动脉瘤手术模拟器制造

摘要：手术模拟器可以加速营造逼真的手术环境，加快医生的培养速度，可重现病人个体病灶帮助医生更好的规划手术方案，以更好的实现精准治疗。浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室贺永、傅建中教授团队借助3D打印技术开发了一种新颖的脑动脉瘤模拟器，能够还原出脑动脉瘤的出现过程，整个模拟器可借助桌面3D打印机实现低成本制造。该模拟器包括中空弹性血管模型，颅骨模型和脑模型。通过模拟夹闭动脉瘤，可模拟血流、血管脉动压力及夹闭动脉瘤的过程，能很好的帮助神经外科及血管科医生进行手术训练。本研究受到国家基金联合基金-浙江省两化融合重点项目、浙江省杰出青年基金项目资助。

Fabrication of cerebralaneurysm simulator with a desktop 3D printer.pdf

手术模拟器可供外科医生在手术前不使用动物或尸体即进行模拟训练。手术模拟器可通过3D打印技术制造出不同的器官和病变的仿真模型，将器官或病变部位内部构造的细节逼真地呈现给外科医师，为手术方案的制定和模拟提供了一个新的方法。在医学领域，特别是神经外科手术，模拟器可以有效的提高对病人的治疗和护理质量。近年来越来越多的有关动脉瘤模拟器的研究在不断进行，如基于3D计算机断层扫描（CT）血管造影术的脑动脉瘤夹钳位置的模拟评估，使用3D打印技术产生脑动脉的脑血管模拟等。这些早期模型主要制造成刚性非空心形式，现也有团队通过使用丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯作为建模材料和硅胶作为外层制造中空弹性容器模型，为医学学习者提供夹闭模拟实验模型。虽然提出的方法在一定程度上会产生一些问题，但它创建一些可以使用的模拟器还是值得肯定的。 3D打印技术的进步可促使设计的即时改进，并且以上所提出的静态模拟器不能实现在血管模型内有流体流动的功能。

课题组开发了一种利用低成本的三维打印机，硅胶铸造和涂层技术的脑动脉瘤模拟器。这个模拟器的目标是深入了解脑动脉瘤的动态膨胀过程，并训练神经外科医生如何有效地夹闭动脉瘤。针对提出的目标，成功地制造了颅骨模型，硅胶脑模型和血管模型。这套模型可以在实验室内，比较经济地制造出来，不需要任何昂贵的技术设备。所提出的模拟器特征在于中空弹性血管模型的集成且允许剪切的血流流过并响应，颅骨模型和表现相邻位置关系的脑模型、血管模型进行模块化集成，并重建外科真实场景。此外，所提出的血管模型可以模拟脑动脉瘤的动态膨胀过程，水泡状的凸起规律重现了与临床相似的血流和脉动压力场景。通过新颖的动态复制模型和交互环境，外科医生可以很好的锻炼其技能。

本方法的优点有：

1、借助3D打印技术，精确打印大脑，血管，头颅的低成本模型，不需要任何昂贵的技术设备；

2、该动脉瘤模拟器是中空弹性血管模型的集成且允许剪切的血流流过并响应；

3、血管模型可以模拟脑动脉瘤的动态膨胀过程，水泡状的凸起规律重现了与临床相似的血流和脉动压力场景；

4、颅骨模型和表现相邻位置关系的脑模型、血管模型进行模块化集成，并重建外科真实场景。

目前该成果已在Scientific Reports期刊发表，题为“Fabrication of cerebralaneurysm simulator with a desktop 3D printer”，DOI: 10.1038/srep44301。

图1 脑动脉瘤制造过程

图2血流驱动器作用下动脉瘤的形成过程

图3相同的解剖血管模型的不同位置水泡状扩张

图4  定位和可视化的动脉瘤模拟器交互环境

图5模拟夹闭效果

图6模拟动脉瘤夹闭，并用控制开关改变不同颜色的液体