心脏仿真模型外层材料配方研制及实验优化

张超慧, 关 喆, 匡宝平, 申笑颜， 黄 和

(沈阳医学院 计算机与数理教学部，沈阳 110034)

0 引 言

仿真技术越来越受到各行各业的欢迎和重视，尤其在具体实施之前的理论验证阶段，仿真提供了有效的实验数据，还节省了人力和财力的投入[1-3]。在军事演练、大型设备安装、医用治疗等，模拟仿真所起的作用则尤为突出[4-6]；医学领域的仿真实验为医生对患者治疗方案提供更可靠的安全保证和更准确的医治选择。现代期刊中有很多这方面的研究及成功实施案例[7-9]。但在现有的医学模拟仿真研究中，更多的是通过仿真系统或建立模型方法来模拟组织内部表现的情况，却鲜有报道对于某一组织表面结构进行的仿真研究。对于医学模拟仿真中的外层组织材质仿真在模拟临床试验、医学科研及教学演示中都具有重要的情景再现作用。就现代医学发展来说，不论是中西医结合还是整合医学，都希望对医学研究是一个整体的研究，一个全面因素的考量[10-12]。本文以心脏仿真模型外层材料制备为研究出发点，希望通过对组织材料的配制及优化过程的研究，能为医学仿真模型中的外层组织仿真提供一个可行参考。

本文选用的多因素影响实验是科研人员认可度高的实验方案-正交试验法进行科学验证。并通过具有代表性的实验数据优化分析，寻找心脏仿真模型外层材料制备的最佳配比组合。内表面层材质制备由已有数据支撑，摸索改为单因素变量考查。组织功能区域二次修饰采用对比实验分析来寻找最佳处理方案。本文依据模型外层材质各区域特点不同，采用了相应实验优化方法。

1 试验方案选用

正交试验是科学分析多条件多交叉因素影响下的快速优化方法[13-15]。该方法既可以定性地分析出所有参考指标的重要度排序，又可以定量地给出具体指标的用量数值及指标搭配的最佳方案。正交试验过程一般分为5步：① 找出试验测试条件及下级指标；② 选择验证试验的正交表类型；③ 添加试验数据，并依据结果满意度进行排序；④ 通过极方差等分析，选出各条件最优结果；⑤ 得到各因素下级指标最佳组合。正交试验是一种客观、科学、有效的系统分析方法。单因素变量考查实验同样是重要的实验验证方法之一；在确定其他因素的同时，准确找出变量的影响关系[16]。对比实验方法可对实验结果做出有效的判定分析[17]。

2 试验条件分析

2.1 模型外表面材质试验条件选择

实验模型外表面配制所选原料及条件包括：液体硅胶、固化剂、染料用量及固化时间4个指标。其中液体硅胶作为心脏仿真模型外层材质需要选用涂覆性好，成膜后黏弹性及触感等参数仿真度高的材料。通过前期对比确定选用EEA的液体模具硅胶。实验中所用到的固化剂起到对液体硅胶恰当交联作用。如用量过少，则液体硅胶交联度小，固化时间过长并且有可能无法形成一定厚度的外层膜。用量过度，液体硅胶交联度太高，固化成型过快，无法形成平滑的包覆外层，并且涂覆过程中的储存时间也过短。本实验选用固化剂是与硅胶配套的型号为EEA-G。实验中用到的染料是对心脏各部位组织本色进行仿真。需要选择与主料溶解度好，且长时间互溶而不易析出的油性树脂颜料。固化时间对成膜参数及后期修饰处理有重要影响，因此在实验中作为一项重要指标。

2.1.1 建立模型外表面材质实验正交表

根据原料选择初期实验数据，将原料及条件范围选择如下：液体硅胶选择测试加入量分别为80、100、120 mL；固化剂选择测试加入量分别为1.5、2、3 mL；油性树脂染料选择测试加入量分别为15、17、20 mL；干燥时间分别选择0.5、1、2 h。综合以上4方面考查条件及每个条件下面3个下级指标数据，选择建立L9(34)正交试验，见表1。

表1 正交试验表

2.1.2 外表面材质的结果与分析

将正交表所作心脏仿真模型外表面层材质试验通过以下指标进行评判:① 材料附着性，即外层材质与基底模型牢固度，附着力越大牢固度越好。本实验该方面用弹力值检测。② 外层材质黏弹性，要求外层材质有心脏外层组织受压力较好的回弹性和类生物黏性。用医学常用按压回弹观测。③ 色差度，即材料能较好地展现组织原有颜色，使仿真模型更形象逼真。④ 抗氧化性，即材料抵抗空气、光照等环境下的抗氧化能力。⑤ 耐变色能力，即材料外观颜色长时间放置变色快慢。⑥ 触感评判，即与心脏外层组织相近的接触感觉。以上系列检测均由每组摸索试验涂抹得到的外层膜后，做成的10 cm×5 cm样品长条进行的平行检测。之后按各指标结果满意度进行赋分，再进行正交分析。

综合结果(见表2)评判是按以上6方面指标进行1～5级评判，单项最高分为1分，分差值为0.2分。每一行的结果代表一组实验对应结果满意度的程度，综合评价得分为该组实验考察结果的总得分。综合评价表的建立既是正交分析的赋值依据，也可以直观、便捷的看出实验结果的优劣程度。正交试验结果及直观分析(见表3)是将每项评价结果进行综合科学分析后的数据输出。均值K为每个测试条件中对应下级指标的权重数，其数值越高，代表该指标对结果满意度越高。因此在液体硅胶A的3个加入量对应K值4.200、4.400、4.133当中，第2项K值最高，即液体硅胶加入量是100 mL时为最佳选择。固化剂B的3个加入量对应K值3.333、5.133、4.267当中，第2项K值最高，即固化剂的加入量是2 mL时为最佳选择。油性树脂染料C的3个加入量对应K值4.333、4.267、3.733当中，第2项K值最高，即油性树脂染料加入量是17 mL时为最佳选择。外层材质干燥时间D的3个时长对应K值5.467、4.133、3.133当中，第1项K值最高，即外层材质干燥时间是2 h时为最佳选择。极差值R为4个测试条件对结果满意度相对影响的显著性大小。由R值0.267、1.800、0.934、2.334，可以看出外层材质干燥时间D的参数选择对结果影响最明显。之后是固化剂B的参数选择对结果影响较强。而油性树脂染料C和液体硅胶A的参数变化所产生的影响相对不明显。因此心脏仿真模型外层材质试验最优组合选择为D1B2C2A2。此结论在接下来的原料含量选择效应曲线上(见图1)也能得到很好的证明。在液体硅胶A的加入量曲线显示上，走势为先增加后下降。该曲线斜率变化不大，走势缓慢，因此在参考条件中的相对影响显著性较小。在固化剂B的加入量曲线显示上，走势也为先增加后下降。但该曲线斜率变化很大，折线走势尖锐，在参考条件中的相对影响显著性很大。油性树脂染料C的加入量曲线显示上，走势虽为先增加后下降。但曲线斜率变化与前两个有所不同，介于两数值之间。相对影响显著性高于A而低于B。外层材质干燥时间D的加入量曲线显示上，走势为两个斜率更大的折线连接，此项斜率值为4个参考条件中的最大斜率值，因此相对影响显著性也最大，与K、R值的分析规律相同。另外方差分析给出的0.116、4.862、1.342、8.222 4个数值，也同样印证了显著性的排序(见表4)。因此，实验模型外表面材质最佳实验组合为：外层材质干燥时间2 h，固化剂加入量2 mL，油性树脂染料加入量17 mL，液体硅胶加入量100 mL时，综合指标更接近仿真心脏外层表面材料要求。

表2 结果满意度的综合评价

表3 正交试验结果及直观分析

表4 外表面材质正交试验方差分析

2.2 模型内表面材质试验条件选择

心脏等人体组织大部分内表面由于有筋膜等浅色或白色结缔组织，因此配制的模型内表面仿真不添加油性树脂染料进行颜色调整；以模型外表面材质最佳组结论D1、B2、A2进行调制时(去除油性树脂染料)，发现成膜表面不是最好状态；因此依据之前模型外表面材质摸索的制备经验，模型内表面材质主要以液体硅胶A2加入量100 mL、材质干燥时间D1是2 h为实验基础，进行固化剂(1.5，2，2.5，3 mL)的用量摸索(见表5)。之后将各组实验结果按各指标结果满意度进行赋值打分(见表6)，最终选出模型内表面材质最佳实验组合。以上系列检测均由每组单因素变量考查摸索试验涂抹得到的内层膜后，做成的10 cm×5 cm样品长条进行的平行检测。由于该部分实验参考因素为单个变量参数，因此分值最高的组即可判定为模型内表面材质的最佳比例组合。通过指标结果满意度的综合评价数值大小，认为配制组合3的原料配制比例符合模型内表面材质最佳要求。即外层材质干燥时间为2 h，固化剂加入量为2.5 mL，液体硅胶加入量为100 mL。对比模型外表面配制的固化剂添加量提升0.5 mL，是减少的油性树脂染料对液体硅胶起到了一定固化定型的作用。对比可见，对于分析类似模型外表面材质一样配比中有多条件多交叉因素影响下的复杂试验条件摸索，正交试验优化分析确是一种高效、可靠的系统分析方法；可以对各因素之间的交互影响等因素进行包含性测评筛查。

表5 内层材质原料用量选取组合

表6 内层材质指标结果满意度综合评价

2.3 模型内表面功能区域材质试验条件选择

心脏模型除了内、外两部分表层材质仿真外，内部组织功能区域也需要进行仿真展示。而其中部分结构突出于内层表面；因此该实验模型内部某些区域需要两次涂覆修饰。其实验方式可分为3种：① 涂覆内表面层时，对组织功能区域进行加厚涂覆处理;② 先涂覆一层厚度适中的内表面层，干燥一段时间后对组织功能区域进行加厚涂覆处理;③ 先涂覆一层厚度适中的内表面层，完全晾干后对组织功能区域进行加厚涂覆处理。其中，第①种方式直接对对组织功能区域进行加厚涂覆处理时，由于液体硅胶短时间内并未定型；因此厚涂覆区域会向周围缓慢扩散，会造成周围区域更大面积的厚度叠加，无法形成较明显的展示区分。第②种方式可以使功能区域突出于内层表面，但间隔处理时间不同，所得效果也有很大区别；因此需要更详细的实验验证。第③种方式经试验后可以使功能区域突出于内层表面，但由于底层硅胶已完全固化成膜，对后期涂覆的硅胶会形成较明显的分层效应，其材料附着性指标会受到较大影响。

对比以上3种实验方案，本实验以第②种方式进行组织功能区域厚涂覆修饰考察。根据之前外表面层材质试验数据，时间间隔处理分别选为15、30、60 min，3次平行对比实验。以上系列检测均由同组试验涂抹得到的内层膜后，分3组实验进行2次厚涂覆修饰考察厚涂覆初期效果、干燥后附着力、厚涂覆后期效果等指标，实验结果见表7。样品1干燥15 min后进行的2次厚涂覆修饰，厚涂覆初期效果好，由于液体硅胶固化时间较短，2次涂覆与基层硅胶交接区域形成互溶状态，因此干燥后附着力效果好，不易产生中间分层和断裂情况，后期观查没有明显分层现象。样品2干燥30 min后进行的2次厚涂覆修饰，厚涂覆初期效果好，但由于液体硅胶固化时间相对较长，浅层表面成膜已较明显，2次涂覆与基层交接区域形成互溶度低，因此干燥后附着力效果良好，易产生少量的中间分层和断裂情况，后期观查有少量分层现象。样品3干燥60 min后进行的2次厚涂覆修饰，厚涂覆初期效果好，但由于液体硅胶固化时间长，表面成膜已较明显，2次涂覆与基层交接区域形成难互溶现象，因此干燥后附着力效果良好，易产生中间分层和断裂，后期观查部分区域有明显分层现象。综合以上实验结果，心脏模型内部组织功能区域2次涂覆选择底层涂覆15 min后进行后续处理效果最佳。同时整理所有实验中时间数据，我们也对心脏模型涂覆不同时间节点注意事项进行了经验总结，希望能对更多仿真模型外层硅胶材料处理运用提供更多有意义的参考，见表8。

表7 不同间隔时间处理厚涂覆修饰平行实验

表8 模型涂覆不同时间节点总结

3 结 语

本文对模拟临床试验、医学科研及教学演示中具有重要情景再现作用的心脏模型外层组织材质仿真进行了实验制备研究；并且根据内、外表面层材质及内部组织功能区域要求不同，采用了相应实验优化方案。

外层材质制备选择为4个因素条件及3个下级指标的多交叉实验摸索，因此选择建立L9(34)正交试验方法，并根据结果满意度，K、R值分析及效应曲线得到了心脏仿真模型外层材质试验最优选择为D1、B2、C2、A2，即外层材质干燥时间2 h，固化剂加入量2 mL，油性树脂染料加入量17 mL，液体硅胶加入量100 mL。方差分析表明,外层材质干燥时间D的参数选择对结果影响最明显，之后是固化剂B的参数选择对结果影响较强，而油性树脂染料C和液体硅胶A的参数变化影响相对不明显。

内层材质制备由于有试验实验数据支撑，该条件摸索为单因素变量考察。因此，综合结果分值最高的组即可判定为模型内表面材质最佳比例组合。外层材质最佳条件为干燥时间为2 h，固化剂加入量为2.5 mL，液体硅胶加入量为100 mL效果最好。

心脏模型内部组织功能区域2次修饰经3次平行对比实验发现：样品干燥15 min后进行的2次厚涂覆修饰效果好，由于该条件下的液体硅胶固化时间较短，2次涂覆与基层交接区域形成更多的互溶状态，因此干燥后附着力效果好，不易产生中间分层和断裂情况，后期观查没有明显分层现象。

本文以心脏仿真模型外层材料制备为研究出发点，希望通过对该方面组织材料的配制及优化过程的研究，能为医学仿真模型中的外层组织仿真提供一个可行参考。