[0001] 本发明涉及医学领域中用于外科手术的人体器官和组织的模型、解剖模型和训练模型。更具体地，本发明提供了用于美容或矫正手术训练的真实患者的解剖结构的复制品。它还涉及物理模型的三维数字模型，用户可以在物理模型上进行训练之前、期间或之后通过增强现实和/或虚拟现实与该三维数字模型进行交互。

[0002] 外科医生通常需要大量的训练和实践时间来充分掌握其医学专业的技术，从而在所述程序中获得最佳结果。一般来说，任何类型的手术训练都是在尸体上每种干预措施的专家支持下对真实患者进行的，或者，在设计用于模拟软组织、软骨、骨骼和手术特定缺陷的训练站进行。

[0003] 一般来说，最合适的训练方法是在尸体上进行，因为它可以广泛了解手术对患者的实际影响，以及调整施加在每种组织上的力、切口深度等所需的感觉。然而，由于每种练习所需的特定解剖条件，由于难以获得此类手术所需的同意，或者由于必要的后勤保护要求，很少有足够的尸体可用于此类训练课程。

[0004] 在专家协助下对真实患者进行干预的缺点是对患者有潜在的危险，因为一个几乎没有受过训练的人会严重影响敏感结构，并带来额外的并发症。

[0005] 手术训练最合适、最经济、最容易获得的方法之一是通过模拟将要手术的真实结构的模型。然而，目前市场上的模型并不能充分忠实地再现特定结构以及真实器官的纹理、一致性和硬度。一个例子可能是复制人类鼻腔解剖结构的困难，该解剖结构在特定区域包含骨骼、软骨、脂肪和皮肤，并且具有难以复制的厚度和结构。

[0006] 同样，众所周知，在该区域进行干预以纠正鼻腔阻塞、美容畸形或创伤是非常复杂的，因为手术在缩小的区域内进行，需要对组织进行精细的处理；因此，移动必须足够高效和平滑，以避免损坏。

[0007] 因此，非常需要以足够忠实和解剖学正确的方式模拟不同生物结构的模型，以便在对真实患者进行干预之前为外科医生提供充分的训练。

[0024] 下面描述本发明的训练站的一些实施例，这些实施例参考了说明书中的附图。根据本发明的用于外科手术的训练站可以包括根据真实患者的特定解剖结构建模的期望解剖结构的模型。训练站中使用的解剖结构没有特别限制，并且可以对应于所需解剖结构的任何区域。特别地，优选选择头部和颈部的区域，例如耳廓、颞骨、上下颌骨或鼻腔结构等。

[0025] 以鼻结构模型为例，详细介绍了根据本发明的外科手术训练站的具体特征。

[0026] 如图1和图2所示，本发明提供了一种用于外科手术的训练站(100)，包括：解剖结构的模型(101)、解剖结构的模型(101)的三维数字模型(200)和工作基座(900)。优选地，解剖结构的模型(101)对应于患者的等效解剖结构，并且由模拟骨骼、软骨和皮肤的材料组成。三维数字模型(200)允许训练站用户通过增强现实和/或虚拟现实系统与解剖结构的模型(101)的表示进行交互。同样，工作基座(900)具有用于将其固定到进行训练的表面的装置，并且还具有用于在训练期间改变模型的角度的装置。

[0027] 根据本发明的一些实施例，用于外科手术的训练站(100)包括解剖结构的模型(101)，该解剖结构可以对应于例如鼻结构，由真实患者的所述部分的忠实复制品组成，该真实患者具有对实践鼻外科手术感兴趣的功能和美学特征，例如鼻中隔成形术、鼻甲成形术、鼻背手术、鼻尖手术、鼻基部手术、鼻瓣手术和/或非手术鼻手术等。感兴趣的特征是从中隔偏曲、鼻突、鼻尖畸形等中选择的。

[0028] 解剖结构的模型(101)是使用通过计算机断层扫描等技术获取的诊断图像中的信息获得的，其中在多探测器设备中进行体积螺旋采集，在骨骼和软组织重建算法中从颅底获得轴向、矢状和冠状平面的高分辨率切片。在特定情况下，诊断图像可以通过磁共振成像等附加技术获得的图像来补充。

[0029] 一旦获得图像，就可以通过分割所分析解剖结构的每个结构来生成骨骼、软骨和软组织(如皮肤、粘膜、脂肪组织等)的重建。精确确定这些结构中的每一个，以及它们的厚度和形状，对于实现用于训练目的的逼真和功能复制品至关重要。通过使用来自诊断图像的信息和分割过程，可以生成每个感兴趣结构的完整三维数字模型(200)，其可以在虚拟模拟器中的练习期间使用，以及用于生成将在训练期间使用的解剖结构的模型(101)的输入。

[0030] 在本发明的一些实施例中，解剖结构的模型(101)可以通过建模或使用3D打印技术来产生。用于该过程的3D打印技术可以选自熔融沉积建模(FDM)、Polyjet、电子束自由形式制造(EBF3)、电子束熔化(EBM)、选择性热烧结(SHS)、选择性激光烧结(SLS)、投影绑定(DSPC)、层压物体制造(LOM)、立体光刻(SLA)，紫外光光聚合(SGC)或这些技术的适当组合。

[0031] 如图3所示，在优选实施例中，解剖结构的模型(101)包括骨结构(300)，骨结构由上颌骨(301)和鼻甲(302)组成。骨结构(300)可以通过使用尼龙或聚苯乙烯、优选尼龙11或尼龙12的选择性激光烧结(SLS)获得。通过这种方法对骨结构(300)的建模允许用提供与真实上颌骨的感觉相似的感觉的实际外科器械进行截骨，因为它们能够模仿真实骨的特征，例如压缩、抗拉强度、弯曲、弹性、可塑性、刚度、柔性、阻力等。在本发明的特定实施例中，可以将骨结构(300)的建模材料与例如盐相结合，盐可以赋予印刷产品中的材料特定性质，例如压电性质，从而能够使用压电手术刀。类似地，根据本发明的解剖结构的模型(101)的骨结构(300)保留了上颌骨的解剖特征，例如泪道(303)、上颌窦(304)、额窦(305)等。

[0032] 在本发明的一个实施例中，骨结构(300)可以是单件，也可以是稍后添加的片段的组合，以获得完整的上颌骨(301)。上颌骨(301)的分割允许开发可互换的模块，该模块有助于引入不同的特征，例如，对鼻内或外部解剖结构的额外改变。特别是，对于后者，鼻骨的一段可以使用特定材料的组合制成，这将允许使用诸如压电手术刀之类的技术。

[0033] 此外，在本发明的优选实施例中，上颌骨(301)包括围绕上颌骨(301)的后缘的通道(306)，这允许将模型固定到工作基座(900)上，根据工作条件将其定位在最合适的方向上。

[0034] 根据图4所示的本发明的实施例，解剖结构的模型(101)的软骨结构(400)对应于患者解剖结构的忠实复制品，包括理想的缺陷，如畸形和偏差，保持其长度、厚度、高度和宽度。所有这些特定特征都是根据如上所述的分割结果和三维数字模型(200)来确定和再现的。复制的软骨结构(400)可以使用任何一种已经提到的技术通过3D打印获得，在这种情况下优选FDM或Polyjet。在本发明的实施例中，热塑性丝用于FDM技术，纯热塑性丝或复合材料用于Polyjet技术。组合这些材料的目的是获得介于50和90之间的肖氏硬度，从而获得与真实软骨相当的感觉。

[0035] 根据本发明制造解剖结构的模型(101)的软组织，如皮肤、脂肪组织、肌肉组织和鼻粘膜，需要制造相应的模具，用于每个组织的相应材料将被注射到相应的模具中。模具可以通过上述任何3D打印技术制造，其中FDM是优选的，使用PLA、ABS、ASA、PET、PETG、PC、PVA、TPU或TPE丝，优选使用PLA丝(聚乳酸)。

[0036] 优选地，为了获得与真实结构等效的解剖结构的模型(101)，必须准确地复制这些区域内存在的空气体积。特别是，如图5所示，一元件用于在用作示例的鼻结构中复制鼻子(500)内部存在的准确空气体积。这个空气体积的目的是填充鼻内空气空间，只留下一层薄薄的硅胶来复制鼻粘膜，它包围着整个鼻子内部。空气体积模具的特征允许根据需要在模型的粘膜中形成更大或更小厚度的区域，从而促进鼻腔的通畅。鼻子(500)内部存在的空气体积的模具可以通过上述任何3D打印技术获得，在这种情况下，优选使用TPU或TPE热塑性丝的FDM，优选使用的是TPU(热塑性聚氨酯)丝。

[0037] 在本发明的一些实施例中，选择用于复制皮肤、脂肪组织和肌肉的材料是允许忠实地复制这些组织中的每一个的特定特征的材料，例如弹性、可弯曲性、质地、硬度和稠度等。特别地，目的是获得介于20和90之间的肖氏硬度。优选地，所选材料是用过氧化物或铂固化的硅橡胶，优选地是用铂固化的硅树脂，例如本领域已知的那些，例如Equinox、SORTA‑Clear、Smooth‑Sil、Magikmold、Elkem、Bluestar、Mold Star、Dragon Skin、Rebound、Ecoflex、Body Double、Rubber Glass、Encapso‑K。在一些实施例中，如果所选择的硅树脂需要，则进行真空脱气过程，该真空脱气过程防止在倒入模具中时在硅树脂中出现气泡和缺陷。

[0038] 如图6a所示，根据本发明的一些实施例，骨软骨骨骼(600)由上颌骨(301)和鼻软骨背(601)组成，后者又由鼻中隔(602)和上侧软骨(603)组成。上颌骨(301)和软骨的结合可以通过叠加结构来进行，并通过普通粘合剂固定，例如聚加成、聚合或缩聚固化粘合剂，优选聚合固化粘合剂，其将软骨固定到上颌骨(309)的垂直板和犁骨(307)。

[0039] 在本发明的一些实施例中，如图6b和6c所示，在设置鼻中隔(602)后，可以使用合适的粘合剂将称为鼻网的尼龙网(605)包括在软骨的尾部和前部，在这种情况下，优选聚加成固化粘合剂。该网稍后将被整合到将覆盖间隔软骨(602)的鼻粘膜中。在本发明的优选实施例中，网从一侧到另一侧放置，覆盖对应于前隔膜的前30mm至5mm的区域，以及其尾缘(604)和鼻脊(308)。该网模拟了粘软骨膜和真正鼻中隔中所谓的交叉纤维的粘附特征。同样，网通过用作验证正确解剖平面的参考点，允许用户在鼻中隔成形术练习期间受到引导。

[0040] 为了保证构成解剖结构的模型(101)的鼻尖的下外侧软骨(606)的精确定位，可以使用3D打印模具来促进所有部件的正确组装。在本发明的一个实施例中一旦骨软骨骨骼(600)的所有元件都处于它们的最终位置，可以将新的鼻网尼龙网(605)放置在鼻结构的元件上以模拟软骨膜(例如在上侧软骨(603)或下侧软骨(606)上)和骨膜(608)(在鼻骨和上颌骨的升支上)。此外，网的存在允许用户在解剖结构的模型(101)上进行手术时必须遵循的解剖平面的清晰参考点，以及在其上标记软骨水平处的背部解剖平面的极限的测量装置，软骨水平通常是软骨上的(网上方)，以及鼻骨水平处的骨膜下(网下方)。

[0041] 在本发明的优选实施例中，考虑到某些部分的解耦通常发生在例如鼻子解剖结构的模型(101)的下侧软骨(606)中，因此希望在该区域为下腿(606a)的脚提供加强。因此，可以包括尼龙加强网(607)，该尼龙加强网插入到前颌骨(骨)中并且覆盖下腿(606a)(软骨)的下部，进而包围下腿(606a)的脚。这种网是用特定的粘合剂粘合的，为模型增加了强度和可靠性。

[0042] 根据本发明的一些实施例，鼻子解剖结构的模型(101)忠实地再现了解剖结构的复杂特征，例如鼻瓣内外的空间，以及覆盖鼻尖、鼻背、鼻中隔(602)、鼻甲(302)的软组织的厚度，覆盖鼻子和上颌骨(301)的外部结构的肌肉组织等。以上所有内容，同时保持模拟鼻孔的通畅性。因此，在骨软骨骨骼(600)上包括软组织可能涉及3D模具的制造和使用，该3D模具允许精确地再现这些特征。

[0043] 根据上述内容，如图7a和7b所示，在鼻子解剖结构的模型(101)的示例中，肌肉层(700)的硅树脂牢固地连接到骨软骨骨骼(600)，在软骨结构(400)之间穿透，这允许重新创建非常详细地模拟鼻子韧带(皮唐吉中线、涡卷韧带和软骨间韧带)的粘附，从而允许更好地理解鼻尖和鼻软骨背(601)的解剖结构。使用这种方法连接软组织可以获得精确的解剖结构，这也在组织中提供了在一致性、质地、灵活性等方面与真实感觉相当的解剖感觉。为了实现肌肉层(700)在骨软骨骨骼(600)上的精确耦合，可以将骨软骨骨骼(600)布置在3D打印的模具内，所选择的脱气硅树脂将被倒入模具中以形成粘膜(701)和肌肉(700)。模具和骨软骨骨骼(600)之间的空隙由此将被硅树脂覆盖，从而获得所需结构的形状和厚度。

[0044] 关于根据本发明示例性实施例的鼻粘膜(701)和肌肉(700)、图8a所示的皮肤层(800)以及鼻解剖结构的模型(101)的皮下脂肪组织的制造，这些需要使用分割信息和对从参考患者获得的图像的处理来制造专门设计的3D模具，该3D模具被设计为保持鼻孔的通畅性并促进粘附到骨软骨骨骼(600)的鼻翼软骨。所选材料旨在模拟人体皮肤的弹性、硬度和柔韧性。在本发明的优选实施例中，一旦获得皮肤层(800)，就将脂肪组织添加到皮肤(800)的内表面的特定区域中，使用具有与人类脂肪相似的特征和颜色的硅树脂来复制脂肪组织。

[0045] 为了在具有最大抗拉强度的区域加固皮肤(800)，在图8b所示的优选实施例中，通过融合过程将尼龙网(801)沿着背部、尖端和小柱集成到皮肤中，该融合过程包括将尼龙网固定到皮肤(800)的内表面。一旦将尼龙网(801)放置在所需位置，就施加一层硅树脂，并且将皮肤(800)和尼龙网(801)的组件引入到专门设计的3D模具中，该模具通过来自其部件的压力将尼龙网孔(801)融合到皮肤(800)的内表面，从而在两个元件之间产生最佳粘附。

[0046] 根据本发明的一些特定实施例，皮肤层(800)及其所有特定特征可以通过本领域已知的方法，如融合，或通过将硅树脂浇注到骨软骨结构和肌肉层上，与已经完成的肌肉层(700)一起联接到骨软骨结构；在这种情况下是优选的融合方法。在优选的实施例中，该过程通过使用硅树脂将皮肤(800)粘附到下面的结构的特定设计的安装模具来介导。一旦硅树脂干燥过程完成，构成模型的所有层和元素的融合就完成了。

[0047] 在图9a至图9c所示的本发明的实施例中，解剖结构的模型(101)还配有工作基座(900)，通过该工作基座可以连接解剖结构的模型(101)，将其固定到稳定的表面，如桌子等。为了获得适当的配合，上颌骨(301)的通道(306)配合到轨道联接器(901)中，并且轨道联接器又配合到安装基座(902)的中心部分中。在本发明的一些实施例中，轨道联接器(901)可以在任何方向上定向，使得模型可以适用于右手或左手用户，或者取决于执行训练的空间的条件。此外，在本发明的特定实施例中，安装基座(902)具有结合到侧面上的毫米尺(903)，允许用户在训练期间测量不同的元件。在本发明的一些实施例中，轨道联接器(901)还包括多功能楔(904)，其允许根据用户需要围绕前后轴线或横向轴线改变倾斜度。

[0048] 在本发明的一些实施例中，安装基座(902)还包括固定系统，该固定系统包括安装基座(902)的后部区域边缘上的一系列防滑硅胶带(907)，以及可放置在安装基座(902)的一个或两个侧轨上的夹持系统(908)，从而使模型能够牢固地固定在桌子或下表面上。

[0049] 此外，在本发明的特定实施例中，工作基座(900)还提供了桥接器(905)，该桥接器包括用于器械的安装系统(906)，在大多数训练阶段，该安装系统能够最佳地暴露模型的解剖结构，并且还允许用户在大部分训练期间解放双手。

[0050] 工作基座(900)的元件的制造方法没有特别限制，因此它们可以通过上述任何3D打印方法或手工模制来获得。