SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：离体器官机械灌注技术可以有效解决供体短缺的问题，减少术后并发症的风险，是近年来器官保存的研究热点。为了解决肝 脏移植转运过程中因储肝容器的结构缺陷导致的器官损伤问题，提出了一种基于肝脏仿生形态进行储肝容器的结构优化设计的方 法。首先通过医学三维重建软件Mimics 软件，对人体肝脏CT 图像进行扫描，重建肝脏三维模型，然后计算肝脏体积，最后根据计 算结果基于肝脏仿生形态设计储肝容器的结构。新的储肝容器结构能模仿肝脏在人体内的形态，结构稳定，大减轻了转运时肝脏 在储肝容器内的振动，便于机械灌注，更好地维持肝脏生理机能，提升了肝脏移植成功率。该结构设计可以为以后储肝容器的设计制造提供参考。
Design of Liver Storage Container Structure Based on Liver Biomimetic Morphology
Zhou Peng，Wang Sujuan，He Lin，Zhao Lulu，Wang Zhiqiang ( Guangdong Foshan Lianchuang Graduate of Engineering，Foshan，Guangdong 528300.China )
Abstract：The isolated organ mechanical perfusion technique can effectively solve the problem of donor shortage and reduce the risk of postoperative complications.In order to solve the problem of organ damage caused by the structural defects of liver storage vessels during liver transplantation and transport，a structural optimization design method based on the biomimetic morphology of liver storage vessels is proposed. First，the CT images of the human liver are scanned through the medical 3D reconstruction software Mimics，and the 3D liver model is reconstructed，and then the liver size and volume are calculated.Finally，depending on the calculation results，structural of the liver storage container is designed based on the biomimetic morphology of the liver.The new liver storage container imitates the liver’s shape in the human body，the liver can be kept stable，the liver vibration in the liver storage container can be greatly reduced，which can not only facilitate mechanical perfusion，but also better maintain the liver physiological function and improve the success rate of liver transplantation.The structure design can provide a reference for the future design and manufacture of liver storage containers.
Key words：liver storage container;bionic form;optimum design;3D reconstruction
0 引言
肝移植是拯救末期肝病的唯一手段[1-4] 。早在1963 年，美国的托马斯·斯塔瑞教授在科罗拉多大学进行了 人类历史上第一例肝脏移植，从此开启了人类肝脏移植 的大门[5]。我国每年约有15 000 人急需肝脏移植，然而 肝脏供体严重不足，提高对供体的修复及转运成功率对 迫切需要肝脏移植的患者极为重要。进入21 世纪后，临 床医学技术及医疗设备高速发展，器官移植已经达到了 一个新的医学高峰，器官转运设备的研究与发展也应运而生。
在国内外学者的不断努力下，目前肝脏转运设备的 类型已经十分丰富[6-8]，但是研究重点多集中在转运设 备的系统设计及血液损伤方面，对于转运设备内部储肝 容器的研究较少，传统的内部储肝容器的结构单一，并 未考虑肝脏的仿生形态结构及肝脏的实际体积差异，导致肝脏在转运过程中由于无法保持在人体内的形态而受到损坏，影响最终手术的成功。为此，本文利用Mimics 软件，对人体肝脏CT 图像进行扫描及计算，得到肝脏 的形态、实际大小和体积，然后根据肝脏的实际大小和 体积，基于肝脏的仿生形态对储肝容器进行结构优化设 计，旨在使得储肝容器与人体肝脏的实际形状、体积更 为接近，提高肝脏在转运过程中的稳定性，减小肝脏损 伤，实现对肝脏更好的转运及保存，从而减少术后并发 症的风险，提高手术成功率，该设计可以为以后储肝容器的设计提供理论参考。
1 相关肝脏移植设备结构分析
目前国际上现有的离体肝脏机械灌注设备主要包括Liver Assist ( 荷兰Organ Assist 公司)、OrganOx metra ( 英国OrganOx 公司)、Lifeport Liver Transporter ( 美国Organ Recovery Systems 公司)、OCS Liver ( 美国Transimedics) [ 9 ]，其中Liver Assist 设备不可对离体肝脏进行转运。这几款设备的具体特性分析如表1所示。
随着计算机仿真及现代医学的不断发展，再加上近年来各 国对医疗设备发展的大力扶持，现如今，机械灌注已经 成为一种新型的器官保存、转运甚至修复的方式，该技 术能够模拟正常的人体生理环境，提供离体器官所需的 氧气、温度和各种营养物质等，极大地延长了器官保存 时间，提高了手术成功率[10-12] 。
对上述4款设备的储肝形式进行分析可知，在结构 方面，离体肝脏储存在冰盒或水浴箱中，且大多以肝右 端上部结构朝下放置，如图1所示。该方式虽然便于对 肝动脉、门静脉进行插管和机械灌注，但是却忽略了肝 脏在人体内的形态，容易使得肝脏在离体后由于形态结构发生变化而导致受损及机能下降。美国Transimedics 公司的OCS Liver 设备在储存肝脏时采用的结构更加符合肝脏在人体内的仿生形态，如图2所示，但是这种结构对 肝脏进行机械灌注时插管较为复杂，操作难度极大，耗 时较长，且容易发生插管错位。
在尺寸设计方面，传统储肝容器的尺寸是固定的，但是离体肝脏的实际尺寸却大小不一。肝脏与容器的尺寸不匹配容易导致肝脏在转运过程中因晃动产生较大的变形，对肝脏表面造成损伤，影响其内部血液正常流动以及术后成功率。由此可见，传统的储肝容器在插管分 布、结构设计等方面存在一定的缺陷，需要对其进行优 化设计，使其插管分布更为合理，使其结构与肝脏的实 际形状及体积更加贴合，从而使得储肝容器能够在肝脏 转运过程中更好地保存和养护离体肝脏，提高后续的手术成功率。
2 储肝容器结构设计
2.1 重建肝脏三维模型
近年来，多层螺旋CT 三维重建法已被临床普遍认 为是可以准确测量活体肝脏体积的方法[13] 。研究显示基于CT 的三维重建法测量的肝体积值与肝实际体积测定值非常接近，说明三维重建法具有良好的准确度，在临床工作中可被广泛用于估算实际肝体积。本文从东芝64 排螺旋CT 设备获得的DICOM 格式腹部CT 图像进行断层扫描。扫描后的数据导入三维重建软件Mimics21.0 中，进行“阈值分割”、“区域增长”、 “布尔运算”等操作，然后对肝脏二维蒙版进行三维重 建，得到表面较为粗糙的肝脏三维模型，最后进行光滑处理。肝脏三维重建图像流程图如图3所示。
2.2 测量肝脏大小及体积
为了根据肝脏仿生形态对储肝容器进行结构优化设计，使其更加贴合肝脏的实际形状及体积。需要先对肝脏的大小和体积进行测量。由于CT 的空间和时间分辨率都较高，扫描后进行三维建模能够清晰地显示肝脏各叶轮廓、胆管走向及其与相邻组织器官的关系，能满足对全肝体积进行测量的要求[14-15 ] 。测量肝脏的长、宽、高时分别以图中X、Y、Z 轴上肝脏的最大长度作为测量值，如图4所示。
图4 肝脏测量方式对由50 例得出的肝脏三维模型数据进行整理分类，如表2所示。
由于不同人种、性别以及不同测量方法之间的差异，各文献报道的正常肝脏体积具体数值也不尽相同。Joyeux 等[16] 用CT 测量了50 名健康人肝脏体积，得出平 均肝脏体积为1231 cm3;丁可等[17] 对16 例正常组行16 层螺旋CT 肝脏容积测量，结果显示正常肝脏体积平均 为(1 097.12 ± 103.53 ) cm3.由此可见通过CT 图像得 出的肝脏三维模型的体积数据与同类研究学者基本吻合， 虽有一定偏差，但是在可控的范围内。
根据肝脏的长、宽、高及体积，对数据进行整理，根据体积大小将肝脏分为大、中、小3类。传统型号单一的转运设备，无法满足不同型号肝的储存及运输 需求，因此进行储肝容器的实际设计制造时，应该根 据不同大小的肝脏进行不同结构的尺寸设计，才能更好地储存肝脏。
2.3 结构设计
2.3.1 设计理念
储肝容器的结构设计，首先需要根据肝脏的实际 形状进行设计，减小肝脏在转运过程中的晃动损伤，提 高手术成功率;其次在实际生活中，人们体内的肝脏体 积相差甚远，由表2可以看出，肝脏的最小平均体积为 732 846.373 mm3.最大平均体积为1292 844.244 mm3. 其差值达到559 997.871 mm3.故在进行储肝容器体积的 设计时不能一概而论，需要根据实际肝脏体积对尺寸进 行合理设计，使其得以适配不同体积的肝脏;最后还应考虑肝脏在人体内的仿生形态及肝动脉、门静脉的机械灌注问题，让管道孔合理分布，减小工作人员的操作难度。
2.3.2 设计方法
对大中小号肝脏进行不同尺寸的容器设计，使其满足不同体积肝脏的移植需求。对肝脏动静脉、门静脉进行三维重建，如图5所示，通过三维重建图得知肝脏在 人体内是倚靠在下腔静脉上，因此下腔静脉对肝脏有一 定的支撑作用。在储肝容器内，可在底端设计一段凸起 状物来模拟下腔静脉，起到部分支撑作用。为了方便对肝动脉、门静脉两个入肝血流通路进行插管及行机械灌注，需要设计插管通道。容器底部设计开孔，如果肝脏表面出现出血，血液可沿底部开孔处流出。肝脏放入容器时，需要缓冲垫对其进行缓冲作用。
2.3.3 三维结构设计及说明
考虑到肝脏实体与容器的贴合程度，容器下腔体的 长宽高应略大于肝脏实体，间隙控制在30 mm。下腔体 进行曲面凹陷设计，如图6所示，底部设有支柱，可以 支撑部分肝脏的重量;同时设有出血口，出血口连接抽 血口，肝脏如若出现出血，血液可流入底部出血口，然 后经由抽血口流出，实现机械灌注系统中血液的循环。 容器前端设有5个半圆形凹槽，方便肝动脉、门静脉、 胆管等结构插管后管路的整齐放置。肝脏体积如果较大， 质量较大，可在下腔体表面固定一层材料为特氟龙的医 用纱网，如图7所示，起到缓冲肝脏的作用。
储肝容器的整体结构示意图如图8所示，主要分为 下腔、上盖两大部分，其中下腔包括出血口、抽血口、 支柱、插管放置处4部分。当需要进行机械灌注时，由 离心血泵带动血液，通过插管放置处的俩个管路分别进 入肝动脉和门静脉，同时管路上设置有压力传感器和流 量传感器，可实时监测血液输送情况，于此同时，在容 器底部同样分布有俩根管路，与之形成回路，便于肝脏灌注液回流。因为ABS 塑料具有良好的韧性、刚度等特点，且容易进行3D 打印，因此容器的下腔材料可采用 ABS 塑料，上盖采用有机玻璃材料，有机玻璃有很好的 硬度，同时也方便医护人员对肝脏进行实时的观察。肝 脏转运时的形态如图9 所示，储肝容器放置在转运设 备中的恒温箱中，配合机械灌注系统，对肝动脉、门 静脉进行插管，使肝脏继续正常运作，保持正常的生理机能。
3 结束语
高质量的离体肝脏，是肝移植手术成功的基础。合 理的优化器官储存容器的结构，配合机械灌注系统的支 持，才能对离体肝脏进行更有效的转运与保存。本文提 出的储肝容器结构，在体积和形态方面更加匹配实际肝 脏，在设计及结构上能更合理储存及转运离体肝脏，同 时也便于机械灌注，理论上可以大减轻肝脏在储肝容 器内的振动，减少术后并发症的风险，提高手术成功率，该设计可以为以后储肝容器的设计提供参考。但实际效果还需进一步通过肝脏移植手术临床试验进行验证。随着生物医学、工程学及移植技术的不断进步，相信肝脏 及人体其他器官转运设备必将更加稳定有效，从而更好 地服务于患者，造福人类。
参考文献：
[1]黄乾荣，张玲.原发性肝癌治疗研究新进展[J].实用医学杂 志，2016.32 ( 14 )：2275-2278.
[2]董家鸿.肝外伤治疗的现状[J].中华创伤杂志，2000(2)：3-4.
[3 ] 唐媛，吴易雄，李建华.中国器官移植的现状、成因及伦理研 究[J ].中国现代医学杂志，2008(8)：1142-1145.
[4]郑树森，俞军，张武.肝移植在中国的发展现状[J].临床肝胆 病杂志，2014.30( 1 )：2-4.
[5 ] STARZL T E，MARCHIORO T L，VONKAULLA K N，et al. Homeotransplantation of the liver in humans [ J ]. Surg Gynecol Obstet，1963.117：659-676.
[6]任晓龙.一种多器官机械灌注系统方案设计[J].机电工程技 术，2018.47 (4 )：86-88.
[7]李蕾，汪涛，徐军明.肝脏离体手术并自体移植的适应证与应 用前景[J ].肝脏，2019.24(2 )：121-122.
[ 8 ] 邝伟键，谭晓宇，何锡然，等.离体肝脏双泵双氧合机械灌注 设备应用于猪肝脏常温机械灌注的可行性研究[J]. 医疗卫 生装备，2021.42(5 )：1-5.
[9 ] 贾俊君，李建辉，周燕飞，等.器官移植机械灌注产品研究进 展[J ].中华移植杂志(电子版)，2016.10(2 )：88-91.
[ 10 ] 佚名.《中华移植杂志(电子版)》稿约[J ]. 中华移植杂志 ( 电子版)，2014.8 (3 )：173-175.
[11]任冯刚，朱皓阳，严小鹏，等.机械灌注技术在临床肝移植的 应用[J ].中国医疗器械杂志，2015.39(6)：427-431.
[ 12 ] 霍枫，陈焕伟，黄小桃.离体肝脏机械灌注保存与修复研究 进展[J ].实用器官移植电子杂志，2022.10(3)：248.
[ 13 ] 李金平，姜慧杰.多层螺旋CT 肝体积测量及临床应用[J ]. 世界华人消化杂志，2010.18 ( 17 )：1786-1791.
[ 14 ] LEE Sangheun，KIM Do Young. Non-invasive diagnosis of hepatitis B virus-related cirrhosis [ J ]. World Journal of Gastroenterology，2014.20 (2 )：445-459.
[ 15 ] BAI R J，REN S H，JIANG H J，et al.Accuracy of Multi-SliceSpiral Computed Tomography for Preoperative Tumor Node Metastasis (TNM ) Staging of Colorectal Carcinoma [ J ].Medical Science Monitor：International Medical Journal of Experimental and Clinical Research，2017.23：3470-3479.
[ 16 ] JOYEUX H，BERTICELLI J，CHEMOUNY S，et al. Semi-automatic measurements of hepatic lobes Application to study of liver volumes Analysis of 50 computed tomography of normal liver [ J ].Annales De Chirurgie，2003.128 (4 )：251-255 .
[17]丁可，黄仲奎，龙莉玲，等.慢肝纤维化、肝硬化CT 肝脏容积变化与病理学分期的相关性[J]. 实用放射学杂志，2008 ( 1 )：35-39.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/65247.html
