 流动力学定量评估与可视化显示，完成计算结果的分析，对不同手术方案下的血流动力学 特征进行比较;利用计算流体动力学方法，确立准确模拟血管补片植入后血流运动计算模 型，对三维重建补片植入区域血管模型进行血流动力学模拟和分析;运用基于有限控制容 积法则的计算流体动力学进行血流模拟;通过计算机实现脉动血流三维流场考虑呼吸作 用、血管阻力、血管弹性生理条件下的血流动力学准确模拟，并将计算结果进行可视化处理 与比较，对每种模型补片植入位置、形状、大小和角度情况进行综合评价，寻找患者个体化 最佳血流动力学手术实施方案。5. 根据权利要求1所述的三维立体补片的制备方法，其特征在于，所述的步骤(4)为将 心包放置于模具凸面上，然后与模具凹面进行扣合，向其内灌注心包补片固定所用的戊二 醛溶液，水平放置待固定成型，成型后去除模具获得已成型心包补片，即三维立体补片。6. -种个体化血流动力学优化的三维立体补片，其特征在于，所述的三维立体补片通 过以下方法制得：（1)采集数据获取三维数字化模型，（2)分析个体化虚拟手术研究确定补 片设计，（3)利用3D打印技术制作补片成型模具，（4)将待成型的补片放置于模具凸面上，然 后与模具凹面进行扣合，向其内灌注固定液，水平放置待固定成型，成型后去除模具，即获 得三维立体补片。7. 根据权利要求6所述的三维立体补片，其特征在于，所述的三维立体补片应用于先天 性心脏病手术中。
【文档编号】A61B34/10GK105997243SQ201610280579
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】殷猛, 张海波, 刘锦纷, 孔德领, 刘金龙, 张佳玲, 夏德凯, 金大为
【申请人】上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心