外文翻译三维重建和利用CT扫描和硅模型生产实际的腹主动脉瘤中文版.doc

毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 学 号： 外文出处： Journal of Biomechanical Engineering 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语：译文基本能表达原文思想，语句较流畅，条理较清晰，专业用语翻译基本准确，基本符合中文习惯，整体翻译质量一般。 签名： 年 月 日附件1：外文资料翻译译文三维重建和利用CT扫描和硅模型生产实际的腹主动脉瘤B. J. Doyle应用生物医学工程研究中心材料和表面科学学会， 利默里克大学， 爱尔兰利默里克L. G. Morris戈尔韦医疗技术中心， 戈尔韦梅奥技术学院，A. CallananP. Kelly应用生物医学工程研究中心材料和表面科学学会， 利默里克大学， 利默里克，爱尔兰 D. A. Vorp外科手术部，生物工程部， 麦高恩再生医学研究院， 和中心血管重塑和再生中心， 美国匹兹堡大学， 宾夕法尼亚州匹兹堡 T. M. McGloughlin11应用生物医学工程研究中心， 材料和表面科学学会， 利默里克大学利默里克，爱尔兰电子信箱： tim.mcgloughlin ul.ie腹主动脉瘤（ AAA）可以被定义为一个永久性和不可逆转的扩张的下腹主动脉。腹主动脉瘤常被认为是一个直径为正常下腹主动脉直径1.5倍的主动脉。本文描述了制造实际可行的用于实验研究的有机硅腹主动脉瘤模型。本文关系到病人特异性腹主动脉瘤的重建和制造过程。从计算断层照相法扫描的数据的三维重建可以创建腹主动脉瘤。然后利用计算机辅助设计/计算机辅助制造技术并且结合注射成型的方法对这些腹主动脉瘤模型进行设计。硅橡胶塑造是产生腹主动脉瘤模型的基础。壁厚的确定和总体比例不同于最后在计算机上生成的硅模型。在这些实际可行的腹主动脉瘤型号中，发现壁厚有平均9.21 的差异。这个记录的壁厚百分比差异可以认为是铸造石蜡的收缩和有机硅在模型制造过程中扩大。这种方法可以与使用光的方法研究壁应力或利用激光多普勒技术研究流体动力学连接起来。总之，这些病人特异性橡胶腹主动脉瘤模型可以被用于实验科学研究，但是一旦进行制造就要对壁厚的可变性进行估计。关键词：腹主动脉瘤（ AAA），三维重建，有机硅引言一个腹主动脉瘤（ AAA）可以被定义为一个永久性和不可逆转的扩张的下腹主动脉1。腹主动脉瘤已被认为是一个直径为正常下腹主动脉直径1.5倍的主动脉2。目前，外科手术的介入时机是由腹主动脉瘤的最大直径决定的。腹主动脉瘤的直径大于5厘米时被认为是破裂的最高风险时期。许多工作已经针对这些动脉瘤破裂预测，特别是使用有限元素的分析来测定壁应力3-8。虽然是利用数值研究来加强对腹主动脉瘤壁起作用的压力了解，但对于这个特别的腹主动脉瘤事例有着明显的好处，这些技术的验证同样重要。为实验研究制造病人特异性腹主动脉瘤模型的能力可以延续壁应力技术的使用。这些实际可行的有机硅模可以被使用，不仅应用于应力分析，就像莫里森的光测弹性工作。9， 而且也应用于流体动力学研究及手术后的实验测试，如支架移植牵引试验。 该模型的创建是通过首先重建一个实际可行的腹主动脉瘤模型，从而引导模具设计，然后通过注射成型技术来制造。以前的研究已经验证了利用快速成型作为一种弹性复制品动脉血管的生产方法10。这种方法虽然快速、有效，但是不能达到可实现采用注射成型工艺的表面光洁度要求。当使用动脉模型通过光弹性的方法做实验测试时表面光洁度是最重要的，如先前在我们实验室控制的9 。为了在模型中使用激光多普勒技术（LDA）11其他技术也被应用了。并且还对激光粒子图像测速技术PIV流动作了研究，在表面光洁度不是太重要时对壁应力进行研究。这个研究的主要目的是描述这个技术在建模和制造过程中的应用，并且确定这个技术的效力。这个利用标准计算断层照相法扫描来转换成病人特异性硅模型的过程，在这一领域对许多研究人员来说都是很有价值的。方法三维重建4名病人被选为我们的腹主动脉瘤的资料库。之后每个病人的CT扫描会被输入到MIMICS这个软件包。该软件允许二维CT扫描转换到准确几何形状的逼真的三维模型。软件采用了游行平方算法，按照预定的灰度值进行CT扫描阈值和部分地区。一旦被分割，该软件就生成多义线围绕该部分区域，用户平滑的控制水平。这个图像分割和多义线产生的例子可以从图1中看出。在这项研究中，多义线创造了每扫描大约20 控制点，给予了无模型准确性损失的最有利滤波。这些多义线之后作为初始图形互换说明的格式被输出。之前的工作已经利用了重建软件的各种其他形式，如接穗图像12。对这项工作的模仿验证已经执行了，以重建方法间1.2 的差异被确定。 图1 CT扫描的分割和多义线发生。a图表示全部的CT扫描，而b图是一个研究区域的特写镜头。对于模型设计而言，腹主动脉瘤被认为是管腔和管内血栓的全部容积。计算机辅助设计 (CAD) 模仿多义线的产生被输入PROENGINEER野火版2.0 （PTC，Parametric技术）。然后沿着这些多义线表面被再创造。 这些表面然后被准确的分为两半，从而创造了一个在制造技术中使用的两面模具系列。每个特异性模具的设计都包含两个模具系列。第一个模型的设计用于产生腹主动脉瘤的铸造蜡模型，第二个模型用于产生外面的硅模型。这个外模型的整体区域大约比蜡模型大2毫米。因此产生蜡模型时壁厚要厚2毫米。一个腹主动脉瘤模型的壁厚可以在0.23到4.33毫米范围内波动13。一个2毫米的壁厚是个合理的假设，并且已经在目前的研究中被使用14。模具设计例子见图2。每一个外模具的设计都包含支持内部蜡的铸造，以确保较大的外模型里蜡模型的位置。这项研究中的四个腹主动脉瘤中，有三个腹主动脉瘤的塑造是没有髂动脉的（病人A、B、C），一个腹主动脉瘤是包含骼动脉的（病人D）。对于涉及应力分析的实验研究，髂动脉被认为是不重要的，而对流体动力学和支架移植试验，髂动脉却是最重要的。设计没有髂动脉的模具时，有包括腹主动脉瘤近端和远端区域的圆柱形部分，允许附着实验测试设备。 图2 病人特异性腹主动脉瘤模型设计举例。A图是 带有骼动脉的模型设计，而b图是不带骼动脉的。计算机辅助制造（CAM）一旦模具已经在PROENGINEER中设计，这个设计就再次以IGES的格式输出。为了产生刀具命令用来控制铣床，这些文件被导入到AlphaCAM这个软件包，每个模型建立了相同的参考点，因此模型段精确地安装在了一起，以确保所产生的模型有一个几乎可以忽略不计的接合线。加工方法是采用3轴计算机数控制数控铣床。模具从一固体铝块开始加工，并且通过手工移除铣削过程中任何不想要的毛刺来完成加工。图3为一模型段加工的例子。该插图表明了腹主动脉瘤近端和远端区域的设计包含了扩展的区域。并且这个入口通过了浇蜡部位。加工后的每个模型都增加了必要的洞和喷口。 图3 内部腹主动脉瘤模型段加工举例模型制作所有模件的模片在使用之前都要用丙酮清洗。蜡模预热至40°C来减少浇蜡时的收缩。一个浇铸蜡（Castylene B581, REMET Corporation）被用于浇铸的管腔. 这个浇铸的管腔然后涂上瓦克保护膜SF18（瓦克化学有限责任公司）。这个浇铸的管腔然后放入外模具，在这里涂上可释放剂（Wacker Mould Release）然后夹紧。那个硅橡胶（Wacker RT601）然后准备好并慢慢注入预热的外模具中。当考虑到大的张紧力时硅橡胶被认为是一个好的动脉类似物。然后把模具放入温度为50的烤箱，加工处理24小时。一旦处理完成，移走模型，并且温度上升到100 ，以融化模具上的蜡。然后对产生的硅树脂模型彻底清洗，干燥，并检查暇疵。完整的程序可以看附录。结果拆卸模具每个模具被拆卸成一个有规律的间隔时间来估计与CAD模型相比产生硅模型的空间准确性。每个腹主动脉瘤硅模型使用的手术刀沿着左右两面进行了仔细地分割，从而使每一个模型分成两半。每个半模型，然后沿模型的长度在轴向切成10毫米的间隔，为每个病人特异性模型留下了一系列的横截面切片。壁厚测量对于硅模型的每一个横截面切片，在沿着边缘四个90度的位置对壁厚进行测量。因此，要沿着整个腹主动脉瘤模型的左、右、前、后壁进行壁厚测量。测量可以使用一个数字式的千分尺。每个腹主动脉瘤模型的测量示数范围为40到60示数，由病人决定。平均为测量结果，然后以实际的硅模型与2mm壁厚CAD模型间百分比差异平均到每个病人差异性硅模型。标准偏差也包含在结果中。测量结果中可以见表1 ，并且表2把每种病人的平均壁厚作为一个整体进行了归纳。百分比差异涉及到硅模型壁厚和模具设计中原来的 2mm壁厚间的差异。病人D的腹主动脉瘤模型包括髂动脉。表1 腹主动脉瘤壁四个方向的平均壁厚尺寸 表2 每个病人特异性腹主动脉瘤的平均壁厚 壁压分布图4表明了病人A的冯米塞斯壁应力分布和发生最高压力的区域。结果表明腹主动脉瘤模型的最高压力是0.533 帕并且位于腹主动脉瘤的前壁。有限元分析（FEA）结果与验证实验中壁应力的研究可以促进数值研究在腹主动脉瘤破裂预测领域中运用。在腹主动脉瘤模型中壁应力实验的更详细研究目前正在发展。这里将对初步有限元分析进行详述。 图4 例如病人A的有限元分析冯米塞斯壁应力分布显示出前壁峰值应力的一个区域。那个相应的模片和同一病人产生的硅模型在这张图的右边可以看出。讨论这项研究描述了一个制造带有和不带有髂动脉的病人特异性橡胶腹主动脉瘤模型的程序。三维重建技术使用的商用软件是配合CAD / CAM技术来实现理想的模具设计，使用注射成型的方法来形成实际可行的腹主动脉瘤模型。先前的研究14，16已经使用类似的技术来生产血管的橡胶模型。这项研究中的模具发展具有较高的复杂性。这些模型重现硅可用于血管血液动力学的实验测试，壁应力分析，和支架移植的研究，所有这些都可有助于数值研究的实验验证。这种技术可以允许其他研究人员开始制造实际可行的腹主动脉瘤硅模型以用于他们的实验工作。近年来，重点放在了数值研究的运用，以试图预测腹主动脉瘤破裂。利用实验研究到达这个领域也是重要的。不仅能帮助腹主动脉瘤模型验证目的，也可能会成为腹主动脉瘤破裂预测有价值的研究。对于每个病人特异性模型的创建，壁厚是最可变因素。据报道13腹主动脉瘤壁厚范围在0.23毫米到4.33毫米的范围内，与主动脉壁厚在1.1毫米到3.4毫米的范围内7,17,18 。四种模具的平均壁厚为2.26mm±0.39mm。在这项研究中，壁厚位于先前研究的记录范围内，因此是可以接受的。这个壁厚结果与奥布赖恩等人在实际可行的主动脉上的研究相比也是满意的。14，记录了实际可行的主动脉壁厚为2.26mm±0.39mm的人。虽然壁厚似乎是在一个可接受的范围内，但是设计的模具壁厚有2毫米。产生的硅树脂模型壁厚有平均9.21%差异不同于模具设计，由于蜡铸件凝固过程中的收缩和硅加工过程中的热膨胀。奥布赖恩等人也研究了这个技术的这些限制因素14。以前工作记录的模具设计中的壁厚百分比差异范围从20%为现实的直线节的主动脉，以58 为一段大隐静脉。本研究中发现的结果被认为是可以接受的，这个比例差异大大低于以前的报告14。还应该提到的是这里制作的模型是完整的腹主动脉瘤模型，并且不是直的脉管部分，因此，人们预测这个百分比差异会高于先前的报告14。因此，建立了用这个方法来制作这些模型的信心。壁厚的统一性问题也应该得到解决。在模具设计，壁厚定为2毫米，因此，由此产生的硅模型也应该有一个统一的壁厚。由于上述原因，就是，蜡硅收缩和扩张，每个腹主动脉瘤模型壁厚的变化。壁厚的这些差异可以归因于这些病人特异性腹主动脉瘤模型复杂和曲折的几何形状。奥布赖恩等人也指出了这个极限14。奥布赖恩14和崇等人16制作了理想的血管模型，并在这些非常简单的模型中，壁的统一性问题是容易克服的。从而突出了不仅对CAD/CAM的制作也对模具本身制造来说实际的几何形状难度增加的事实。在这些实验模型中使用一个统一的壁被认为是不恰当的，因为它是已知的，实际的腹主动脉瘤壁组织可以包括各种形式的动脉钙化组织和血栓，因而通常是不均匀的。一会这些地区的钙化组织和血栓可从CT扫描中检测，它们在模型壁中的结合介绍了额外的复杂性。首先，腹主动脉瘤壁不同材料的结合大大增加了计算，例如用数值方程来求解这些区域的壁应力变得极为复杂。其次，生产已知统一壁的实际的硅模型的主要目的是实验上证实相同腹主动脉瘤模型数值研究。先前很多的工作，就腹主动脉瘤的数值应力分析使用统一的壁已进行测试。之前，我们在证明已知的统一壁厚的理想化腹主动脉瘤模型9上的工作很成功，并且为使用相同技术对实际的腹主动脉瘤模型进行测试铺设了道路。这个实验光测弹性工作在一个理想的腹主动脉瘤模型上被我们小组证实了多次23，证实了模型上最高应力的位置。计划使用这个描述的程序来重新定义硅模型非均匀的概念。在这个实验室，腹主动脉瘤模型上血栓的包含物工作已经开始了。有人已经提议6使用流体结构相互作用的办法进行应力分析可能会比用有限元分析方法产生更精确的壁应力。一些研究表明壁应力增加了<1 的百分比 ，而另一些报道说增长范围从12.5 6 到了20.5 20。由于对于使用流体结构相互作用方法研究壁应力有矛盾的结论，这些统一壁厚腹主动脉瘤模型可以帮助验证研究应力的这两种方法。在我们的实验室已经展开了使用流体结构相互作用的工作，采用网格基础的平行代码耦合界面软件（MPCCI 3.0.6 ，弗劳恩霍夫SCAI ，德国），将ABAQUS 和FLUENT联系在一起来获得实际的壁应力值。值得注意的是，使用一个统一的壁被广泛地用于流体结构相互作用的研究5,6,1922，因此，这项未来的工作将允许基于相同壁厚的实际腹主动脉瘤模型壁应力的数字和实验验证。结论该程序用于制造病人特异性腹主动脉瘤模型已被描述。在橡胶模型的再现性中已经建立了信心，并指出了限制性。一般来说，良好的几何精度的橡胶模型可通过合理的模具设计和有机硅生产中控制参数的使用来生产。模型显示，设计模具和产生的有机硅模型之间的最高比例差为9.21 。证明了壁厚的均匀是最难控制的参数，完成的硅模型通常要在实验测试开始前进行检验和评估。这项技术通过光的方法可帮助数值的验证9，或者通过实验测试，如激光多普勒技术或粒子图像测速。总之，三维重建与CAD / CAM技术在复制病人特异性橡胶腹主动脉瘤模型的应用证明是成功的，并可能有助于病人特异性腹主动脉瘤模型在实验测试中的使用。因此，壁厚均匀的有机硅腹主动脉瘤模型的使用将有助于数值工作的验证，既壁应力研究和血流动力学.致谢作者要感谢（1）爱尔兰科学研究理事会，工程和技术格兰特编号RS/2005/340 ，（2）来自美国国家心肺和血液研究所的格兰编号R01-HL-060670，（3）埃蒙卡瓦纳医生， 一个在利默里克中西部地区医院的医生，他帮助收集病人的数据和背景资料， 和（4）来自血管重塑和再生中心的萨马斯沙阿。附录实际的模型制造创造主要的蜡模型，按照下列给出的步骤。1 第一套模具用于创建蜡模型。 2 用丙酮清洁模具的表面;确保不受不精确部分的影响并且为模具涂上释放剂。3 两个模具螺栓件紧密配合。 4 在一个150的热板上熔化铸造蜡。5 预热模具至40摄氏度。6 将模具放在45度的角度位置，帮助液体蜡流入模型，并且尽量减少陷阱空气的危险，这样会形成空隙和气泡。 7 蜡缓慢倒入到模具中尽可能防止飞溅，因为这样也会形成空隙。当腔灌满后，模具再放回垂直位置，来完成浇蜡。8 然后把蜡放在室温中4小时。在此冷却期间，模具用槌轻轻地敲打来使里面的空气上升到表面来。9 由于蜡的冷却和固化，额外的蜡被增加到模型中，以确保是一个完整的蜡模具。 10 打开模型，小心地从模型上取下模具。创建有机硅模型，按照下列给出的步骤。 1 按照比例要求混合硅酮和药物作用剂（9：1）2 用手混合材料组成， 2分钟就足够了。这种液态硅将表示主动脉壁。液体硅一旦包含手工混合带入的气泡则必须移除。元件在室温下混合的工作时间大约要90分钟。 3 为了消除困住的气泡，将硅橡胶的容器放入一个冷藏室直到所有气泡自然消除。持续的时间取决于液态硅的粘性，时间在1小时到3小时范围内。4 一旦所有的空气都被消除，将所有的液态硅吸入到一个60毫升的注射器中。 5 用丙酮清洁第二套铝模具。6在铝模具上喷涂上一层硅模具释放剂。7 认真清除任何多余的物质和蜡模型上的闪光。8 涂上外壳保护膜瓦克SF18（瓦克化学有限责任公司）到蜡模型。完成好了后，等待2分钟。 9将内部蜡模型放入外部的铝模型中确保蜡模型的放置在某种程度上允许壁厚均匀。 10 将两个铝模具紧密拴紧。11 用密封剂将模具周围边缘密封，以避免任何模具上不必要的泄漏。 12 使用60毫升的注射器将液态硅慢慢注入铝模中浇铸。 13 一旦液态硅注入，将模具放入50 的烤箱里，为期24小时14 一旦完成了，打开浇铸模并且认真移下硅和蜡模型。 15 把硅和蜡模型放到100°C的烤箱中至融化。参考文献1 Sakalihasan, N., Limet, R., and Defawe, O. 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