外文翻译--真实的腹主动脉瘤的三维重建和制造,从CT扫描到硅模型.doc

南京理工大学毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 学 号： (用外文写)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：译文能准确地表达原文思想，语句较为通顺，条理较清楚，专业用语翻译基本准确，符合中文习惯，整体翻译质量良好。 签名： 年 月 日附件1：外文资料翻译译文真实的腹主动脉瘤的三维重建和制造：从CT扫描到硅模型B.J.多伊尔应用生物医学工程研究中心（CABER）， 和材料和表面科学研究所， 利默里克大学， 利默里克 ，爱尔兰L.G.莫里斯戈尔韦医疗技术中心， 戈尔韦梅奥技术学院， 戈尔韦 ，爱尔兰A.卡兰娜P.凯利应用生物医学工程研究中心（CABER）， 材料和表面科学研究所， 利默里克大学， 利默里克 ，爱尔兰D.A.沃普 手术部门， 生物工程部门， 麦高恩再生医学研究院， 和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.迈克戈尔夫林（相应作者。 由生物工程局的美国机械工程师协会出版的生物力学工程杂志提供。手稿于2007二月7日收到 ;最后的手稿于2007年9月11号收到;网上公布时间是2008年4月二十八日。由B.巴里雷博负责检查。）应用生物医学工程研究中心(CABER)， 和材料和表面科学研究所， 利默里克大学， 利默里克 ，爱尔兰电子信箱：tim.mcgloughlinul.ie腹主动脉瘤（AAA）可以被界定为一个永久性和不可逆转的下腹主动脉的扩张。腹主动脉瘤常常被认为是正常下腹主动脉直径1.5倍的主动脉。本文介绍了用于实验研究的一种用现有的有机硅制造腹主动脉瘤的模型的技术。本文关注的是腹主动脉瘤的特殊模型的重建与制造过程。三维重建来自于从电脑断层扫描的数据对腹主动脉瘤模型的创建。然后对这些腹主动脉瘤模型利用计算机辅助设计/计算机辅助制造技术和结合注射成型的方法设计模型装置。硅橡胶材料形成最基础的腹主动脉瘤模型。对壁厚和总体百分比的估计与在计算机上完成的硅胶模型存在差异。在这些实际的腹主动脉瘤模型中，壁厚被发现与平均的9.21 不同 。在壁厚记录中的该百分比差异可以归因于在模型制造中铸造蜡的收缩和有机硅的增加。这种情况可以利用光弹性的方法对壁应激进行研究或在流体动力学中利用激光多普勒技术进行研究。总之，这些特殊的橡胶腹主动脉瘤模型可用于实验测试，当然制造中的壁厚变化应被制造者所估计。DOI编号：10.1115/1.2907765 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）可以被界定为一个永久性和不可逆转的在下腹主动脉的局部扩张1。有人认为，一个腹主动脉瘤是一个有正常下腹主动脉直径1.5倍的主动脉2。目前，手术干预的时机是由腹主动脉瘤的最大直径决定的，带有大于5厘米直径的腹主动脉瘤被认为会有破裂的高风险。许多工作已经投向对这些动脉瘤破裂的预测，特别是使用有限元分析，以确定壁应力3-8。虽然利用数值研究，深入了解在腹主动脉瘤壁上的应力分布是明显对患有腹主动脉瘤的病人案例有益的，验证这些技术也是同样的重要。为实验研究而制造病人的特殊的腹主动脉瘤模型的能力可以使用延长前壁应力的技术。这些切合实际的有机硅模型可以被使用，不仅为应力分析，类似莫里斯等人的光学研究9，而且也为了流体动力学研究及术后实验测试，如支架移植牵引试验。该模型的建立是由第一个重建的一个虚拟的腹主动脉瘤模型来建立，再导向模型设计，然后通过注射成型技术来制造。以前的研究已检测快速原型的使用作为一种制造弹性动脉血管复制品的方法10。这种方法虽然快速，有效，但制造的表面光洁度不高，其可采用注射成型工艺实现。表面光洁度当使用动脉模型用光的方法进行实验测试时是头等重要的，如以前在我们的实验室中进行的那样9。为了使模型制造中使用激光多普勒技术，其他技术也已同时被使用(LDA)11并且在表面光洁度不是太重要时进行室壁应力研究的地方使用了粒子图像测速(PIV)技术研究。本研究的主要目标是描述建模和制造过程的整体情况并确定技术的成果。这位病人的特殊硅模型扫描断层转换标准的计算方法，对在这一领域许多研究人员是很有价值的。 方法三维重建。从我们的腹主动脉瘤数据库中选择四例。每一例的CT扫描，被输入到计算机软件包进行模仿（材料，比利时）。该软件允许二维CT的变化扫描转化为现有的三维模型的精确几何。该软件采用了对数据进行平方的算法开始全面和部分的对涉及的部分按照预定的灰度值进行CT扫描计算。一旦分割，该软件将围绕各个的分割部分生成折图.1 CT扫描的分割和折线带。(A) 充分显示了CT扫描图，而(B)是一个近距离部分的特写。为了模型的设计，这腹主动脉瘤被认为是管腔和腔内血栓的全部(ILT)。线区域，它是一个控制水平高的绘图软件。这个图像分割和生成一个折线带的例子可以在图. 1中看出。在这项研究中，折线由每次扫描的大约20 个控制点形成，从而优化平滑无损失模型的准确性。这些折线就可以作为初始图形交换规范(IGES)的格式输出。先前的工作已利用各种重建软件的其他格式来创建文件，如塞克图像（发布测试版4.0.2，塞克公司，弗雷德里克马里兰州，MD）12。对这一工作的模拟验证已在执行，在重建方法之间有百分比为1.2的差异。计算机辅助设计（CAD）。在模拟中创造的折线正在导入到PROENGINEER野火版2.0软件（PTC公司，参数技术）。然后模型表面被沿着这些折线重新创建。这些表面然后被准确分为两半，从而创造出一套模具中两个塑件的制造技术。每个特定模型的设计包含两套模具。那第一个模具是用来设计制作腹主动脉瘤的蜡铸造模型，而第二个模具是用来以制造外部的硅模型。那个外部的硅模型大约比内部的蜡铸造模型大2毫米。以至于硅模型有一个2毫米的薄壁。作为一个腹主动脉瘤的薄壁其范围内可以在0.23-4.33毫米的厚度13，壁厚2毫米是合理的假设，并已用于以往的研究14。样本模型的设计可以在图. 2中看到。每个外部模型的设计包含的内部部分由蜡铸造来完成，以确保蜡模型的位置及有较大的外模。这项研究中使用的四个腹主动脉瘤模型，三个腹主动脉瘤模型被模拟而没有髂动脉。（患者A ，B和C），以及一个包括髂动脉的腹主动脉瘤模型（患者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，髂动脉是最重要的。模型设计时，髂动脉有圆柱形节同时包括在近端和远端区域的腹主动脉瘤，允许实验测试设备装在上面。计算机辅助制造（CAM）。一旦模型装置在PROENGINEER中设计完成，这些设计再次以初始图形交换规范的形式输出。这些文件被输入到软件包图.2 病人特殊的腹主动脉瘤的样本模型设计。(A)是一个模型设计，包括髂动脉而(B)则没有髂动脉。图.3腹主动脉瘤模型的内部样本制造模型部分。通过计算机辅助制造来生成刀具的命令用来控制铣床。每个模型是由相同的参考点建立的，以便每个模件完全符合规范标准可以和模，确保所制造的模型有个几乎没有缝隙的接口。加工方法是采用3轴计算机数字控制数控铣床。模型的加工使用固体铝块，并用手工完成去除任何在铣削过程中的不想要的毛刺。图3显示一个样本模型加工件的部分。该图显示的范围是扩展已经纳入腹主动脉瘤模型设计中的近端和远端区域，并且浇口是蜡通过或流过的地方。必要的孔和气孔在加工后被增加到每一个模型上。模型制造。所有模具部件在使用之前用丙酮进行清洗。蜡模型被预热至40°C来使浇口上面的蜡的收缩减小到最小程度。一种铸造方法（Castylene B581，REMET公司）被用来进行管腔铸造。然后进行蜡腔的铸造，涂上瓦克保护膜SF18包覆起来（瓦克化学有限责任公司）。然后铸造的管腔被放入外部模型，上面包覆着释放剂（瓦克模型释放剂），然后钳制。那个硅橡胶（瓦克RT601），它被加热后慢慢注入预热的外部模型。硅橡胶由于其非线性特性被作为材料来使用，当受到大的应变时。15而且它被认为是一个很好的动脉模拟材料。模型然后被放入加热箱，温度为50°C且加热24小时。一旦加热完成，该模型被取出，并等温度上升到100°C ，以融化蜡模型里面的蜡。由此制造出硅树脂模型，然后彻底清洗，烘干，并检查它的缺陷。它的整个完整的程序可以在附录中看到。结论切片样本模型。每个模型被定期切片来与CAD建模的模型相比评估完成的硅模型的尺寸精度。每个硅材料腹主动脉瘤模型被使用专用刀具沿纵向左右两边仔细的分割，从而把每一个模型分成两半。然后每半个模型沿模型的长度轴向切片成10毫米的间隔，为每个特殊具体的模型留下一系列的横截面切片。壁厚测量。对于每一个硅模型的横截面切片，管壁厚度测量沿着边在四个90度的角度上测量。因此，壁厚度测量沿着整个腹主动脉瘤模型的左，右，前，后壁来进行。测量使用数码微米技术来实现。腹主动脉瘤模型的测量读数范围为从40到 60的读数。根据病人的情况，测量结果被平均计算来为每个病人量身定制硅模型表1 腹主动脉瘤壁上4个测量地方的平均壁厚轴向位置前 后 左 右病人A 平均壁厚(mm) 1.87 1.97 2.09 2.55 标准差 0.276 0.314 0.173 0.327 差异百分比 6.95 1.78 4.23 21.47病人B 平均壁厚(mm) 2.12 2.29 2.09 2.31 标准差 0.207 0.418 0.235 0.248 差异百分比 5.82 12.56 4.26 13.42病人C 平均壁厚(mm) 2.18 2.17 2.53 2.30 标准差 0.223 0.293 0.352 0.306 差异百分比 8.08 7.89 20.99 13.09病人D 平均壁厚(mm) 2.65 2.11 2.38 1.97 标准差 0.653 0.282 0.414 0.281 差异百分比 24.73 5.19 16.11 1.64在实际的硅模型与有2毫米壁厚的CAD建模模型之间存在着百分比差异。标准偏差也被列入结果中。测量结果可以在表1中看到，而且也在表2中作了每个病人的模型壁厚的总体概述。有机硅模型壁厚和原来的2毫米厚度的设计模型之间的百分比差异也有不同。那个病人D的腹主动脉瘤模型包括了髂动脉。壁应力分布。图4显示了病人A的冯米塞斯壁应力分布和产生高峰值压力的范围。结果表明腹主动脉瘤模型的峰值应力为0.533 Mpa的情况和和位于腹主动脉瘤前壁的应力情况。结合有限元分析(FEA)结果验证壁应力实验研究可进一步利用数值研究领域的腹主动脉瘤破裂的数据来预测。腹主动脉瘤的研究组织目前正在取得更详细的壁应力研究经验的进展，将扩大初步有限元分析来分析这块的结果。表2 为每个病人的具体腹主动脉瘤模型的平均壁厚测量平均壁厚（毫米） 平均百分比差异病人A 2.12 4.24 病人B 2.20 9.01 病人C 2.29 12.51 病人D 2.22 11.09 图.4 病人A的有限元分析冯米塞斯壁应力分布显示出前壁一个峰值应力的地方。那个相应的模型部分和同一病人的硅模型可以在图中看出是匹配的。讨论这项研究描述了一个制造有或没有髂动脉的特殊病人的腹主动脉瘤橡胶模型的步骤。三维重建技术使用商用制图软件来配合CAD / CAM技术实现理想的模型设计，能够使用注射成型的方法形成真实的腹主动脉瘤的模型。以往的研究已经14,16使用类似的技术，来制造血管的橡胶模型。在本研究中的模型的发展更具有复杂性。这些重造的硅模型可用于血液流动力学的实验测试，壁应力分析，和支架移植的研究，所有这些都可能有助于所得数值的实验验证。这种技术可以允许其他研究人员首先用他们的实验经验制造真实的腹主动脉瘤硅模型。近年来，重点被放到数值研究，以试图预测腹主动脉瘤的破裂。这一领域的实验研究成果的使用也是很重要的。这些硅腹主动脉瘤模型不仅可以帮助验证预测，而且也可以成为一个重要的对腹主动脉瘤破裂预测的数据。对于每个病人特殊的具体模型的创建，壁厚是最可变因素。据报道13腹主动脉瘤壁后在厚度范围从0.23毫米4.33毫米如何变化，与主动脉壁厚范围从1.1毫米到3.4毫米的变化有关7,17,18.四个模型的平均壁厚在2.26 ±0.39毫米。在这项研究中，壁厚的范围处于以前的数据范围之内7,17,18，因此被视为可以接受。壁厚结果与奥布赖恩等人发现的一个真实的主动脉进行比较14 ，他们记录了壁厚在真实的主动脉中厚度为2.39±0.32毫米。虽然壁厚似乎是在一个可接受的范围内，但模型被设计成有2毫米壁厚。由此产生的硅树脂模型不同于模型设计平均值9.21 的壁厚，是因为收缩蜡铸件凝固过程和热膨胀硅固化的过程。这些有限的技术也由奥布赖恩等人得到14。这以前记录的在壁厚模型设计中的百分比差异范围从一个真实的20 直线节的主动脉，变化到58 的区段大隐静脉。结果发现在本研究中被认为是可以接受的这个比例差异是大大低于以前记录的数值14。还应该提到的是该模型制作中全都是腹主动脉瘤模型和不连续环节，因此，可以预料百分比差异，高于以前记录的数据14。因此，我们应对制造这些模型很有信心。壁厚均匀这个问题应该得到处理。在模型设计中，管壁厚度被定为2毫米， 因此，由此产生的硅模型也应该有一个均匀的壁厚。基于上述原因，也就是蜡硅的收缩和扩张，每一个腹主动脉瘤模型的管壁厚度都有变化。这些壁厚的差异是由于这些病人特殊的复杂和曲折的腹主动脉瘤模型的几何形状。这些有限的数据也是由奥布赖恩14等人指出的。康庄等人16制造了理想化的血管模型，并在这些非常简单的模型中，提出壁厚均匀问题是容易克服的，从而突出现实几何形状难度增加的事实，不仅在CAD / CAM过程，而且在模型制造本身。在这些测试模型中使用统一的壁厚被认为是不恰当的，因为它是已知的，实际的腹主动脉瘤的壁组织，它可以包括各种形式的动脉部分组织和血栓组织，因而通常是不均匀的。这些部位的钙化组织和血栓可从CT扫描检测，其被纳入壁厚模型部分所介绍的额外的复杂性。首先，被纳入部分不同材料性能的腹主动脉瘤模型的数据大大增加了计算的数值方程来求解在这些地方的壁应力，它变得极为复杂。所以其主要目的是结合实际的有机硅制造模型壁应力的实验验证数值研究同样的腹主动脉瘤模型。大部分的以前工作，就腹主动脉瘤的数值应力分析3-8,19-22已使用均匀的壁厚进行测试。我们以前的工作9得到的理想化的腹主动脉瘤模型的已知型号和平均壁厚数据被证明相当成功正确且铺平了使用相同的技术实行结合实际的腹主动脉瘤模型进行测试的道路。这个实验由我们小组得到的工作数值验证了理想化的腹主动脉瘤模型23，其中确认了模型中峰值应力的地点。这是使用这个模型所描述的程序来重新定义非均匀性的有机硅模型。在这个实验室中的血栓腹主动脉瘤模型的研究工作也已经开始。有人建议6，使用流体结构相互作用的办法(FSI)进行应力分析得到的结果可能会比使用有限元分析室壁应力的结果更准确。一些研究表明壁应力数值增加了1 21，而另一些研究表明增加从12.5 6至20.5 20。在壁应力的研究中由于流体结构带来的益处的作用，使这些均匀的腹主动脉瘤模型可以帮助实现验证这两种方法的应力研究工作。我们的实验室使用流体结构已经开展研究工作，采用网格为基础的平行代码耦合界面(MPCCI 3.0.6 ，弗劳恩霍夫SCAI ，德国)软件，像夫妻一样双方共同努力，取得了实际的壁应力值。值得注意的是，使用了一个研究人员广泛进行研究的流体结构的均匀的壁5,6,19-22，因此，根据壁厚均匀原则这项工作今后将允许用数字验证法对腹主动脉瘤模型壁应力进行验证。结论用于制造病人特殊的腹主动脉瘤模型的步骤已被描述。我们应对橡胶模型的重造充满信心，且其局限性也已指出。一般来说，有良好的几何精度的橡胶模型可通过合理的模型设计且使用控制参数在有机硅制造中生产。模型显示，在模型设计和有机硅模型制造之间有9.21%的百分比差异。壁厚均匀证明需要用最复杂的参数来控制，完成硅模型常规的检验和评估前的实验测试。这项技术可通过光学方法帮助验证数值及其审定9或通过实验测试来审定，如激光或PIV。总之，三维重建与CAD / CAM技术被证明是成功复制病人特殊的橡胶腹主动脉瘤模型的方法，并可能有助于对特殊病人的腹主动脉瘤模型进行实验测试。因此，使用有机硅腹主动脉瘤模型的均匀壁厚计算和制造将有助于数值验证的工作，也对壁应力研究和血管流动力学研究有帮助。 致谢作者要感谢(i)爱尔兰工程和技术(IRCSET)科学研究理事会，格兰特号RS/2005/340 ，(ii)格兰特号R01 - HL 060670的美国国家心肺和血液研究所，(iii)埃蒙卡瓦纳博士，一个中西部地区DE 血管外科医院的外科医生，利默里克， 他帮助收集病人的数据和背景资料， 和(iv)斯马斯沙阿来自于血管重塑和再生中心。附录现实模型的制造制造蜡模型的方法，按照下列步骤给出。 1 .第一副模型用于创建蜡模型。2 .用丙酮清洁模型的表面;确保它是一个个的散片并最后把他们装起来。3 .是这两个螺栓件上下模型紧密的合模。 4 .在150 的温度下在容器中熔解铸造用蜡 (Castylene B581 ， REMET公司)。 5 .把模型放在烤箱中预热至40摄氏度6 .模型放置的位置角度为45度，这可帮助液体蜡流入模型，尽量减少空气间隙以免危险，防止空隙和气泡的产生。 7 .蜡缓慢尽可能防止飞溅的倒入到模型，防止产生空腔。正如腔内浇注，模型放置到垂直位置，停止浇蜡。8 .蜡在模型中放置4个小时并让其慢慢冷却。在这冷却的过程中，模型被轻轻地用槌敲击来使任何被困空气上升到表面排出。 9 .由于蜡冷却和凝固，要用额外的蜡来填补模型的型腔，以确保一个完整的蜡模型的产生。 10 .打开模型，认真取出模型中的蜡模型。 制造有机硅模型的方法，按照下列步骤给出。1 .硅与固化剂混合的比例为9:1。 2 .两种材料混合在一起的事件为2分钟。这种液态硅将作为主动脉壁。液体硅胶包含气泡所以一旦用手混合时必须除去。混合的时间则好坏参半，通常在室温下大约90分钟即可。 3 .为了去除某些部分的被困泡沫液态硅放在像集装箱的容器中，直到所有气泡已经自己排出。持续的时间取决于容器中液态硅的粘度，事件可以由1小时到3小时不同。4 .一旦所有的空气已被排出，吸出所有的液态硅到60毫升注射器中。 5 .用丙酮清洁第二套铝模型。 6 .喷涂上一层硅模型喷涂剂到铝模型上8。 7 .认真消除任何多余的物质使蜡模型显得光亮。8 .喷涂外壳保护膜（瓦克SF18瓦克化学有限责任公司）到蜡模型上。喷涂后，放置2分钟。 9 .把蜡模型放在里面而把铝模型放在外边确保蜡模型有均匀的壁厚。 10 .使带螺栓的两个铝上下模型紧密合模。 11 .密封模型周围的边缘，以避免任何不必要的泄漏和缝隙。 12 .使用60毫升注射器慢慢注入液态硅到铝铸造模型。 13 .一旦液态硅注入，把模型放在温度50烤箱内，时间为24小时。14 .一旦完成，打开模型且认真清除有机硅模型和蜡模型中的杂质。15 .把有机硅模型和蜡模型放到温度100的烤箱内来融化模型上的蜡。参考文献1 赛卡利汉森，N.，里米特，R.，和迪费维，O. 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Although the use of numerical studies to gain an insight into the stress acting