基于3D打印技术的比格犬内脏解剖模型制造*

牛晓玉 桑立君 胡辛凯 李方正

（青岛农业大学动物医学院，青岛 266109）

动物解剖学是研究动物各器官的形态、结构及相互位置关系的一门科学，属于兽医形态学范畴，只有让学生观察到动物器官的真实结构，才能达到良好的教学效果，因此标本和模型是动物解剖学不可或缺的教学资源。目前教学中常用的内脏器官的教具主要是浸制标本、塑化标本和塑料模型3类。浸制标本在容器中都存在一定程度的变形，而且固定液具有强烈的刺激性气味；塑化标本能够保持器官的形态，但一般只能观察表面的结构，无法观察到器官内部的形态，而且价格昂贵，很难大批量使用[1]；商业化解剖模型普遍精细度不高，甚至出现结构错误。因此现有的解剖标本和模型很难满足教学的需要，严重影响了教学质量，国内外很多学者探索新的解剖标本制作方法。3D打印技术的兴起和数字医学的发展为解剖模型的制作提供了新的技术手段，数字化的解剖模型可以通过3D打印技术制作成逼真的实体模型，这些模型能够展示出器官的外观和内部形态结构[2-5]，而且教师可以根据教学需要通过3D打印技术制作出个性化的模型，能够弥补市场上商业化动物解剖模型精细度不高的缺陷。本研究的目的是探索一种高精度比格犬3D打印内脏拼装模型的制作方法。

1 材料和方法

1.1 实验材料

比格犬内脏三维数字模型是本实验室前期研究获得。主要步骤为：1岁龄的雌性比格犬经过冷冻切削技术得到断层图像，共762张，相邻图像间隔为1 mm。通过Photoshop的套索工具将骨骼、肺、心、肝、胃、小肠和大肠等器官分别以不同颜色标出，形成分割后断层图像，然后采用Mimics Medical软件根据各器官的灰度值进行三维重建，以STL文件导出。比格犬外形的模型采用ZBrush软件制作。

1.2 三维模型优化

将三维重建后模型导出，然后根据《家畜解剖学》教材的教学内容对三维模型的结构进行比较和分析，通过ZBrush软件的Smooth、Clay、Move等工具进行三维模型的修复和优化，使其满足教学需要。

1.3 比格犬解剖模型的快速制造

将优化完成的内脏器官三维数字模型分别转换成3D打印机能够识别的STL文件格式，然后采用3D Star 2.5.3软件进行切片，生成3D打印路径，再以聚乳酸（polylactic acid， PLA）为材料采用EinStart-S 3D打印机（先临三维科技股份有限公司，杭州）进行解剖模型的制造，获得器官的实体模型。

1.4 模型后期处理

打印后的模型需要进行后期处理。先将打印出的模型浸入抛光液中5 ～20 s进行抛光；然后用丙烯颜料对模型进行涂色，以便于区别不同的器官组织结构；最后在相应的部位安装磁铁，利用磁性进行模型的拼装。采用3D Max软件根据骨骼模型尺寸设计出比格犬模型的外壳。

2 结果

2.1 比格犬内脏三维模型

比格犬断层图像经Mimics Medical软件三维重建得到了全身骨骼、气管、肺、心、食管、胃、小肠、大肠、肝、肾等器官（图1）的三维模型。

图1 比格犬内脏三维模型A：左肺；B：肝；C：小肠和大肠；D：胃；E：脾；F：肾

2.2 三维模型优化

参考《家畜解剖学》教材中的犬内脏教学内容，分析重建的三维模型解剖学结构。肺三维模型能够显示出肺的外形、肋压迹和前、中、后3叶；肝三维模型能够显示出肝的外形、分叶特征以及肾压迹；肠模型能够显示出小肠和大肠的走向和分段特征；胃模型能够显示出弯曲的梨形和左端膨大；脾和肾模型可以显示出器官的外形，因此重建得到的三维模型可以再现犬内脏器官的形态结构和相互位置关系。

2.3 模型的3D打印

将模型分别导入3D打印软件，调整好模型的角度和打印参数（图2A、B，封三），以聚乳酸（polylactic acid， PLA）为材料，通过FDM打印机得到了犬内脏和全身骨骼三维模型（图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；小肠和大肠模型打印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；心脏模型打印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 模型的后期处理和拼装

对打印的模型进行抛光、上色、拼接等处理后，完成犬精准解剖模型的组装（图2E、F）。此模型可清晰显示器官的位置关系和构造（图2E、F、G，封三）。

图2 模型的3D 打印及打印后处理

3 讨论

3D打印技术是一种以数字模型为基础的快速成型制造技术，该技术已逐步应用于工业设计、建筑、汽车、航空航天、医疗、教育等领域[6]。为了弥补目前商业解剖模型的不足，很多研究者根据教学的需要，利用3D打印技术自行制作解剖模型[7-8]。笔者在前期研究中曾对犬胸腔分离标本进行三维扫描，然后通过3D打印技术打印得到犬胸腔解剖模型，能够准确显示出胸腔中肺、心和主要血管的形态[1]，但是由于扫描的的是动物标本的整体模型，各器官无法分离，不能观察到标本深层的结构。本研究中使用的三维数字模型是基于断层图像重建得到的，器官三维模型的形态与动物器官真实形态一致，通过此模型，学生可以直观观察到动物体内各器官的形态和位置关系，而且可以进行器官的拼装练习，既加深了对解剖结构的学习，又提高了学习过程的趣味性。3D打印技术用于动物解剖模型制造，可以根据教学内容的需要实现教学模型的定制化，制作过程还可以吸收学生参与，既提高学生对解剖知识的掌握和解剖技能，还能激发了学生的学习兴趣，提高学生的创新能力。

本研究的局限性在于只能打印单色材料，目前解决方法是人工涂色，在今后的研究中探索使用全彩打印的3D打印机，只要把三维数字模型用软件设置好颜色，便可通过全彩3D打印机实现彩色打印，更加方便快捷。另外，本研究的模型只能显示器官的外形，器官的内部管道无法显示。孔祥雪等[9]将3D打印和模具技术制作结合，制作出可以显示肝脏内部管道的新型肝脏模型，为我们提供了新研究思路，在将来的研究中，将3D打印技术与管道铸型技术结合，可制作出既有精准外形又能显示内部结构的解剖模型。

本项目以断层数据重建的三维模型为基础，采用3D打印技术建立了比格犬内脏器官的快速制造方法，制作的可拆装解剖模型能够准确还原犬内脏的形态结构和位置关系，并可实现批量制造，能够为动物解剖学实验教学提供教学资源，还能为临床技能训练提供教具，具有很高的实用价值和广阔的市场前景。