CN102805675B - 一种客户化人工喉的生物制造构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种客户化人工喉的生物制造构建方法。本发明首先取得影像数据作为喉软骨的层片图像；采用Mimics重构软件，得到喉软骨的三维数学模型并将连接各软骨的韧带也一并重构。其次利用分层软件将三维数学模型分层得到各层的二维图形，为每一层二维图形编制数控代码。然后选择生物相容性材料，将数控代码输入快速成形机进行分层堆积或分层切割，得到互相贯通孔洞的喉软骨支架。最后将多余的部分剔除，得到最终的喉软骨支架。由于本方面可以制出一个完整的喉软骨支架，所以医生可以不必在手术前对各喉软骨进行组装，另外本发明也可以对喉软骨的各部分进行建模，从而制造出相应的支架。
Description
技术领域
本发明属于喉头损伤修复、整形外科和快速成形领域，具体涉及一种整体植入式喉软骨仿生支架的制备工艺。
背景技术
因先天疾病、喉肿瘤外科手术和喉外伤长期失喉的患者迫切要求恢复喉功能。并且每年大约有136000例患者被诊断为喉癌，而晚期喉癌患者在治疗过程中往往会进行喉头切除术。在喉头切除术中，整个喉包括甲状软骨和环状软骨都会被切除，术后患者将完全不能发声，给患者带来了极大的心理压力以及生活上的不便。目前修复手段有以下几种：
外科手术方法修复：这里主要有两种方法：
（1）食管音
这是目前最受欢迎的恢复喉功能的手段。喉头切除术间（主食管刺穿）或术后（次食管刺穿），在气管和食管之间形成一个小孔。然后将一个单向阀装入孔内，使得空气能从气管进入食管。当患者开始说话，气管造口被锁牢，空气就从气管进入了食管。但是这种方式需要在发声时手动覆盖气孔，并且需要定期维护和更换。
（2）气管音
这种方法不需要外部辅助性设备。患者的食道上部分作为储气缸。当患者想进行说话时，空气被驱逐出食道，从而引起食道咽段的振动，这样患者就可以通过控制他们的嘴巴从而调整所产生的声音。使用这种方法修复喉损伤，术后能达到良好效果的几率很小，并且有时会有胃灼热和吞咽空气腹胀等现象，由于多方面的原因导致很多患者放弃了这种治疗方式。
人工喉：也主要有两种方法：
（1）气动式人工喉
气动式人工喉由紧紧镶嵌于气管瘘口上的杯状物组成，压力空气通过杯状物传到振动簧片或膜上，这种振动再通过软管进入嘴，然后由发音者的嘴运动所形成的振动变成易懂的说话音，音调随膜上的张力呼吸压力而变化。患者使用这种人工喉多能较快掌握，并且使用费用不高，但是它产生的声音伴随着明显的笛声，而且需要定期维护空腔管。年老体弱患者，由于气流不足，使用该方法发音有点困难。由于众多不便因素，该种方法并不被患者所接受。
（2）电子型人工喉
电子人工喉在20世纪70年代诞生，发展大概经历了3个阶段(最初为简单的发声放大器（盒式）)，小盒式声音产生器发出声音，由一塑料导管将声音由口腔导入，变成语言；由于使用不方便，发声不清晰，后来改用一微型马达撞击发声膜，产生声音，因杂声相当大，语言不清，逐渐不被医生和患者接受；也有应用电铃原理，撞击发声膜产生声音，但由于较笨重，也不被患者欢迎；最后发展成利用半导体材料产生振动脉冲波，经过功率放大，撞击发声膜，如此产生的声音既稳定又有规律。这里又主要分两种：（1）嘴型电子人工喉，使用时惹人注意，用手持输出管放在口内，口管常被唾液堵塞而需经常清洗，语言也不是很清晰；（2）颈型电子人工喉，声音单纯无抑扬变化，未传入的散失音影响了语言的清晰度，电池需经常更换，说话时必须手持电子喉置于颈部，不适用于颈部传音不佳者，而且价格昂贵。
电磁型人工喉也有报道，但是也有价格昂贵和发音不清晰等不足之处。
发明内容
本发明的目的是提供一种与患者匹配的可带活动关节的植入式喉软骨支架的制造方法，可植入患者喉部恢复其发音功能。
本发明方法具体是：
1)取得CT、MRI影像数据作为喉软骨的层片图像。
2)将所得的喉软骨的层片图像采用Mimics重构软件，利用喉软骨与周边组织阈值的细微差别将喉软骨独立出来，重构出比较粗糙的喉软骨模型，然后再对其进行光滑处理后得到比较光滑的喉软骨的三维数学模型。
3)根据喉软骨具有相对运动功能的特性，在构建喉软骨的同时将连接各软骨的韧带也一并重构在步骤2)中的喉软骨的三维数学模型中，然后构建连接各喉软骨小肌肉，使喉软骨具备一定的活动特性。
4)利用分层软件将所得的三维数学模型分层得到各层的二维图形。
5)为每一层二维图形编制数控代码。
6)选择细胞能够在喉软骨上生长并且可以适应喉部环境的生物相容性材料，将每一层二维图形的数控代码输入快速成形机进行分层堆积或分层切割，得到互相贯通孔洞的喉软骨支架。
7)将得到的喉软骨支架上多余的部分剔除，得到最终的喉软骨支架。
本发明的有益效果在于：喉软骨支架可以植入全喉损伤患者体内，达到修复患者整个受损的喉头的目的，使其能够与正常人一样做吞咽、发声等动作。
由于本发明的各喉软骨可以单独分离出来，医生可以根据患者的需要，选择喉软骨的各软骨对患者进行治疗，所以也可以帮助局部喉损伤患者修复其损伤部位，使其能与正常人一样做吞咽、发声等动作。
附图说明
图1是本发明流程图；
图2是建模后得到的喉软骨的正面、侧面、背面截图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明方法具体步骤是：
1)取得CT、MRI影像数据作为喉软骨的层片图像。
2)将所得的喉软骨的层片图像采用Mimics重构软件，利用喉软骨与周边组织阈值的细微差别将喉软骨独立出来，重构出比较粗糙的喉软骨模型，然后再对其进行光滑处理后得到比较光滑的喉软骨的三维数学模型。
3)根据喉软骨具有相对运动功能的特性，在构建喉软骨的同时将连接各软骨的韧带也一并重构在步骤2)中的喉软骨的三维数学模型中，然后构建连接各喉软骨小肌肉，使喉软骨具备一定的活动特性，如图2所示，图2中从左至右依次是喉软骨的正面、侧面和背面，图中的标号表示：会厌软骨1，韧带2，甲状腺软骨3，环状软骨4，气管软骨5。
4)利用分层软件将所得的三维数学模型分层得到各层的二维图形。
5)为每一层二维图形编制数控代码。
6)选择细胞能够在喉软骨上生长并且可以适应喉部环境的生物相容性材料，将每一层二维图形的数控代码输入快速成形机进行分层堆积或分层切割，得到互相贯通孔洞的喉软骨支架。
7)将得到的喉软骨支架上多余的部分剔除，得到最终的喉软骨支架。
成形材料可以用生物相容性材料，如聚氨酯（TPU），聚乳酸（PLA），聚羟基乙酸（PGA）以及他们之间的各种共聚物，聚羟基丁酸酯与聚羟基己酸酯共聚物（PHBHH）等。
成形喉软骨支架可直接植入也可供体外培养后再植入，可供培养的细胞可以用骨髓间质干细胞、软骨细胞、脂肪干细胞、外周血干细胞等。
如果第６个步骤中所用的材料为非生物相容的，则可将制得的喉软骨支架作为模型，进行翻制，得到生物相容性的喉软骨支架。
以下给出一个具体实施例：
1)对于半喉损伤患者，可以对患者的左半部喉软骨或者右半部喉软骨进行CT或MRI提取其数据，鉴于喉部组织的左右对称性，可以通过镜像将左半部或者右半部补全，得到全喉数据；对于严重病损的患者，可以采取对与患者体态特征相近的健康个体进行CT或MRI提取数据，得到喉部数据。
2)将所得的喉软骨层片图像采用Mimics等重构软件，对喉软骨、连接各喉软骨之间的韧带和各软骨之间的肌肉一并建模，得到完整喉软骨模型。然后对该模型镜像、必要修整，得到喉软骨的三维数学模型。
3)为了后续分层所需，将三维数学模型得到的MCS格式的文件转换成STL格式的文件。
4)将由实例中第3步得到的STL格式的文件输入到分层软件中，对三维数字模型沿高度方向分层，层厚为0.1～0.3mm。
5)将分层得到的二维图形进行扫描路径和填充路径规划，编制数控代码。
6)将数控代码逐层输送给快速成型机中。
7)快速成型机按照数控指令，在规定的轮廓上将所选择的生物相容性材料熔化、堆积成形。得到整体、弹性具有活动关节的可植入喉软骨支架。
除喉软骨支架外，本发明同样可以用于制造耳软骨、鼻梁等填充修补物。
生物医用材料，经离散、堆积成形，直接或翻制喉得到仿生喉软骨支架，该支架能够获得与天然软骨相近的弹性，能够支撑气管和食管的膨胀，抵抗它们的收缩；该支架上具有互相贯通的孔洞，以便其他组织的修复。支架的特征还在于最终产品的整体结构，特别是其具有活动关节。使患者最终可以和正常人一样。由于本方法可以制出一个完整的喉软骨支架，所以医生可以不必在手术前对各喉软骨进行组装，另外本方法也可以对喉软骨的各部分进行建模，从而制造出相应的支架，医生可以根据患者的需求，选择制造需要部分的软骨支架。通过材料的弹性实现最终产品的弹性。
Claims (1)
1.一种客户化人工喉的生物制造构建方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)取得CT、MRI影像数据作为喉软骨的层片图像；
2)将所得的喉软骨的层片图像采用Mimics重构软件，利用喉软骨与周边组织阈值的细微差别将喉软骨独立出来，重构出比较粗糙的喉软骨模型，然后再对其进行光滑处理后得到比较光滑的喉软骨的三维数学模型；
3)根据喉软骨具有相对运动功能的特性，在构建喉软骨的同时将连接各软骨的韧带也一并重构在步骤2)中的喉软骨的三维数学模型中，然后构建连接各喉软骨小肌肉，使喉软骨具备一定的活动特性；
4)利用分层软件将所得的三维数学模型分层得到各层的二维图形；
5)为每一层二维图形编制数控代码；
6)选择细胞能够在喉软骨上生长并且可以适应喉部环境的生物相容性材料，将每一层二维图形的数控代码输入快速成形机进行分层堆积或分层切割，得到互相贯通孔洞的喉软骨支架；
7)将得到的喉软骨支架上多余的部分剔除，得到最终的喉软骨支架；
所述的生物相容性材料选用聚氨酯，聚乳酸，聚羟基乙酸以及这三者之间的各种共聚物，聚羟基丁酸酯与聚羟基己酸酯共聚物。
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