外文翻譯三維重建和利用CT掃描和硅模型生產(chǎn)實際的腹主動脈瘤中文版

1、畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯系部： 機械工程 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 學(xué) 號： 外文出處： Journal of Biomechanical Engineering 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語：譯文基本能表達(dá)原文思想，語句較流暢，條理較清晰，專業(yè)用語翻譯基本準(zhǔn)確，基本符合中文習(xí)慣，整體翻譯質(zhì)量一般。 簽名： 年 月 日附件1：外文資料翻譯譯文三維重建和利用CT掃描和硅模型生產(chǎn)實際的腹主動脈瘤B. J. Doyle應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)工程研究中心材料和表面科學(xué)學(xué)會， 利默里克大學(xué)， 愛爾蘭利默里克L. G. Morris戈爾韋醫(yī)療技術(shù)中心， 戈爾韋梅奧技術(shù)

2、學(xué)院，A. CallananP. Kelly應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)工程研究中心材料和表面科學(xué)學(xué)會， 利默里克大學(xué)， 利默里克，愛爾蘭 D. A. Vorp外科手術(shù)部，生物工程部， 麥高恩再生醫(yī)學(xué)研究院， 和中心血管重塑和再生中心， 美國匹茲堡大學(xué)， 賓夕法尼亞州匹茲堡 T. M. McGloughlin11應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)工程研究中心， 材料和表面科學(xué)學(xué)會， 利默里克大學(xué)利默里克，愛爾蘭電子信箱： tim.mcgloughlin ul.ie腹主動脈瘤（ AAA）可以被定義為一個永久性和不可逆轉(zhuǎn)的擴張的下腹主動脈。腹主動脈瘤常被認(rèn)為是一個直徑為正常下腹主動脈直徑1.5倍的主動脈。本文描述了制造實際可行的用于實

3、驗研究的有機硅腹主動脈瘤模型。本文關(guān)系到病人特異性腹主動脈瘤的重建和制造過程。從計算斷層照相法掃描的數(shù)據(jù)的三維重建可以創(chuàng)建腹主動脈瘤。然后利用計算機輔助設(shè)計/計算機輔助制造技術(shù)并且結(jié)合注射成型的方法對這些腹主動脈瘤模型進(jìn)行設(shè)計。硅橡膠塑造是產(chǎn)生腹主動脈瘤模型的基礎(chǔ)。壁厚的確定和總體比例不同于最后在計算機上生成的硅模型。在這些實際可行的腹主動脈瘤型號中，發(fā)現(xiàn)壁厚有平均9.21 的差異。這個記錄的壁厚百分比差異可以認(rèn)為是鑄造石蠟的收縮和有機硅在模型制造過程中擴大。這種方法可以與使用光的方法研究壁應(yīng)力或利用激光多普勒技術(shù)研究流體動力學(xué)連接起來?？傊@些病人特異性橡膠腹主動脈瘤模型可以被用于實驗科學(xué)

4、研究，但是一旦進(jìn)行制造就要對壁厚的可變性進(jìn)行估計。關(guān)鍵詞：腹主動脈瘤（ AAA），三維重建，有機硅引言一個腹主動脈瘤（ AAA）可以被定義為一個永久性和不可逆轉(zhuǎn)的擴張的下腹主動脈1。腹主動脈瘤已被認(rèn)為是一個直徑為正常下腹主動脈直徑1.5倍的主動脈2。目前，外科手術(shù)的介入時機是由腹主動脈瘤的最大直徑?jīng)Q定的。腹主動脈瘤的直徑大于5厘米時被認(rèn)為是破裂的最高風(fēng)險時期。許多工作已經(jīng)針對這些動脈瘤破裂預(yù)測，特別是使用有限元素的分析來測定壁應(yīng)力3-8。雖然是利用數(shù)值研究來加強對腹主動脈瘤壁起作用的壓力了解，但對于這個特別的腹主動脈瘤事例有著明顯的好處，這些技術(shù)的驗證同樣重要。為實驗研究制造病人特異性腹主動脈

5、瘤模型的能力可以延續(xù)壁應(yīng)力技術(shù)的使用。這些實際可行的有機硅?？梢员皇褂?，不僅應(yīng)用于應(yīng)力分析，就像莫里森的光測彈性工作。9， 而且也應(yīng)用于流體動力學(xué)研究及手術(shù)后的實驗測試，如支架移植牽引試驗。 該模型的創(chuàng)建是通過首先重建一個實際可行的腹主動脈瘤模型，從而引導(dǎo)模具設(shè)計，然后通過注射成型技術(shù)來制造。以前的研究已經(jīng)驗證了利用快速成型作為一種彈性復(fù)制品動脈血管的生產(chǎn)方法10。這種方法雖然快速、有效，但是不能達(dá)到可實現(xiàn)采用注射成型工藝的表面光潔度要求。當(dāng)使用動脈模型通過光彈性的方法做實驗測試時表面光潔度是最重要的，如先前在我們實驗室控制的9 。為了在模型中使用激光多普勒技術(shù)（LDA）11其他技術(shù)也被應(yīng)用了

6、。并且還對激光粒子圖像測速技術(shù)PIV流動作了研究，在表面光潔度不是太重要時對壁應(yīng)力進(jìn)行研究。這個研究的主要目的是描述這個技術(shù)在建模和制造過程中的應(yīng)用，并且確定這個技術(shù)的效力。這個利用標(biāo)準(zhǔn)計算斷層照相法掃描來轉(zhuǎn)換成病人特異性硅模型的過程，在這一領(lǐng)域?qū)υS多研究人員來說都是很有價值的。方法三維重建4名病人被選為我們的腹主動脈瘤的資料庫。之后每個病人的CT掃描會被輸入到MIMICS這個軟件包。該軟件允許二維CT掃描轉(zhuǎn)換到準(zhǔn)確幾何形狀的逼真的三維模型。軟件采用了游行平方算法，按照預(yù)定的灰度值進(jìn)行CT掃描閾值和部分地區(qū)。一旦被分割，該軟件就生成多義線圍繞該部分區(qū)域，用戶平滑的控制水平。這個圖像分割和多義線

7、產(chǎn)生的例子可以從圖1中看出。在這項研究中，多義線創(chuàng)造了每掃描大約20 控制點，給予了無模型準(zhǔn)確性損失的最有利濾波。這些多義線之后作為初始圖形互換說明的格式被輸出。之前的工作已經(jīng)利用了重建軟件的各種其他形式，如接穗圖像12。對這項工作的模仿驗證已經(jīng)執(zhí)行了，以重建方法間1.2 的差異被確定。 圖1 CT掃描的分割和多義線發(fā)生。a圖表示全部的CT掃描，而b圖是一個研究區(qū)域的特寫鏡頭。對于模型設(shè)計而言，腹主動脈瘤被認(rèn)為是管腔和管內(nèi)血栓的全部容積。計算機輔助設(shè)計 (CAD) 模仿多義線的產(chǎn)生被輸入PROENGINEER野火版2.0 （PTC，Parametric技術(shù)）。然后沿著這些多義線表面被再創(chuàng)造。

8、這些表面然后被準(zhǔn)確的分為兩半，從而創(chuàng)造了一個在制造技術(shù)中使用的兩面模具系列。每個特異性模具的設(shè)計都包含兩個模具系列。第一個模型的設(shè)計用于產(chǎn)生腹主動脈瘤的鑄造蠟?zāi)Ｐ停诙€模型用于產(chǎn)生外面的硅模型。這個外模型的整體區(qū)域大約比蠟?zāi)Ｐ痛?毫米。因此產(chǎn)生蠟?zāi)Ｐ蜁r壁厚要厚2毫米。一個腹主動脈瘤模型的壁厚可以在0.23到4.33毫米范圍內(nèi)波動13。一個2毫米的壁厚是個合理的假設(shè)，并且已經(jīng)在目前的研究中被使用14。模具設(shè)計例子見圖2。每一個外模具的設(shè)計都包含支持內(nèi)部蠟的鑄造，以確保較大的外模型里蠟?zāi)Ｐ偷奈恢谩＿@項研究中的四個腹主動脈瘤中，有三個腹主動脈瘤的塑造是沒有髂動脈的（病人A、B、C），一個腹主動脈瘤

9、是包含骼動脈的（病人D）。對于涉及應(yīng)力分析的實驗研究，髂動脈被認(rèn)為是不重要的，而對流體動力學(xué)和支架移植試驗，髂動脈卻是最重要的。設(shè)計沒有髂動脈的模具時，有包括腹主動脈瘤近端和遠(yuǎn)端區(qū)域的圓柱形部分，允許附著實驗測試設(shè)備。 圖2 病人特異性腹主動脈瘤模型設(shè)計舉例。A圖是 帶有骼動脈的模型設(shè)計，而b圖是不帶骼動脈的。計算機輔助制造（CAM）一旦模具已經(jīng)在PROENGINEER中設(shè)計，這個設(shè)計就再次以IGES的格式輸出。為了產(chǎn)生刀具命令用來控制銑床，這些文件被導(dǎo)入到AlphaCAM這個軟件包，每個模型建立了相同的參考點，因此模型段精確地安裝在了一起，以確保所產(chǎn)生的模型有一個幾乎可以忽略不計的接合線。加

10、工方法是采用3軸計算機數(shù)控制數(shù)控銑床。模具從一固體鋁塊開始加工，并且通過手工移除銑削過程中任何不想要的毛刺來完成加工。圖3為一模型段加工的例子。該插圖表明了腹主動脈瘤近端和遠(yuǎn)端區(qū)域的設(shè)計包含了擴展的區(qū)域。并且這個入口通過了澆蠟部位。加工后的每個模型都增加了必要的洞和噴口。 圖3 內(nèi)部腹主動脈瘤模型段加工舉例模型制作所有模件的模片在使用之前都要用丙酮清洗。蠟?zāi)ｎA(yù)熱至40°C來減少澆蠟時的收縮。一個澆鑄蠟（Castylene B581, REMET Corporation）被用于澆鑄的管腔. 這個澆鑄的管腔然后涂上瓦克保護(hù)膜SF18（瓦克化學(xué)有限責(zé)任公司）。這個澆鑄的管腔然后放入外模具，

11、在這里涂上可釋放劑（Wacker Mould Release）然后夾緊。那個硅橡膠（Wacker RT601）然后準(zhǔn)備好并慢慢注入預(yù)熱的外模具中。當(dāng)考慮到大的張緊力時硅橡膠被認(rèn)為是一個好的動脈類似物。然后把模具放入溫度為50的烤箱，加工處理24小時。一旦處理完成，移走模型，并且溫度上升到100 ，以融化模具上的蠟。然后對產(chǎn)生的硅樹脂模型徹底清洗，干燥，并檢查暇疵。完整的程序可以看附錄。結(jié)果拆卸模具每個模具被拆卸成一個有規(guī)律的間隔時間來估計與CAD模型相比產(chǎn)生硅模型的空間準(zhǔn)確性。每個腹主動脈瘤硅模型使用的手術(shù)刀沿著左右兩面進(jìn)行了仔細(xì)地分割，從而使每一個模型分成兩半。每個半模型，然后沿模型的長度在

12、軸向切成10毫米的間隔，為每個病人特異性模型留下了一系列的橫截面切片。壁厚測量對于硅模型的每一個橫截面切片，在沿著邊緣四個90度的位置對壁厚進(jìn)行測量。因此，要沿著整個腹主動脈瘤模型的左、右、前、后壁進(jìn)行壁厚測量。測量可以使用一個數(shù)字式的千分尺。每個腹主動脈瘤模型的測量示數(shù)范圍為40到60示數(shù)，由病人決定。平均為測量結(jié)果，然后以實際的硅模型與2mm壁厚CAD模型間百分比差異平均到每個病人差異性硅模型。標(biāo)準(zhǔn)偏差也包含在結(jié)果中。測量結(jié)果中可以見表1 ，并且表2把每種病人的平均壁厚作為一個整體進(jìn)行了歸納。百分比差異涉及到硅模型壁厚和模具設(shè)計中原來的 2mm壁厚間的差異。病人D的腹主動脈瘤模型包括髂動脈

13、。表1 腹主動脈瘤壁四個方向的平均壁厚尺寸 表2 每個病人特異性腹主動脈瘤的平均壁厚 壁壓分布圖4表明了病人A的馮米塞斯壁應(yīng)力分布和發(fā)生最高壓力的區(qū)域。結(jié)果表明腹主動脈瘤模型的最高壓力是0.533 帕并且位于腹主動脈瘤的前壁。有限元分析（FEA）結(jié)果與驗證實驗中壁應(yīng)力的研究可以促進(jìn)數(shù)值研究在腹主動脈瘤破裂預(yù)測領(lǐng)域中運用。在腹主動脈瘤模型中壁應(yīng)力實驗的更詳細(xì)研究目前正在發(fā)展。這里將對初步有限元分析進(jìn)行詳述。 圖4 例如病人A的有限元分析馮米塞斯壁應(yīng)力分布顯示出前壁峰值應(yīng)力的一個區(qū)域。那個相應(yīng)的模片和同一病人產(chǎn)生的硅模型在這張圖的右邊可以看出。討論這項研究描述了一個制造帶有和不帶有髂動脈的病人特異

14、性橡膠腹主動脈瘤模型的程序。三維重建技術(shù)使用的商用軟件是配合CAD / CAM技術(shù)來實現(xiàn)理想的模具設(shè)計，使用注射成型的方法來形成實際可行的腹主動脈瘤模型。先前的研究14，16已經(jīng)使用類似的技術(shù)來生產(chǎn)血管的橡膠模型。這項研究中的模具發(fā)展具有較高的復(fù)雜性。這些模型重現(xiàn)硅可用于血管血液動力學(xué)的實驗測試，壁應(yīng)力分析，和支架移植的研究，所有這些都可有助于數(shù)值研究的實驗驗證。這種技術(shù)可以允許其他研究人員開始制造實際可行的腹主動脈瘤硅模型以用于他們的實驗工作。近年來，重點放在了數(shù)值研究的運用，以試圖預(yù)測腹主動脈瘤破裂。利用實驗研究到達(dá)這個領(lǐng)域也是重要的。不僅能幫助腹主動脈瘤模型驗證目的，也可能會成為腹主動脈

15、瘤破裂預(yù)測有價值的研究。對于每個病人特異性模型的創(chuàng)建，壁厚是最可變因素。據(jù)報道13腹主動脈瘤壁厚范圍在0.23毫米到4.33毫米的范圍內(nèi)，與主動脈壁厚在1.1毫米到3.4毫米的范圍內(nèi)7,17,18 。四種模具的平均壁厚為2.26mm±0.39mm。在這項研究中，壁厚位于先前研究的記錄范圍內(nèi)，因此是可以接受的。這個壁厚結(jié)果與奧布賴恩等人在實際可行的主動脈上的研究相比也是滿意的。14，記錄了實際可行的主動脈壁厚為2.26mm±0.39mm的人。雖然壁厚似乎是在一個可接受的范圍內(nèi)，但是設(shè)計的模具壁厚有2毫米。產(chǎn)生的硅樹脂模型壁厚有平均9.21%差異不同于模具設(shè)計，由于蠟鑄件凝固過

16、程中的收縮和硅加工過程中的熱膨脹。奧布賴恩等人也研究了這個技術(shù)的這些限制因素14。以前工作記錄的模具設(shè)計中的壁厚百分比差異范圍從20%為現(xiàn)實的直線節(jié)的主動脈，以58 為一段大隱靜脈。本研究中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果被認(rèn)為是可以接受的，這個比例差異大大低于以前的報告14。還應(yīng)該提到的是這里制作的模型是完整的腹主動脈瘤模型，并且不是直的脈管部分，因此，人們預(yù)測這個百分比差異會高于先前的報告14。因此，建立了用這個方法來制作這些模型的信心。壁厚的統(tǒng)一性問題也應(yīng)該得到解決。在模具設(shè)計，壁厚定為2毫米，因此，由此產(chǎn)生的硅模型也應(yīng)該有一個統(tǒng)一的壁厚。由于上述原因，就是，蠟硅收縮和擴張，每個腹主動脈瘤模型壁厚的變化。壁厚

17、的這些差異可以歸因于這些病人特異性腹主動脈瘤模型復(fù)雜和曲折的幾何形狀。奧布賴恩等人也指出了這個極限14。奧布賴恩14和崇等人16制作了理想的血管模型，并在這些非常簡單的模型中，壁的統(tǒng)一性問題是容易克服的。從而突出了不僅對CAD/CAM的制作也對模具本身制造來說實際的幾何形狀難度增加的事實。在這些實驗?zāi)Ｐ椭惺褂靡粋€統(tǒng)一的壁被認(rèn)為是不恰當(dāng)?shù)?，因為它是已知的，實際的腹主動脈瘤壁組織可以包括各種形式的動脈鈣化組織和血栓，因而通常是不均勻的。一會這些地區(qū)的鈣化組織和血栓可從CT掃描中檢測，它們在模型壁中的結(jié)合介紹了額外的復(fù)雜性。首先，腹主動脈瘤壁不同材料的結(jié)合大大增加了計算，例如用數(shù)值方程來求解這些區(qū)域

18、的壁應(yīng)力變得極為復(fù)雜。其次，生產(chǎn)已知統(tǒng)一壁的實際的硅模型的主要目的是實驗上證實相同腹主動脈瘤模型數(shù)值研究。先前很多的工作，就腹主動脈瘤的數(shù)值應(yīng)力分析使用統(tǒng)一的壁已進(jìn)行測試。之前，我們在證明已知的統(tǒng)一壁厚的理想化腹主動脈瘤模型9上的工作很成功，并且為使用相同技術(shù)對實際的腹主動脈瘤模型進(jìn)行測試鋪設(shè)了道路。這個實驗光測彈性工作在一個理想的腹主動脈瘤模型上被我們小組證實了多次23，證實了模型上最高應(yīng)力的位置。計劃使用這個描述的程序來重新定義硅模型非均勻的概念。在這個實驗室，腹主動脈瘤模型上血栓的包含物工作已經(jīng)開始了。有人已經(jīng)提議6使用流體結(jié)構(gòu)相互作用的辦法進(jìn)行應(yīng)力分析可能會比用有限元分析方法產(chǎn)生更精確

19、的壁應(yīng)力。一些研究表明壁應(yīng)力增加了<1 的百分比 ，而另一些報道說增長范圍從12.5 6 到了20.5 20。由于對于使用流體結(jié)構(gòu)相互作用方法研究壁應(yīng)力有矛盾的結(jié)論，這些統(tǒng)一壁厚腹主動脈瘤模型可以幫助驗證研究應(yīng)力的這兩種方法。在我們的實驗室已經(jīng)展開了使用流體結(jié)構(gòu)相互作用的工作，采用網(wǎng)格基礎(chǔ)的平行代碼耦合界面軟件（MPCCI ，弗勞恩霍夫SCAI ，德國），將ABAQUS 和FLUENT聯(lián)系在一起來獲得實際的壁應(yīng)力值。值得注意的是，使用一個統(tǒng)一的壁被廣泛地用于流體結(jié)構(gòu)相互作用的研究5,6,1922，因此，這項未來的工作將允許基于相同壁厚的實際腹主動脈瘤模型壁應(yīng)力的數(shù)字和實驗驗證。結(jié)論該程序

20、用于制造病人特異性腹主動脈瘤模型已被描述。在橡膠模型的再現(xiàn)性中已經(jīng)建立了信心，并指出了限制性。一般來說，良好的幾何精度的橡膠模型可通過合理的模具設(shè)計和有機硅生產(chǎn)中控制參數(shù)的使用來生產(chǎn)。模型顯示，設(shè)計模具和產(chǎn)生的有機硅模型之間的最高比例差為9.21 。證明了壁厚的均勻是最難控制的參數(shù)，完成的硅模型通常要在實驗測試開始前進(jìn)行檢驗和評估。這項技術(shù)通過光的方法可幫助數(shù)值的驗證9，或者通過實驗測試，如激光多普勒技術(shù)或粒子圖像測速?？傊S重建與CAD / CAM技術(shù)在復(fù)制病人特異性橡膠腹主動脈瘤模型的應(yīng)用證明是成功的，并可能有助于病人特異性腹主動脈瘤模型在實驗測試中的使用。因此，壁厚均勻的有機硅腹主動

21、脈瘤模型的使用將有助于數(shù)值工作的驗證，既壁應(yīng)力研究和血流動力學(xué).致謝作者要感謝（1）愛爾蘭科學(xué)研究理事會，工程和技術(shù)格蘭特編號RS/2005/340 ，（2）來自美國國家心肺和血液研究所的格蘭編號R01-HL-060670，（3）埃蒙卡瓦納醫(yī)生， 一個在利默里克中西部地區(qū)醫(yī)院的醫(yī)生，他幫助收集病人的數(shù)據(jù)和背景資料， 和（4）來自血管重塑和再生中心的薩馬斯沙阿。附錄實際的模型制造創(chuàng)造主要的蠟?zāi)Ｐ?，按照下列給出的步驟。1 第一套模具用于創(chuàng)建蠟?zāi)Ｐ汀?2 用丙酮清潔模具的表面;確保不受不精確部分的影響并且為模具涂上釋放劑。3 兩個模具螺栓件緊密配合。 4 在一個150的熱板上熔化鑄造蠟。5 預(yù)熱模具

22、至40攝氏度。6 將模具放在45度的角度位置，幫助液體蠟流入模型，并且盡量減少陷阱空氣的危險，這樣會形成空隙和氣泡。 7 蠟緩慢倒入到模具中盡可能防止飛濺，因為這樣也會形成空隙。當(dāng)腔灌滿后，模具再放回垂直位置，來完成澆蠟。8 然后把蠟放在室溫中4小時。在此冷卻期間，模具用槌輕輕地敲打來使里面的空氣上升到表面來。9 由于蠟的冷卻和固化，額外的蠟被增加到模型中，以確保是一個完整的蠟?zāi)＞摺?10 打開模型，小心地從模型上取下模具。創(chuàng)建有機硅模型，按照下列給出的步驟。 1 按照比例要求混合硅酮和藥物作用劑（9：1）2 用手混合材料組成， 2分鐘就足夠了。這種液態(tài)硅將表示主動脈壁。液體硅一旦包含手工混合

23、帶入的氣泡則必須移除。元件在室溫下混合的工作時間大約要90分鐘。 3 為了消除困住的氣泡，將硅橡膠的容器放入一個冷藏室直到所有氣泡自然消除。持續(xù)的時間取決于液態(tài)硅的粘性，時間在1小時到3小時范圍內(nèi)。4 一旦所有的空氣都被消除，將所有的液態(tài)硅吸入到一個60毫升的注射器中。 5 用丙酮清潔第二套鋁模具。6在鋁模具上噴涂上一層硅模具釋放劑。7 認(rèn)真清除任何多余的物質(zhì)和蠟?zāi)Ｐ蜕系拈W光。8 涂上外殼保護(hù)膜瓦克SF18（瓦克化學(xué)有限責(zé)任公司）到蠟?zāi)Ｐ?。完成好了后，等?分鐘。 9將內(nèi)部蠟?zāi)Ｐ头湃胪獠康匿X模型中確保蠟?zāi)Ｐ偷姆胖迷谀撤N程度上允許壁厚均勻。 10 將兩個鋁模具緊密拴緊。11 用密封劑將模具周圍邊

24、緣密封，以避免任何模具上不必要的泄漏。 12 使用60毫升的注射器將液態(tài)硅慢慢注入鋁模中澆鑄。 13 一旦液態(tài)硅注入，將模具放入50 的烤箱里，為期24小時14 一旦完成了，打開澆鑄模并且認(rèn)真移下硅和蠟?zāi)Ｐ汀?15 把硅和蠟?zāi)Ｐ头诺?00°C的烤箱中至融化。參考文獻(xiàn)1 Sakalihasan, N., Limet, R., and Defawe, O. D., 2005, “Abdominal Aortic Aneurysm,” Lancet, 365（9470）, pp. 15771589.2 Johnston, K. W., Rutherford, R. B., Tilson,

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