男性盆腔器官群實體模型的研制與實驗研究

劉琬鈺王興繼李盼姜杉楊志永

300072天津大學機械工程學院

男性盆腔器官群實體模型的研制與實驗研究

劉琬鈺王興繼李盼姜杉楊志永

300072天津大學機械工程學院

目的在前列腺穿刺手術(shù)中，穿刺針和組織器官的變形會對手術(shù)精度產(chǎn)生很大影響。因此深入的穿刺實驗研究和大量的手術(shù)訓練對于提高手術(shù)治療效果十分必要。為了便于實驗研究及手術(shù)訓練的開展，筆者研制了男性盆腔器官群實體模型，并進行了相應(yīng)的實驗研究。方法根據(jù)人體核磁共振掃描圖像進行盆腔器官群三維重建后，設(shè)計單體器官模具。采用一種新型聚乙烯醇（PVA）水凝膠，通過調(diào)整其成分配比及制作工藝得到滿足不同組織生物力學特性的仿生材料，分別制作相應(yīng)的單體器官模型；將單體器官依據(jù)人體解剖學結(jié)構(gòu)進行裝配，并模擬人體盆腔內(nèi)環(huán)境；最后以制作完成的器官群模型進行穿刺力和穿刺變形實驗。結(jié)果穿刺力實驗數(shù)據(jù)表明此模型對器官群模型的力學特性符合實際手術(shù)中穿刺力的變化規(guī)律。穿刺變形實驗中，通過超聲圖像可清晰顯示出穿刺針和組織器官的形變，說明器官群模型具有較好的超聲成像效果。結(jié)論男性盆腔器官群實體模型能夠滿足穿刺實驗研究以及穿刺手術(shù)訓練的需求，可為進一步提高穿刺手術(shù)的精度及穿刺手術(shù)的推廣奠定基礎(chǔ)。

穿刺手術(shù)；聚乙烯醇水凝膠；器官群；穿刺實驗；生物力學特性

Fund program:National Natural Science Foundation of China(51175373)

0 引言

經(jīng)皮穿刺手術(shù)是前列腺短距離放射治療最常用的微創(chuàng)療法之一[1]。在穿刺手術(shù)中作為目標器官的前列腺體由于受到周圍器官的柔性約束，其位置并非固定，具有復雜的邊界條件和變形機理。因此，前列腺體所處的盆腔器官群環(huán)境是影響手術(shù)精度的關(guān)鍵[2]。同時，術(shù)前訓練、計量規(guī)劃以及穿刺針與組織交互力學的實驗研究對于提高手術(shù)的成功率及療效亦是非常重要的。此外，因涉及倫理學等問題，使得相關(guān)實驗研究的進行受到很大限制。因此對于盆腔器官群整體建模的研究具有更重要的實際意義。對此，國內(nèi)外學者進行了大量的盆腔器官群建模及實驗研究。

Misra等[2]建立了包含完整前列腺體及周圍組織器官和相關(guān)結(jié)構(gòu)的二維有限元模型，但虛擬模型相較于實體模型而言在手術(shù)訓練、計量規(guī)劃和實驗研究等方面的實用性較差。因此，盆腔器官群實體模型的研制是十分急需的。盆腔器官群實體模型的研制是以醫(yī)學影像技術(shù)為基礎(chǔ)的。目前，隨著三維重建技術(shù)的發(fā)展，將二維醫(yī)學圖像轉(zhuǎn)換為三維模型已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)[3]。國外已有很多學者進行了三維可視化人體的研究，運用醫(yī)學影像三維重建技術(shù)重建了不同身體部位的三維模型[4-6]。在國內(nèi)，邱國明和張紹祥等學者對男性盆底可視化技術(shù)進行了研究，并基于此對前列腺及其周圍組織器官進行了三維建模[6]；吳蓉[7]對經(jīng)會陰穿刺前列腺解剖學做了深入的研究并進行了男性盆底的三維重建[7]。但由于各組織器官的仿生材料選擇與制備、仿生材料的力學性能、各器官間約束結(jié)構(gòu)設(shè)計、盆腔環(huán)境模擬等一系列問題尚待解決[8]，因此高仿真的男性盆腔器官群實體模型目前并沒有成熟的制作方法。

本研究以醫(yī)學影像三維重建技術(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)核磁共振圖像進行了男性盆腔器官群的三維建模。選用一種新型的仿生材料——聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）水凝膠作為盆腔內(nèi)主要單體器官模型的澆鑄材料，通過控制其化學成分的配比研制了符合不同器官生物力學特性的單體器官模型；之后根據(jù)人體解剖學結(jié)構(gòu)進行器官群實體模型的整體搭建和盆腔內(nèi)環(huán)境模擬；最后對搭建好的男性盆腔器官群實體模型進行了穿刺力學實驗和變形實驗。此研究工作為前列腺穿刺手術(shù)的進一步實驗研究奠定了基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

男性盆腔器官群實體模型的研制目的在于能夠在實驗室條件下進行仿真前列腺穿刺手術(shù)實驗研究及術(shù)前訓練，因此研制的實體模型不僅要在外觀結(jié)構(gòu)和力學特性上與人體盡可能相近，其模型內(nèi)環(huán)境還應(yīng)接近人體真實的盆腔環(huán)境，并且需具有良好的核磁或超聲成像效果，以獲得可靠的實驗數(shù)據(jù)或訓練效果。

本研究采用的核磁共振（MR）圖像數(shù)據(jù)取自1例56歲、體質(zhì)量為77 kg的前列腺癌患者?；颊邔嶒烅椖烤橥?，符合相關(guān)倫理學標準。

1.2 方法

1.2.1 仿生材料的選擇與制備

仿生材料的選擇直接決定了器官群模型的力學特性和實驗效果。為了在實驗室條件下盡可能實現(xiàn)人體不同組織的力學特異性，且考慮到實驗中的可視效果，本課題組研制出一種新型仿生材料——PVA透明水凝膠[9]。（圖1）

圖1 新型聚乙烯醇透明水凝膠

該水凝膠是由PVA、去離子水、環(huán)氧氯丙烷、氫氧化鈉、氯化鈉和二甲基亞砜按一定比例和次序進行溶解，經(jīng)數(shù)次冷凍、解凍后得到的透明的富含水分的固體仿生材料。采用荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的XL-SERIES掃描電鏡進行材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)掃描實驗。以改變原材料中的氯化鈉含量為例，通過電鏡掃描圖像，可以看到不同化學成分配比下的水凝膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有明顯的差異（圖2）；再以豬腎臟與特定配比水凝膠的截面電鏡掃描圖為例進行對比（圖3），發(fā)現(xiàn)兩者內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常相似，說明通過控制化學成分的比例可得到與特定生物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)相近的仿生水凝膠。進而對比豬腎臟與特定成分水凝膠在穿刺過程中的力學特性（圖4），可看出兩組穿刺力的大小及變化規(guī)律很接近，說明這種成分配比下的PVA水凝膠與豬腎臟的生物力學特性十分吻合，可以將其應(yīng)用于實驗中。經(jīng)過多次實驗分析，證明這種新型PVA水凝膠能在實驗室條件下通過控制成分配比得到滿足不同單體器官力學特性的仿生材料；并且該水凝膠是富含水分的透明固體，具有很好的超聲及核磁成像效果，在實驗中亦能很好地觀察進針過程，從而滿足盆腔內(nèi)各單體器官模型的制作要求。

圖2 不同成分配比下的PVA水凝膠截面電鏡掃描圖（×2 000）

圖3 豬腎臟與特定配比PVA水凝膠截面電鏡掃描圖（×1 000）

圖4 豬腎臟與特定配比PVA水凝膠穿刺力對比圖

1.2.2 器官群實體模型的制作

Yi曾采用CT斷層掃描圖像對男性盆腔內(nèi)器官進行了三維重建，這里采用辨識精度更高的核磁共振圖像進行盆腔器官群三維重建[6]。本研究采用的MR圖像數(shù)據(jù)除前列腺體外，僅選擇膀胱、直腸、閉孔內(nèi)肌、肛提肌這些在穿刺手術(shù)中對前列腺位置及形變產(chǎn)生較大影響的器官作為三維重建和優(yōu)化處理的對象。單體器官的澆鑄模具采用3D打印結(jié)合激光燒結(jié)快速成型技術(shù)制作完成。前列腺及膀胱實體模型澆鑄模具如圖5。

圖5 前列腺及膀胱實體模型澆鑄模具

單體器官的材料選擇需著重考慮材料的仿生力學性能。通過調(diào)整PVA水凝膠的成分配比及制作工藝，得到滿足盆腔內(nèi)不同組織器官力學特性的水凝膠，分別進行盆腔內(nèi)單體器官的制作。圖6為制作完成的前列腺和膀胱單體模型。以人體真實解剖結(jié)構(gòu)為依據(jù)，將各單體器官逐一裝配在骨盆模型內(nèi)（圖7）。

圖6 膀胱和前列腺實體模型

圖7 裝配完成的盆腔器官群實體模型

為模擬真實人體內(nèi)環(huán)境，同時便于進行實驗研究，將器官群模型放在有機玻璃箱體中，并在箱體內(nèi)填充瓊脂糖。由于瓊脂糖在常溫下為透明固體，且其彈性模量很小，因此能達到提供器官群支撐力的作用且不影響穿刺力。箱體前端面留有開口，并在開口處粘附一層硅膠薄膜以模擬人體皮膚，可達到模擬會陰經(jīng)皮穿刺手術(shù)的效果。完整的男性盆腔器官群實體模型如圖8所示。

圖8 男性盆腔器官群實體模型

2 結(jié)果與討論

穿刺手術(shù)中變化的穿刺力和組織形變是影響穿刺精度的兩個重要因素。筆者通過基于搭建好的男性盆腔器官群實體模型進行柔性針穿刺實驗，包括穿刺力實驗和穿刺變形實驗，以驗證模型的科學性和實用性。

圖9 穿刺力實驗照片及穿刺力數(shù)據(jù)圖

2.1 穿刺力實驗

在沒有實時圖像導航的手術(shù)條件下，穿刺力的變化是醫(yī)生在手術(shù)過程中能夠獲取的重要反饋信息。穿刺過程主要分為4個階段：針尖在皮層穿刺，針尖進入盆腔內(nèi)部，針尖接觸到前列腺表面，針尖刺入前列腺體。采用美國ATI公司的Nano-17六維力傳感器來采集實驗過程中穿刺針的受力數(shù)據(jù)，便于后期分析。

實驗得到穿刺針經(jīng)由硅橡膠薄膜和瓊脂糖刺入前列腺模型的穿刺力（圖9）。圖中所示，穿刺過程自A點時刻后開始，穿刺針與硅橡膠薄膜接觸，AB段穿刺力隨時間持續(xù)增大，硅橡膠薄膜變形也逐漸增大；B點時刻為刺破薄膜瞬間，薄膜變形達臨界點，針尖受力到達極大值，之后穿刺力迅速減??；BC段為刺破薄膜后穿刺針在盆腔模型內(nèi)部瓊脂糖中繼續(xù)進行穿刺，其進針阻力很?。蛔訡點時刻起穿刺針開始與前列腺接觸，CD段穿刺力隨著進針運動逐漸增加，前列腺體變形逐漸增大，在D點時刻變形達到最大值，此時穿刺力也達到另一個極大值，隨后刺破前列腺，穿刺力急劇減小；EF段為針尖在前列腺中行進時受力，隨著進針深度增加針尖受到的阻力也逐漸增大；在F點時刻進針運動停止，針尖受力再次急劇下降。由圖9可看出，該實驗得到的穿刺力變化曲線符合手術(shù)過程中的穿刺力變化規(guī)律[10]。

圖10 超聲探測下柔性針穿刺過程與前列腺變形

2.2 穿刺變形實驗

穿刺變形實驗采用DP-50全數(shù)字便攜式超聲診斷系統(tǒng)觀測盆腔器官群在穿刺實驗中的變形情況。實驗過程中將超聲探頭垂直于進針方向由夾具加持在骨盆恥骨聯(lián)合下方，掃描面為穿刺針與超聲探頭構(gòu)成的平面。穿刺過程中的超聲影像如圖10所示。從圖中可清晰觀察到穿刺針的進針深度以及前列腺體的變形情況。實驗結(jié)果證明，盆腔器官群實體模型在超聲導航穿刺實驗中能夠獲得較好的圖像反饋效果。

3 結(jié)論

本研究以三維重建技術(shù)為基礎(chǔ)，采用新型的仿生材料PVA水凝膠，進行了包括盆腔器官群三維建模、單體器官模型制備、器官群搭建及盆腔內(nèi)環(huán)境模擬等技術(shù)的完整的男性盆腔器官群實體模型研制。經(jīng)穿刺力實驗和穿刺變形實驗證實，此模型較真實地模擬了穿刺手術(shù)中的力學機理，且能獲得完備的力學數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)。對比實際手術(shù)經(jīng)驗，可認為筆者所研制的盆腔器官群實體模型具有較好的實驗效果，能夠較真實地模擬實際的人體穿刺手術(shù)過程，為前列腺穿刺手術(shù)的實驗研究及手術(shù)訓練奠定了基礎(chǔ)。

利益沖突無

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Development and experimental research on the physical model of male pelvic organ group

Liu Wanyu, Wang Xingji,Li Pan,Jiang Shan,Yang Zhiyong
School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China

ObjectiveTo develop the physical model of male pelvic organ group and conduct corresponding prostate puncture experiments.Because sufficient research and plenty of surgical training is very important for improving the surgical treatment effect of prostate puncture surgery,in which the deformation of needle and tissue has significant influences on surgical precision.MethodsBased on the magnetic resonance images,the 3D reconstruction of human pelvic organs group was performed,and then the monomer organ moulds were designed.The monomer organ models were made by a new type of polyvinyl alcohol(PVA)hydrogel which is a biomimetic material and can simulate biomechanical properties of different tissues by adjusting the proportion of components.The monomer organ models were assembled to simulate the internal environment of pelvic cavity based on the human anatomical structure,and the experiments of insertion force and deformation were conducted.ResultsThe results of insertion force experiments indicated that the mechanical properties of the proposed model of pelvic organ group were coincident with the force variation in real surgury.During the insertion deformation experiments,the deformation of needle and organs could be clearly observed in the ultrasound images,which indicates that the pelvic organ group has good ultrasonography compatibility.ConclusionsThe proposed physical model of male pelvic organ group can meet the requirements of experiment research and surgical training of prostate puncture,which provides foundation for improving precision and popularization of puncture surgery.

Puncture surgery;Polyvinyl alcohol hydrogel;Organ group;Puncture experiment; Biomechanical characteristic

Jiang Shan,Email:shanjmri@tju.edu.cn

國家自然科學基金（51175373）

梅生.醫(yī)學圖像三維重建技術(shù)的研究[D].武漢:武漢理工大學,2012.

10.7666/d.y2099067.

2016-09-25）

姜杉，Email：shanjmri@tju.edu.cn

DOI：10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．06．006