張超慧, 關(guān) 喆, 匡寶平, 申笑顏， 黃 和

(沈陽醫(yī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與數(shù)理教學(xué)部，沈陽 110034)

0 引 言

仿真技術(shù)越來越受到各行各業(yè)的歡迎和重視，尤其在具體實(shí)施之前的理論驗(yàn)證階段，仿真提供了有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還節(jié)省了人力和財(cái)力的投入[1-3]。在軍事演練、大型設(shè)備安裝、醫(yī)用治療等，模擬仿真所起的作用則尤為突出[4-6]；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的仿真實(shí)驗(yàn)為醫(yī)生對(duì)患者治療方案提供更可靠的安全保證和更準(zhǔn)確的醫(yī)治選擇?，F(xiàn)代期刊中有很多這方面的研究及成功實(shí)施案例[7-9]。但在現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)模擬仿真研究中，更多的是通過仿真系統(tǒng)或建立模型方法來模擬組織內(nèi)部表現(xiàn)的情況，卻鮮有報(bào)道對(duì)于某一組織表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行的仿真研究。對(duì)于醫(yī)學(xué)模擬仿真中的外層組織材質(zhì)仿真在模擬臨床試驗(yàn)、醫(yī)學(xué)科研及教學(xué)演示中都具有重要的情景再現(xiàn)作用。就現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展來說，不論是中西醫(yī)結(jié)合還是整合醫(yī)學(xué)，都希望對(duì)醫(yī)學(xué)研究是一個(gè)整體的研究，一個(gè)全面因素的考量[10-12]。本文以心臟仿真模型外層材料制備為研究出發(fā)點(diǎn)，希望通過對(duì)組織材料的配制及優(yōu)化過程的研究，能為醫(yī)學(xué)仿真模型中的外層組織仿真提供一個(gè)可行參考。

本文選用的多因素影響實(shí)驗(yàn)是科研人員認(rèn)可度高的實(shí)驗(yàn)方案-正交試驗(yàn)法進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證。并通過具有代表性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化分析，尋找心臟仿真模型外層材料制備的最佳配比組合。內(nèi)表面層材質(zhì)制備由已有數(shù)據(jù)支撐，摸索改為單因素變量考查。組織功能區(qū)域二次修飾采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析來尋找最佳處理方案。本文依據(jù)模型外層材質(zhì)各區(qū)域特點(diǎn)不同，采用了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方法。

1 試驗(yàn)方案選用

正交試驗(yàn)是科學(xué)分析多條件多交叉因素影響下的快速優(yōu)化方法[13-15]。該方法既可以定性地分析出所有參考指標(biāo)的重要度排序，又可以定量地給出具體指標(biāo)的用量數(shù)值及指標(biāo)搭配的最佳方案。正交試驗(yàn)過程一般分為5步：① 找出試驗(yàn)測試條件及下級(jí)指標(biāo)；② 選擇驗(yàn)證試驗(yàn)的正交表類型；③ 添加試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并依據(jù)結(jié)果滿意度進(jìn)行排序；④ 通過極方差等分析，選出各條件最優(yōu)結(jié)果；⑤ 得到各因素下級(jí)指標(biāo)最佳組合。正交試驗(yàn)是一種客觀、科學(xué)、有效的系統(tǒng)分析方法。單因素變量考查實(shí)驗(yàn)同樣是重要的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法之一；在確定其他因素的同時(shí)，準(zhǔn)確找出變量的影響關(guān)系[16]。對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出有效的判定分析[17]。

2 試驗(yàn)條件分析

2.1 模型外表面材質(zhì)試驗(yàn)條件選擇

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯獗砻媾渲扑x原料及條件包括：液體硅膠、固化劑、染料用量及固化時(shí)間4個(gè)指標(biāo)。其中液體硅膠作為心臟仿真模型外層材質(zhì)需要選用涂覆性好，成膜后黏彈性及觸感等參數(shù)仿真度高的材料。通過前期對(duì)比確定選用EEA的液體模具硅膠。實(shí)驗(yàn)中所用到的固化劑起到對(duì)液體硅膠恰當(dāng)交聯(lián)作用。如用量過少，則液體硅膠交聯(lián)度小，固化時(shí)間過長并且有可能無法形成一定厚度的外層膜。用量過度，液體硅膠交聯(lián)度太高，固化成型過快，無法形成平滑的包覆外層，并且涂覆過程中的儲(chǔ)存時(shí)間也過短。本實(shí)驗(yàn)選用固化劑是與硅膠配套的型號(hào)為EEA-G。實(shí)驗(yàn)中用到的染料是對(duì)心臟各部位組織本色進(jìn)行仿真。需要選擇與主料溶解度好，且長時(shí)間互溶而不易析出的油性樹脂顏料。固化時(shí)間對(duì)成膜參數(shù)及后期修飾處理有重要影響，因此在實(shí)驗(yàn)中作為一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2.1.1 建立模型外表面材質(zhì)實(shí)驗(yàn)正交表

根據(jù)原料選擇初期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將原料及條件范圍選擇如下：液體硅膠選擇測試加入量分別為80、100、120 mL；固化劑選擇測試加入量分別為1.5、2、3 mL；油性樹脂染料選擇測試加入量分別為15、17、20 mL；干燥時(shí)間分別選擇0.5、1、2 h。綜合以上4方面考查條件及每個(gè)條件下面3個(gè)下級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)，選擇建立L9(34)正交試驗(yàn)，見表1。

表1 正交試驗(yàn)表

2.1.2 外表面材質(zhì)的結(jié)果與分析

將正交表所作心臟仿真模型外表面層材質(zhì)試驗(yàn)通過以下指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判:① 材料附著性，即外層材質(zhì)與基底模型牢固度，附著力越大牢固度越好。本實(shí)驗(yàn)該方面用彈力值檢測。② 外層材質(zhì)黏彈性，要求外層材質(zhì)有心臟外層組織受壓力較好的回彈性和類生物黏性。用醫(yī)學(xué)常用按壓回彈觀測。③ 色差度，即材料能較好地展現(xiàn)組織原有顏色，使仿真模型更形象逼真。④ 抗氧化性，即材料抵抗空氣、光照等環(huán)境下的抗氧化能力。⑤ 耐變色能力，即材料外觀顏色長時(shí)間放置變色快慢。⑥ 觸感評(píng)判，即與心臟外層組織相近的接觸感覺。以上系列檢測均由每組摸索試驗(yàn)涂抹得到的外層膜后，做成的10 cm×5 cm樣品長條進(jìn)行的平行檢測。之后按各指標(biāo)結(jié)果滿意度進(jìn)行賦分，再進(jìn)行正交分析。

綜合結(jié)果(見表2)評(píng)判是按以上6方面指標(biāo)進(jìn)行1～5級(jí)評(píng)判，單項(xiàng)最高分為1分，分差值為0.2分。每一行的結(jié)果代表一組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)結(jié)果滿意度的程度，綜合評(píng)價(jià)得分為該組實(shí)驗(yàn)考察結(jié)果的總得分。綜合評(píng)價(jià)表的建立既是正交分析的賦值依據(jù)，也可以直觀、便捷的看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣程度。正交試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析(見表3)是將每項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行綜合科學(xué)分析后的數(shù)據(jù)輸出。均值K為每個(gè)測試條件中對(duì)應(yīng)下級(jí)指標(biāo)的權(quán)重?cái)?shù)，其數(shù)值越高，代表該指標(biāo)對(duì)結(jié)果滿意度越高。因此在液體硅膠A的3個(gè)加入量對(duì)應(yīng)K值4.200、4.400、4.133當(dāng)中，第2項(xiàng)K值最高，即液體硅膠加入量是100 mL時(shí)為最佳選擇。固化劑B的3個(gè)加入量對(duì)應(yīng)K值3.333、5.133、4.267當(dāng)中，第2項(xiàng)K值最高，即固化劑的加入量是2 mL時(shí)為最佳選擇。油性樹脂染料C的3個(gè)加入量對(duì)應(yīng)K值4.333、4.267、3.733當(dāng)中，第2項(xiàng)K值最高，即油性樹脂染料加入量是17 mL時(shí)為最佳選擇。外層材質(zhì)干燥時(shí)間D的3個(gè)時(shí)長對(duì)應(yīng)K值5.467、4.133、3.133當(dāng)中，第1項(xiàng)K值最高，即外層材質(zhì)干燥時(shí)間是2 h時(shí)為最佳選擇。極差值R為4個(gè)測試條件對(duì)結(jié)果滿意度相對(duì)影響的顯著性大小。由R值0.267、1.800、0.934、2.334，可以看出外層材質(zhì)干燥時(shí)間D的參數(shù)選擇對(duì)結(jié)果影響最明顯。之后是固化劑B的參數(shù)選擇對(duì)結(jié)果影響較強(qiáng)。而油性樹脂染料C和液體硅膠A的參數(shù)變化所產(chǎn)生的影響相對(duì)不明顯。因此心臟仿真模型外層材質(zhì)試驗(yàn)最優(yōu)組合選擇為D1B2C2A2。此結(jié)論在接下來的原料含量選擇效應(yīng)曲線上(見圖1)也能得到很好的證明。在液體硅膠A的加入量曲線顯示上，走勢為先增加后下降。該曲線斜率變化不大，走勢緩慢，因此在參考條件中的相對(duì)影響顯著性較小。在固化劑B的加入量曲線顯示上，走勢也為先增加后下降。但該曲線斜率變化很大，折線走勢尖銳，在參考條件中的相對(duì)影響顯著性很大。油性樹脂染料C的加入量曲線顯示上，走勢雖為先增加后下降。但曲線斜率變化與前兩個(gè)有所不同，介于兩數(shù)值之間。相對(duì)影響顯著性高于A而低于B。外層材質(zhì)干燥時(shí)間D的加入量曲線顯示上，走勢為兩個(gè)斜率更大的折線連接，此項(xiàng)斜率值為4個(gè)參考條件中的最大斜率值，因此相對(duì)影響顯著性也最大，與K、R值的分析規(guī)律相同。另外方差分析給出的0.116、4.862、1.342、8.222 4個(gè)數(shù)值，也同樣印證了顯著性的排序(見表4)。因此，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯獗砻娌馁|(zhì)最佳實(shí)驗(yàn)組合為：外層材質(zhì)干燥時(shí)間2 h，固化劑加入量2 mL，油性樹脂染料加入量17 mL，液體硅膠加入量100 mL時(shí)，綜合指標(biāo)更接近仿真心臟外層表面材料要求。

表2 結(jié)果滿意度的綜合評(píng)價(jià)

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析

表4 外表面材質(zhì)正交試驗(yàn)方差分析

2.2 模型內(nèi)表面材質(zhì)試驗(yàn)條件選擇

心臟等人體組織大部分內(nèi)表面由于有筋膜等淺色或白色結(jié)締組織，因此配制的模型內(nèi)表面仿真不添加油性樹脂染料進(jìn)行顏色調(diào)整；以模型外表面材質(zhì)最佳組結(jié)論D1、B2、A2進(jìn)行調(diào)制時(shí)(去除油性樹脂染料)，發(fā)現(xiàn)成膜表面不是最好狀態(tài)；因此依據(jù)之前模型外表面材質(zhì)摸索的制備經(jīng)驗(yàn)，模型內(nèi)表面材質(zhì)主要以液體硅膠A2加入量100 mL、材質(zhì)干燥時(shí)間D1是2 h為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，進(jìn)行固化劑(1.5，2，2.5，3 mL)的用量摸索(見表5)。之后將各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果按各指標(biāo)結(jié)果滿意度進(jìn)行賦值打分(見表6)，最終選出模型內(nèi)表面材質(zhì)最佳實(shí)驗(yàn)組合。以上系列檢測均由每組單因素變量考查摸索試驗(yàn)涂抹得到的內(nèi)層膜后，做成的10 cm×5 cm樣品長條進(jìn)行的平行檢測。由于該部分實(shí)驗(yàn)參考因素為單個(gè)變量參數(shù)，因此分值最高的組即可判定為模型內(nèi)表面材質(zhì)的最佳比例組合。通過指標(biāo)結(jié)果滿意度的綜合評(píng)價(jià)數(shù)值大小，認(rèn)為配制組合3的原料配制比例符合模型內(nèi)表面材質(zhì)最佳要求。即外層材質(zhì)干燥時(shí)間為2 h，固化劑加入量為2.5 mL，液體硅膠加入量為100 mL。對(duì)比模型外表面配制的固化劑添加量提升0.5 mL，是減少的油性樹脂染料對(duì)液體硅膠起到了一定固化定型的作用。對(duì)比可見，對(duì)于分析類似模型外表面材質(zhì)一樣配比中有多條件多交叉因素影響下的復(fù)雜試驗(yàn)條件摸索，正交試驗(yàn)優(yōu)化分析確是一種高效、可靠的系統(tǒng)分析方法；可以對(duì)各因素之間的交互影響等因素進(jìn)行包含性測評(píng)篩查。

表5 內(nèi)層材質(zhì)原料用量選取組合

表6 內(nèi)層材質(zhì)指標(biāo)結(jié)果滿意度綜合評(píng)價(jià)

2.3 模型內(nèi)表面功能區(qū)域材質(zhì)試驗(yàn)條件選擇

心臟模型除了內(nèi)、外兩部分表層材質(zhì)仿真外，內(nèi)部組織功能區(qū)域也需要進(jìn)行仿真展示。而其中部分結(jié)構(gòu)突出于內(nèi)層表面；因此該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部某些區(qū)域需要兩次涂覆修飾。其實(shí)驗(yàn)方式可分為3種：① 涂覆內(nèi)表面層時(shí)，對(duì)組織功能區(qū)域進(jìn)行加厚涂覆處理;② 先涂覆一層厚度適中的內(nèi)表面層，干燥一段時(shí)間后對(duì)組織功能區(qū)域進(jìn)行加厚涂覆處理;③ 先涂覆一層厚度適中的內(nèi)表面層，完全晾干后對(duì)組織功能區(qū)域進(jìn)行加厚涂覆處理。其中，第①種方式直接對(duì)對(duì)組織功能區(qū)域進(jìn)行加厚涂覆處理時(shí)，由于液體硅膠短時(shí)間內(nèi)并未定型；因此厚涂覆區(qū)域會(huì)向周圍緩慢擴(kuò)散，會(huì)造成周圍區(qū)域更大面積的厚度疊加，無法形成較明顯的展示區(qū)分。第②種方式可以使功能區(qū)域突出于內(nèi)層表面，但間隔處理時(shí)間不同，所得效果也有很大區(qū)別；因此需要更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第③種方式經(jīng)試驗(yàn)后可以使功能區(qū)域突出于內(nèi)層表面，但由于底層硅膠已完全固化成膜，對(duì)后期涂覆的硅膠會(huì)形成較明顯的分層效應(yīng)，其材料附著性指標(biāo)會(huì)受到較大影響。

對(duì)比以上3種實(shí)驗(yàn)方案，本實(shí)驗(yàn)以第②種方式進(jìn)行組織功能區(qū)域厚涂覆修飾考察。根據(jù)之前外表面層材質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔處理分別選為15、30、60 min，3次平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以上系列檢測均由同組試驗(yàn)涂抹得到的內(nèi)層膜后，分3組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2次厚涂覆修飾考察厚涂覆初期效果、干燥后附著力、厚涂覆后期效果等指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。樣品1干燥15 min后進(jìn)行的2次厚涂覆修飾，厚涂覆初期效果好，由于液體硅膠固化時(shí)間較短，2次涂覆與基層硅膠交接區(qū)域形成互溶狀態(tài)，因此干燥后附著力效果好，不易產(chǎn)生中間分層和斷裂情況，后期觀查沒有明顯分層現(xiàn)象。樣品2干燥30 min后進(jìn)行的2次厚涂覆修飾，厚涂覆初期效果好，但由于液體硅膠固化時(shí)間相對(duì)較長，淺層表面成膜已較明顯，2次涂覆與基層交接區(qū)域形成互溶度低，因此干燥后附著力效果良好，易產(chǎn)生少量的中間分層和斷裂情況，后期觀查有少量分層現(xiàn)象。樣品3干燥60 min后進(jìn)行的2次厚涂覆修飾，厚涂覆初期效果好，但由于液體硅膠固化時(shí)間長，表面成膜已較明顯，2次涂覆與基層交接區(qū)域形成難互溶現(xiàn)象，因此干燥后附著力效果良好，易產(chǎn)生中間分層和斷裂，后期觀查部分區(qū)域有明顯分層現(xiàn)象。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，心臟模型內(nèi)部組織功能區(qū)域2次涂覆選擇底層涂覆15 min后進(jìn)行后續(xù)處理效果最佳。同時(shí)整理所有實(shí)驗(yàn)中時(shí)間數(shù)據(jù)，我們也對(duì)心臟模型涂覆不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)注意事項(xiàng)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，希望能對(duì)更多仿真模型外層硅膠材料處理運(yùn)用提供更多有意義的參考，見表8。

表7 不同間隔時(shí)間處理厚涂覆修飾平行實(shí)驗(yàn)

表8 模型涂覆不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)總結(jié)

3 結(jié) 語

本文對(duì)模擬臨床試驗(yàn)、醫(yī)學(xué)科研及教學(xué)演示中具有重要情景再現(xiàn)作用的心臟模型外層組織材質(zhì)仿真進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)制備研究；并且根據(jù)內(nèi)、外表面層材質(zhì)及內(nèi)部組織功能區(qū)域要求不同，采用了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方案。

外層材質(zhì)制備選擇為4個(gè)因素條件及3個(gè)下級(jí)指標(biāo)的多交叉實(shí)驗(yàn)摸索，因此選擇建立L9(34)正交試驗(yàn)方法，并根據(jù)結(jié)果滿意度，K、R值分析及效應(yīng)曲線得到了心臟仿真模型外層材質(zhì)試驗(yàn)最優(yōu)選擇為D1、B2、C2、A2，即外層材質(zhì)干燥時(shí)間2 h，固化劑加入量2 mL，油性樹脂染料加入量17 mL，液體硅膠加入量100 mL。方差分析表明,外層材質(zhì)干燥時(shí)間D的參數(shù)選擇對(duì)結(jié)果影響最明顯，之后是固化劑B的參數(shù)選擇對(duì)結(jié)果影響較強(qiáng)，而油性樹脂染料C和液體硅膠A的參數(shù)變化影響相對(duì)不明顯。

內(nèi)層材質(zhì)制備由于有試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，該條件摸索為單因素變量考察。因此，綜合結(jié)果分值最高的組即可判定為模型內(nèi)表面材質(zhì)最佳比例組合。外層材質(zhì)最佳條件為干燥時(shí)間為2 h，固化劑加入量為2.5 mL，液體硅膠加入量為100 mL效果最好。

心臟模型內(nèi)部組織功能區(qū)域2次修飾經(jīng)3次平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：樣品干燥15 min后進(jìn)行的2次厚涂覆修飾效果好，由于該條件下的液體硅膠固化時(shí)間較短，2次涂覆與基層交接區(qū)域形成更多的互溶狀態(tài)，因此干燥后附著力效果好，不易產(chǎn)生中間分層和斷裂情況，后期觀查沒有明顯分層現(xiàn)象。

本文以心臟仿真模型外層材料制備為研究出發(fā)點(diǎn)，希望通過對(duì)該方面組織材料的配制及優(yōu)化過程的研究，能為醫(yī)學(xué)仿真模型中的外層組織仿真提供一個(gè)可行參考。