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TWI709115B - 透光血管模型的製作方法 - Google Patents

透光血管模型的製作方法 Download PDF

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TWI709115B
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Abstract

本發明提供一種透光血管模型的製作方法，包含步驟：提供一公模；進行一母模形成步驟，形成一母模於該公模的一外表面上，其中該母模形成步驟包含：進行一沾附步驟，以使該公模的該外表面上沾附一母模溶液，其中該沾附步驟係一浸塗步驟或一噴霧步驟；進行一乾燥步驟，乾燥位於該公模的該外表面上的該母模溶液；及重覆進行該沾附步驟及該乾燥步驟達3至4次，以形成該母模；以及透過一溶液溶解該公模，以使殘留的該母模形成該透光血管模型。

Description

透光血管模型的製作方法
本發明係關於一種模型的製作方法，特別是關於一種透光血管模型的製作方法。
目前，獲取血管的相關信息的方法通常使用患者的電腦斷層掃描(CT)圖片來重建血管模型，然後用電腦軟體模擬血管內物理特性(血液速度、血液壓力和血管壁的應力等)的分佈，以評估心血管疾病的風險。例如，在2011年5月於生物醫學工程年鑑(Annals of Biomedical Engineering)發表的文章，標題為“使用粒子圖像測速法測量肝靜脈三血管匯流的血流動力學(Lara M,Chen CY et al；Hemodynamics of the hepatic venous three-vessel confluences using particle image velocimetry)”。
一般而言，電腦模擬軟體是模擬在理想的物理條件下進行的。但是，理想的情況通常實際情況不相同，導致模擬結果與實際情況之間存在很大誤差。故，有必要提供一種透光血管模型的製作方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之一目的在於提供一種透光血管模型的製作方法，其通過特定的製作方式(如浸塗法(dipping)或噴霧法(spraying)來製作具備三維結構的血管模型實體，以使該透光血管模型的物理性質(例如血管彈性與伸縮率)相似或相同於實際血管。
為達上述之目的，本發明提供一種透光血管模型的製作方法，包含步驟：提供一公模，該公模的形狀對應一血管的內部空間；進行一母模形成步 驟，形成一母模於該公模的一外表面上，其中該母模的形狀對應該血管的形狀，其中該母模形成步驟包含：進行一沾附步驟，以使該公模的該外表面上沾附一母模溶液，其中該沾附步驟係一浸塗步驟或一噴霧步驟，其中該浸塗步驟包含浸塗該公模至該母模溶液中5至15秒達3至4次，以使該公模的該外表面上沾附該母模溶液，以及該噴霧步驟包含噴霧一母模溶液至該公模的該外表面上持續5至15秒達3至4次，以使該公模的該外表面上沾附該母模溶液；進行一乾燥步驟，乾燥位於該公模的該外表面上的該母模溶液，以在該公模的該外表面上形成一部分的該母模；及重覆進行該沾附步驟及該乾燥步驟達3至4次，以形成該母模，其中該母模的材質是透光的；以及透過一溶液溶解該公模，以使殘留的該母模形成該透光血管模型。
在本發明一實施例中，該公模是通過三維列印方式形成
在本發明一實施例中，該公模的材質包含丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，以及該溶液的材質包含丙酮。
在本發明一實施例中，該公模的材質包含聚乳酸(PLA)，以及該溶液的材質包含氯仿及二氯甲烷。
在本發明一實施例中，該公模的材質包含聚乙烯醇(PVA)，以及該溶液的材質包含水。
在本發明一實施例中，該公模的材質包含尼龍(nylon)，以及該溶液的材質包含酚、飽和氯化鈣的甲醇溶液和濃甲酸。
在本發明一實施例中，該公模的材質包含高密度聚乙烯(HDPE)，以及該溶液的材質包含二甲苯。
在本發明一實施例中，該公模的材質包含熱塑性聚氨酯(TPU)，以及該溶液的材質包含二氯甲烷。
在本發明一實施例中，該母模的材質包含聚二甲基矽氧烷(PDMS)。
在本發明一實施例中，該透光血管模型的一拉伸率介於150至300%之間。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
本發明一實施例之透光血管模型的製作方法10主要包含下列步驟11至13：提供一公模，該公模的形狀對應一血管的內部空間(步驟11)；進行一母模形成步驟，形成一母模於該公模的一外表面上，其中該母模的形狀對應該血管的形狀，其中該母模形成步驟包含：進行一沾附步驟，以使該公模的該外表面上沾附一母模溶液，其中該沾附步驟係一浸塗步驟或一噴霧步驟，其中該浸塗步驟包含浸塗該公模至該母模溶液中5至15秒達3至4次，以使該公模的該外表面上沾附該母模溶液，以及該噴霧步驟包含噴霧一母模溶液至該公模的該外表面上持續5至15秒，以使該公模的該外表面上沾附該母模溶液；進行一乾燥步驟，乾燥位於該公模的該外表面上的該母模溶液，以在該公模的該外表面上形成一部分的該母模；及重覆進行該沾附步驟及該乾燥步驟達3至4次，以形成該母模，其中該母模的材質是透光的(步驟12)；以及透過一溶液溶解該公模，以使殘留的該母模形成該透光血管模型(步驟13)。本發明將於下文詳細說明實施例之上述各步驟的實施細節及其原理。
請參照第1圖所示，本發明第一實施例之透光血管模型的製作方法10首先係步驟11：提供一公模，該公模的形狀對應一血管的內部空間。在本步驟11中，該血管的內部空間例如可通過下述方式取得資料。例如，可透過現有技術中任何可描繪出該血管的三維圖像的方式來取得該血管的外觀形狀，並且根據該血管的外觀形狀以及該血管的壁的厚度(例如可根據一對象的血管的壁的厚度的平均值，或者醫學上對於血管的壁的厚度的平均值)來確認該血管的內 部空間的形狀。在一實施例中，該公模可以例如通過三維列印方式形成。在另一實施例中，該公模的材質例如可以是丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯醇(PVA)、尼龍(nylon)、高密度聚乙烯(HDPE)或熱塑性聚氨酯(TPU)。在一範例中，熱塑性聚氨酯(TPU)是由異氰酸酯之硬段鏈及軟段鏈組成之混合物，可調整軟硬段之比例來調整成為不同性質之TPU材料(又稱Flexible產品)。市面上之Flexible產品有：Polymaker公司的PolyFlexTM(商標名)，NinjaFlex公司的SemiFlex產品與NinjaFlex產品。
在一實施例中，可在該公模的外表面上塗布一膠層，以避免後述的母模溶液滲入該公模的內部。該膠層的材質例如包含聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol；PVA)、硼砂(Sodium tetraborate decahydrate)和水。在一實施例中，該膠層的厚度例如介於0.05至0.1毫米之間。在另一實施例中，該膠層例如可透過塗布的方式形成在該公模的外表面上。
本發明一實施例之透光血管模型的製作方法10接著係步驟12：進行一母模形成步驟，形成一母模於該公模的一外表面上，其中該母模的形狀對應該血管的形狀，其中該母模形成步驟包含：進行一沾附步驟，以使該公模的該外表面上沾附一母模溶液，其中該沾附步驟係一浸塗步驟或一噴霧步驟，其中該浸塗步驟包含浸塗該公模至該母模溶液中5至15秒達3至4次，以使該公模的該外表面上沾附該母模溶液，以及該噴霧步驟包含噴霧一母模溶液至該公模的該外表面上持續5至15秒達3至4次，以使該公模的該外表面上沾附該母模溶液；進行一乾燥步驟，乾燥位於該公模的該外表面上的該母模溶液，以在該公模的該外表面上形成一部分的該母模；及重覆進行該沾附步驟及該乾燥步驟達3至4次，以形成該母模，其中該母模的材質是透光的。在本步驟12中，該浸塗步驟具有特定的步驟、時間與順序。在一實施例中，該浸塗步驟是浸塗該公模至一母模溶液中5至15秒達3至4次。若是小於3次(例如1至2次)，則無法使母模溶液均勻的沾附在該公模的表面上。這會導致進行該乾燥步驟時，一部分的母模無法均勻的形成，導致最後形成的透光血管模型的厚度不均勻。若是大於4次(例如5至10次)，則一部分的母模的厚度過厚，最後無法形成具有類似於血管彈性的透光血管模型。
另一方面，若是浸塗步驟中的時間小於5秒，則無法使母模溶液均勻的沾附在該公模的表面上。這會導致進行該乾燥步驟時，一部分的母模無法均勻的形成，導致最後形成的透光血管模型的厚度不均勻。反之，若是浸塗步驟中的時間大於15秒，則一部分的母模的厚度過厚，最後無法形成具有類似於血管彈性的透光血管模型。
同樣的，噴霧步驟也具有特定的步驟、時間與順序。在一實施例中，若是噴霧步驟中的時間小於5秒，則無法使母模溶液均勻的沾附在該公模的表面上。這會導致進行該乾燥步驟時，一部分的母模無法均勻的形成，導致最後形成的透光血管模型的厚度不均勻。反之，若是噴霧步驟中的時間大於15秒，則一部分的母模的厚度過厚，最後無法形成具有類似於血管彈性的透光血管模型。
在一實施例中，該乾燥步驟例如是在30至40℃下(例如約37℃)進行，直到該部分的母模固化於該公模的外表面上。在另一實施例，該乾燥步驟例如是通過在約40℃下的烘箱進行，直到該部分的母模固化於該公模的外表面上。
在一實施例中，該母模的材質例如包含聚二甲基矽氧烷(PDMS)。在一範例中，該母模溶液包含聚二甲基矽氧烷與硬化劑，其中聚二甲基矽氧烷與硬化劑的重量比例範圍例如介於5：1至50：1(例如10：1、15：1、20：1、25：1、30：1、35：1、40：1或45：1)。在另一實施例中，在該母模的材質例如包含聚二甲基矽氧烷(PDMS)的情形下，使用本發明實施例的透光血管模型的製作方法所製得的透光血管模型的一拉伸率介於150至300%之間。
值得一提的是，上述的沾附步驟與乾燥步驟需依序進行重覆3至4次以形成該母模。換言之，該母模是依序分批形成，例如重覆進行3次的沾附步驟與乾燥步驟的情況下，該母模是由3層結構所組成，同理，若是重覆進行4次的沾附步驟與乾燥步驟的情況下，該母模是由4層結構所組成。透過這種方式所形成的該母模可具有極佳的伸縮率(或稱彈性)。這邊要提到的是，使用澆注或灌注的方式所形成的母模無法達到如本發明實施例的伸縮率。換言之，本發明實施例的至少一特徵在於，透過浸塗步驟或噴霧步驟的特定步驟、順序、時間及次 數等等，以獲得具有極佳的伸縮率的母模。
本發明一實施例之透光血管模型的製作方法10接著最後係步驟13：透過一溶液溶解該公模，以使殘留的該母模形成該透光血管模型。在本步驟13中，由於該母模形成於該公模的外表面上，所以透過該溶液溶解該公模後，未被溶解的該母模形成該透光血管模型。換言之，該公模的材質與該溶液的材質對應。舉例而言，在該公模的材質包含丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)的情形下，該溶液的材質包含丙酮(Acetone)；在該公模的材質包含聚乳酸(PLA)的情形下，該溶液的材質包含氯仿及二氯甲烷(Chloroform and dichloromethane)；在該公模的材質包含聚乙烯醇(PVA)的情形下，以及該溶液的材質包含水；在該公模的材質包含尼龍(nylon)的情形下，該溶液的材質包含酚、飽和氯化鈣的甲醇溶液和濃甲酸(Phenols,calcium chloride-saturated methanol solution,and concentrated formic acid)；在該公模的材質包含高密度聚乙烯(HDPE)的情形下，以及該溶液的材質包含二甲苯(Xylene)；或者在該公模的材質包含熱塑性聚氨酯(TPU)的情形下，以及該溶液的材質包含二氯甲烷(Dichloromethane)。在一實施例中，在35至45℃下(例如約40℃)以該溶液溶解該公模達4至6小時(例如約5小時)，以使殘留的該母模形成該透光血管模型。
以下舉出數個實施例，以說明本發明實施例之透光血管模型的製作方法確實具有極佳的拉伸率。
實施例1
首先，通過三維列印方式提供對應一欲製作血管的內部空間的公模，其中該公模的材質包含丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。接著，進行浸塗步驟，浸塗該公模至一母模溶液中約5秒，接著從該母模溶液中移出該公模。進行前述的浸塗與移出共3次。該母模溶液包含聚二甲基矽氧烷與硬化劑，其中聚二甲基矽氧烷與硬化劑的重量比例範圍約為15：1。之後，進行乾燥步驟，以約37℃乾燥位於該公模的該外表面上的該母模溶液，以形成一部分的母模。重覆依序進行上述的浸塗步驟與乾燥步驟達3次，以形成該母模。最後，透過丙酮溶解該公模，以使殘留的該母模形成實施例1的透光血管模型。
實施例2與3
實施例2與3的製作方式大致上類似於實施例1，惟其不同之處在於浸塗步驟的時間分別為約10秒與約15秒。
實施例4至6
實施例4至6的製作方式大致上類似於實施例1，惟其不同之處在於將浸塗步驟替換為噴霧步驟，其中噴霧步驟例如噴霧一母模溶液至該公模的該外表面上分別持續約5秒、約10秒及約15秒的時間。
之後，對實施例1至6進行透光血管模型的管壁厚度與伸縮率分析，其中伸縮率的分析方式是測量該透光血管模型的管徑方向的伸縮率，例如在不受外力的情況下管徑為19毫米，而在管徑方向上施加一拉力，並且記錄該透光血管模型破裂時的管徑為57微米，則伸縮率為300%。分析結果請參照下表1。
Figure 108135255-A0305-02-0009-1
由上表1可知，浸塗步驟的時間越短，則透光血管模型的管壁厚度越薄，並且具有較佳的伸縮率。由上可知，本發明實施例的方法所製得的透光血管模型可透過修改浸塗步驟的時間來改變管壁厚度，以進一步符合實際的血管狀態。另外，所製得的透光血管模型具備優良的伸縮率，並且此伸縮率近似於實際的血管的伸縮率。因此，本發明實施例所製得的透光血管模型可根據實際的血管狀態製作，以獲得擬真的血管模型。
另外，噴霧步驟的時間越短，則透光血管模型的管壁厚度越薄。值得一提的是，雖然實施例5(或實施例6)具有高於實施例4的厚度，但實施例 5(或實施例6)的伸縮率較實施例4高。但要提到的是，實施例4至6的伸縮率皆具有近似於實際的血管的伸縮率。由上可知，本發明實施例的方法所製得的透光血管模型可透過修改噴霧步驟的時間來改變管壁厚度，以進一步符合實際的血管狀態。另外，所製得的透光血管模型具備優良的伸縮率，並且此伸縮率近似於實際的血管的伸縮率。因此，本發明實施例所製得的透光血管模型可根據實際的血管狀態製作，以獲得擬真的血管模型。
另一方面，本發明實施例的方法所製得的透光血管模型可應用於流場可視化技術中。例如，將該透光血管模型與循環馬達進行連接，並且在該透光血管模型通入可視化液體(例如含有具有各種顏色的染料的液體)，即可透過控制該循環馬達來模擬血液在血管中的流動狀態(例如介於0至1500mL/min，諸如100、200、300、500、700、900、1000、1200或1400mL/min)。對於上述的可視化系統中，還可透過一分析裝置分析流場速度、流量、壓力或管壁應力等數據，故可用於輔助判斷血管疾病的風險。此外，上述的可視化系統還包含一外流場裝置(例如一軟組織)，位於透光血管模型的外側。該軟組織可透過調整其形狀或性質，用於模擬血液在血管中流動的交互作用。由上可知，本發明實施例的方法所製得的透光血管模型可應用於流場可視化技術，並且所獲得的分析結果近似於血管的實際情況。
值得一提的是，本發明實施例的方法所製得的透光血管模型亦可應用於諸多產業中，例如教育產業。舉例而言，實習中的學生可通過上述運用於流場可視化技術中的透光血管模型來肉眼確認血液在各種血管中的流動狀態。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:透光血管模型的製作方法
11~13:步驟
第1圖是本發明一實施例之透光血管模型的製作方法的流程示意圖。
10:透光血管模型的製作方法
11~13:步驟

Claims (10)

  1. 一種透光血管模型的製作方法，包含步驟： 提供一公模，該公模的形狀對應一血管的內部空間； 進行一母模形成步驟，形成一母模於該公模的一外表面上，其中該母模的形狀對應該血管的形狀，其中該母模形成步驟包含： 進行一沾附步驟，以使該公模的該外表面上沾附一母模溶液，其中該沾附步驟係一浸塗步驟或一噴霧步驟，其中該浸塗步驟包含浸塗該公模至該母模溶液中5至15秒達3至4次，以使該公模的該外表面上沾附該母模溶液，以及該噴霧步驟包含噴霧一母模溶液至該公模的該外表面上持續5至15秒，以使該公模的該外表面上沾附該母模溶液； 進行一乾燥步驟，乾燥位於該公模的該外表面上的該母模溶液，以在該公模的該外表面上形成一部分的該母模；及 重覆進行該沾附步驟及該乾燥步驟達3至4次，以形成該母模，其中該母模的材質是透光的；以及 透過一溶液溶解該公模，以使殘留的該母模形成該透光血管模型。
  2. 如請求項1所述的透光血管模型的製作方法，其中該公模是通過三維列印方式形成。
  3. 如請求項1所述的透光血管模型的製作方法，其中該公模的材質包含丙烯腈丁二烯苯乙烯，以及該溶液的材質包含丙酮。
  4. 如請求項1所述的透光血管模型的製作方法，其中該公模的材質包含聚乳酸，以及該溶液的材質包含氯仿及二氯甲烷。
  5. 如請求項1所述的透光血管模型的製作方法，其中該公模的材質包含聚乙烯醇，以及該溶液的材質包含水。
  6. 如請求項1所述的透光血管模型的製作方法，其中該公模的材質包含尼龍，以及該溶液的材質包含酚、飽和氯化鈣的甲醇溶液和濃甲酸。
  7. 如請求項1所述的透光血管模型的製作方法，其中該公模的材質包含高密度聚乙烯，以及該溶液的材質包含二甲苯。
  8. 如請求項1所述的透光血管模型的製作方法，其中該公模的材質包含熱塑性聚氨酯，以及該溶液的材質包含二氯甲烷。
  9. 如請求項1所述的透光血管模型的製作方法，其中該母模的材質包含聚二甲基矽氧烷。
  10. 如請求項9所述的透光血管模型的製作方法，其中該透光血管模型的一拉伸率介於150至300%之間。
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