基于3D打印技術(shù)的比格犬內(nèi)臟解剖模型制造*

牛曉玉 桑立君 胡辛凱 李方正

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，青島 266109）

動(dòng)物解剖學(xué)是研究動(dòng)物各器官的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及相互位置關(guān)系的一門(mén)科學(xué)，屬于獸醫(yī)形態(tài)學(xué)范疇，只有讓學(xué)生觀察到動(dòng)物器官的真實(shí)結(jié)構(gòu)，才能達(dá)到良好的教學(xué)效果，因此標(biāo)本和模型是動(dòng)物解剖學(xué)不可或缺的教學(xué)資源。目前教學(xué)中常用的內(nèi)臟器官的教具主要是浸制標(biāo)本、塑化標(biāo)本和塑料模型3類。浸制標(biāo)本在容器中都存在一定程度的變形，而且固定液具有強(qiáng)烈的刺激性氣味；塑化標(biāo)本能夠保持器官的形態(tài)，但一般只能觀察表面的結(jié)構(gòu)，無(wú)法觀察到器官內(nèi)部的形態(tài)，而且價(jià)格昂貴，很難大批量使用[1]；商業(yè)化解剖模型普遍精細(xì)度不高，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤。因此現(xiàn)有的解剖標(biāo)本和模型很難滿足教學(xué)的需要，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者探索新的解剖標(biāo)本制作方法。3D打印技術(shù)的興起和數(shù)字醫(yī)學(xué)的發(fā)展為解剖模型的制作提供了新的技術(shù)手段，數(shù)字化的解剖模型可以通過(guò)3D打印技術(shù)制作成逼真的實(shí)體模型，這些模型能夠展示出器官的外觀和內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)[2-5]，而且教師可以根據(jù)教學(xué)需要通過(guò)3D打印技術(shù)制作出個(gè)性化的模型，能夠彌補(bǔ)市場(chǎng)上商業(yè)化動(dòng)物解剖模型精細(xì)度不高的缺陷。本研究的目的是探索一種高精度比格犬3D打印內(nèi)臟拼裝模型的制作方法。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

比格犬內(nèi)臟三維數(shù)字模型是本實(shí)驗(yàn)室前期研究獲得。主要步驟為：1歲齡的雌性比格犬經(jīng)過(guò)冷凍切削技術(shù)得到斷層圖像，共762張，相鄰圖像間隔為1 mm。通過(guò)Photoshop的套索工具將骨骼、肺、心、肝、胃、小腸和大腸等器官分別以不同顏色標(biāo)出，形成分割后斷層圖像，然后采用Mimics Medical軟件根據(jù)各器官的灰度值進(jìn)行三維重建，以STL文件導(dǎo)出。比格犬外形的模型采用ZBrush軟件制作。

1.2 三維模型優(yōu)化

將三維重建后模型導(dǎo)出，然后根據(jù)《家畜解剖學(xué)》教材的教學(xué)內(nèi)容對(duì)三維模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較和分析，通過(guò)ZBrush軟件的Smooth、Clay、Move等工具進(jìn)行三維模型的修復(fù)和優(yōu)化，使其滿足教學(xué)需要。

1.3 比格犬解剖模型的快速制造

將優(yōu)化完成的內(nèi)臟器官三維數(shù)字模型分別轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)能夠識(shí)別的STL文件格式，然后采用3D Star 2.5.3軟件進(jìn)行切片，生成3D打印路徑，再以聚乳酸（polylactic acid， PLA）為材料采用EinStart-S 3D打印機(jī)（先臨三維科技股份有限公司，杭州）進(jìn)行解剖模型的制造，獲得器官的實(shí)體模型。

1.4 模型后期處理

打印后的模型需要進(jìn)行后期處理。先將打印出的模型浸入拋光液中5 ～20 s進(jìn)行拋光；然后用丙烯顏料對(duì)模型進(jìn)行涂色，以便于區(qū)別不同的器官組織結(jié)構(gòu)；最后在相應(yīng)的部位安裝磁鐵，利用磁性進(jìn)行模型的拼裝。采用3D Max軟件根據(jù)骨骼模型尺寸設(shè)計(jì)出比格犬模型的外殼。

2 結(jié)果

2.1 比格犬內(nèi)臟三維模型

比格犬?dāng)鄬訄D像經(jīng)Mimics Medical軟件三維重建得到了全身骨骼、氣管、肺、心、食管、胃、小腸、大腸、肝、腎等器官（圖1）的三維模型。

圖1 比格犬內(nèi)臟三維模型A：左肺；B：肝；C：小腸和大腸；D：胃；E：脾；F：腎

2.2 三維模型優(yōu)化

參考《家畜解剖學(xué)》教材中的犬內(nèi)臟教學(xué)內(nèi)容，分析重建的三維模型解剖學(xué)結(jié)構(gòu)。肺三維模型能夠顯示出肺的外形、肋壓跡和前、中、后3葉；肝三維模型能夠顯示出肝的外形、分葉特征以及腎壓跡；腸模型能夠顯示出小腸和大腸的走向和分段特征；胃模型能夠顯示出彎曲的梨形和左端膨大；脾和腎模型可以顯示出器官的外形，因此重建得到的三維模型可以再現(xiàn)犬內(nèi)臟器官的形態(tài)結(jié)構(gòu)和相互位置關(guān)系。

2.3 模型的3D打印

將模型分別導(dǎo)入3D打印軟件，調(diào)整好模型的角度和打印參數(shù)（圖2A、B，封三），以聚乳酸（polylactic acid， PLA）為材料，通過(guò)FDM打印機(jī)得到了犬內(nèi)臟和全身骨骼三維模型（圖2C、D，封三）。左肺模型打印8 h 32 min，消耗材料75 g；右肺模型打印8 h 15 min，消耗材料59 g；肝模型打印4 h 42 min，消耗材料34 g；小腸和大腸模型打印11 h 3 min，消耗材料80 g；胃模型打印1 h 25 min，消耗材料11 g；心臟模型打印1 h 22 min，消耗材料10 g；骨骼模型打印共44 h 47 min，消耗材料314 g。

2.4 模型的后期處理和拼裝

對(duì)打印的模型進(jìn)行拋光、上色、拼接等處理后，完成犬精準(zhǔn)解剖模型的組裝（圖2E、F）。此模型可清晰顯示器官的位置關(guān)系和構(gòu)造（圖2E、F、G，封三）。

圖2 模型的3D 打印及打印后處理

3 討論

3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)的快速成型制造技術(shù)，該技術(shù)已逐步應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車(chē)、航空航天、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域[6]。為了彌補(bǔ)目前商業(yè)解剖模型的不足，很多研究者根據(jù)教學(xué)的需要，利用3D打印技術(shù)自行制作解剖模型[7-8]。筆者在前期研究中曾對(duì)犬胸腔分離標(biāo)本進(jìn)行三維掃描，然后通過(guò)3D打印技術(shù)打印得到犬胸腔解剖模型，能夠準(zhǔn)確顯示出胸腔中肺、心和主要血管的形態(tài)[1]，但是由于掃描的的是動(dòng)物標(biāo)本的整體模型，各器官無(wú)法分離，不能觀察到標(biāo)本深層的結(jié)構(gòu)。本研究中使用的三維數(shù)字模型是基于斷層圖像重建得到的，器官三維模型的形態(tài)與動(dòng)物器官真實(shí)形態(tài)一致，通過(guò)此模型，學(xué)生可以直觀觀察到動(dòng)物體內(nèi)各器官的形態(tài)和位置關(guān)系，而且可以進(jìn)行器官的拼裝練習(xí)，既加深了對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，又提高了學(xué)習(xí)過(guò)程的趣味性。3D打印技術(shù)用于動(dòng)物解剖模型制造，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要實(shí)現(xiàn)教學(xué)模型的定制化，制作過(guò)程還可以吸收學(xué)生參與，既提高學(xué)生對(duì)解剖知識(shí)的掌握和解剖技能，還能激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

本研究的局限性在于只能打印單色材料，目前解決方法是人工涂色，在今后的研究中探索使用全彩打印的3D打印機(jī)，只要把三維數(shù)字模型用軟件設(shè)置好顏色，便可通過(guò)全彩3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)彩色打印，更加方便快捷。另外，本研究的模型只能顯示器官的外形，器官的內(nèi)部管道無(wú)法顯示?？紫檠┑萚9]將3D打印和模具技術(shù)制作結(jié)合，制作出可以顯示肝臟內(nèi)部管道的新型肝臟模型，為我們提供了新研究思路，在將來(lái)的研究中，將3D打印技術(shù)與管道鑄型技術(shù)結(jié)合，可制作出既有精準(zhǔn)外形又能顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的解剖模型。

本項(xiàng)目以斷層數(shù)據(jù)重建的三維模型為基礎(chǔ)，采用3D打印技術(shù)建立了比格犬內(nèi)臟器官的快速制造方法，制作的可拆裝解剖模型能夠準(zhǔn)確還原犬內(nèi)臟的形態(tài)結(jié)構(gòu)和位置關(guān)系，并可實(shí)現(xiàn)批量制造，能夠?yàn)閯?dòng)物解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供教學(xué)資源，還能為臨床技能訓(xùn)練提供教具，具有很高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。