3D打印技术制作车载式磁共振接收线圈的应用研究

刘志超，杨 炯，王晓枫，刘海峰

3D打印技术制作车载式磁共振接收线圈的应用研究

刘志超，杨 炯，王晓枫，刘海峰

目的：制作车载式核磁共振接收线圈，应用于突发灾害现场伤情相对复杂的人体部位外伤检诊，提供有效、简易线圈设备，快速定位诊断，正确判断伤情，满足车载式磁共振系统设备机动性强的基本要求。方法：应用3D打印技术中熔融沉积制造（fused deposition modeling，FDM）技术将聚乳酸（polylactic acid，PLA）加热熔化到半流体态，在计算机的控制下，根据所要轮廓信息，喷头将半流态材料挤压，凝固后形成轮廓状的薄层，最后进行固化，形成接收线圈。结果：利用3D打印技术制作完成符合人体主要部位需要的适合野外救援车载化条件（如头颈、肩、腰椎、膝关节等关键部位）的磁共振射频接收线圈，满足核磁医疗诊断需求。结论：3D打印技术可以满足车载式磁共振接收线圈的先期研发需求。

3D打印技术；车载式磁共振；射频接收线圈

0 引言

3D（three demensions）打印技术[1]是一项革命性的产品开发制造技术，通过计算机辅助设计读取数据[2]，使用材料熔融等技术，使特定的金属粉或可塑性高的材料熔化，按模型图的尺寸层层叠加“铸造”起来，最终把模型图变成实物[3]。3D打印技术具有的个性化、精准化[4]等特点，适合应用于许多临床领域，如：运用3D打印技术与多光子聚合技术成功打印出人造血管[5-6]；加入细胞混合物凝胶可以逐层构建打印器官[5]等。

1 3D打印技术制作接收线圈概述

1.1 磁共振接收线圈简述

磁共振接收线圈是当被激励的质子进行核磁，释放能量，发出磁共振信号（即自由感应衰减FID信号）时，接收质子在弛豫过程中释放的能量[7]，并经过低噪声前置放大器进行信号的放大，再将信号送往谱仪进行数据的采集，从而产生MR信号。传统接收线圈通常使用相控阵线圈，专用表面线圈做特定部位，能够提高信号采集速度，保持图像较高的信噪比[8]。

1.2 制作磁共振接收线圈过程

运用3D打印技术中熔融沉积制造（fused deposition modeling，FDM）技术将聚乳酸（polylactic acid，PLA）加热熔化到半流体态，在计算机技术控制（CAD）下，根据所要轮廓信息，喷头将半流态材料挤压，凝固后形成轮廓状的薄层，最后进行固化，形成磁共振接收线圈。

1.3 磁共振接收线圈应用特点

运用3D打印技术制作磁共振接收线圈，能够节省专用线圈耗材，因为所用原材料PLA为可再生植物资源（如玉米）提供的淀粉原料，无毒且无异味，医学上相容性与可降解环保性能良好；耐磨损，具有较低的收缩率，能够保持形态的完整性。因此，能够快速、高效地提供核磁设计的可靠数据参数，顺利完成车载式磁共振重要环节研发任务。

2 接收线圈结构参数及部分成像效果

2.1 头线圈

头线圈形式为新型垂直正交磁场（如图1（左）所示）。内空尺寸：245 cm（长）×225 cm（宽）×250 cm（高）；枕头底盘尺寸：310 cm（长）×210 cm（宽）× 12 cm（厚）；外形尺寸：255 cm（长）×245 cm（宽）× 310 cm（高）。头线圈在底盘上向后滑动至可抽出。此种设计可以使受试者视野开阔，使用简便，核磁扫描图像清晰均匀（如图1（右）所示）。

图1 头线圈示意图（左）及横断位（右）

2.2 体线圈

新型垂直磁场正交体线圈为上下开启式开放型结构（如图2所示），适用于体质量70 kg以下的患者。内空尺寸：300 cm（长）×280 cm（宽）×220 cm（高），近似椭圆；外部尺寸：350 cm（底长）×280cm（宽）×260 cm（高）。使用简便，图像更加清晰均匀。

2.3 肩关节线圈

新型垂直磁场正交肩关节线圈为上下开启式开放型结构（如图3（左）所示）。内空尺寸：210 cm（长）×170 cm（宽）×180 cm（高），近似椭圆；外部尺寸：260 cm（底长）×170 cm（宽）×200 cm（高）。使用简便，图像更加清晰均匀（如图3（右）所示）。

图2 体线圈示意图

图3 肩关节线圈示意图（左）及冠状位（右）

2.4 颈线圈

新型垂直磁场正交颈线圈为上下开启式开放型结构（如图4所示）。内空尺寸：300 cm（长）×190 cm（宽）×190 cm（高），同样近似椭圆；外部尺寸：330 cm（底长）×240 cm（宽）×250 cm（高）。视野开阔，使用简便，图像更加清晰均匀。

2.5 膝线圈

新型膝线圈为正交上下开启式结构（如图5所示）。内空尺寸：10 cm（长）×160 cm（宽）×150 cm（高）；外部尺寸：210 cm（底长）×200 cm（宽）×160 cm（高）。视野开阔，使用简便，图像更加清晰均匀。

图4 颈线圈示意图

图5 膝线圈示意图

上述几个部位接收线圈的合成过程可选两通道50 Ω输出或内置90°移相合成50 Ω输出。手动调谐为外部无感螺丝刀微调。通道隔离度＞19 db，去偶形式均为被动，ID识别为4 bit。

3 接收线圈使用注意事项

3.1 极化方向

所有接收线圈在使用时都要放于主磁场和射频场的几何中心，接收线圈的极化方向要和发射线圈射频场的极化方向相互垂直。在磁共振检查床上，接收线圈都有相应固定的安放位置，此设计位置能确保接收线圈处于主磁场和射频场的中心，极化方向和发射线圈射频场的极化方向相互垂直。

3.2 水模替换

当把接收线圈电缆连接好后，将100mm×100mm× 100 mm包含氯化钠及硫酸铜的立方体水模放置其中。在系统校正对话框中，将接收增益设置为0.1时，接收到的信号幅度应为10 000左右，如果信号幅度减小30%，则有可能是水模的位置不当或射频幅度设置不当。如果接收线圈只接收到噪声幅度为2左右，可更换其他接收线圈设备来判断。

4 接收线圈的维护保养

接收线圈的维护总的要求是防水、防潮、防尘，并及时调谐及消毒。日常维护由磁共振系统维护人员负责每天进行检查。接收线圈不能受到强烈的振动，连接头要保持清洁，由于接收线圈经常和患者接触，为避免交叉感染，应用95%的酒精清洗、擦拭消毒，不可用水或其他的清洁液进行清洗。

5 接收线圈的特点优势及存在问题

5.1 接收线圈的优势

5.1.1 制作过程特点优势

常使用的磁共振接收线圈按其结构形态区分为刚性线圈（如头颈联合线圈、脊柱线圈等）和柔性线圈[9]。使用3D打印技术制作任意形态射频接收线圈，不需要使用传统螺丝，减少了传统线圈开模制备数量，降低了打样成本，达到了简化传统线圈制备步骤

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）的目的，同时能够缩短制作传统线圈模具的繁琐程序，减轻总质量，使用更加便捷高效。

5.1.2 应用于突发灾害现场特点优势

3D打印技术的灵活性与任意可塑性在应用于突发灾害现场的特殊部位外伤检诊时，同样发挥了重要的作用。在现场处置突发事件时，伤情相对复杂、复合伤等特殊伤情均需要各种部位的线圈样式，3D打印可以随时根据受伤部位定制线圈，进行快速检诊，保证优质成像，正确判断伤情。并且灾害救援现场只需携带打印设备，无需携带多种线圈，符合车载式磁共振设备机动性强的基本要求。

5.2 存在问题

首次使用该技术应用于车载式磁共振射频接收线圈的设计研究，身体各部位线圈的应用研究还不全面与深入，设计尺寸与耐用度有待进一步临床实验论证与改进。如需在现场使用3D打印技术，必须有经过专业培训的专业人员负责此项工作，因此，急需培养熟练掌握3D打印设备的复合型人才。此外，打印耗时过长也会影响灾害现场伤员的及时诊断与救治。

6 结语

3D打印技术应用于野外环境车载式核磁医疗救援诊断过程，还在初步探索阶段，作为现代救援领域崭新的技术手段，3D打印技术应用于核磁射频接收线圈的成像效果还需要在大量救援实践和临床数据的进一步验证后下结论。但随着科技领域的进步，相信3D打印技术在医疗救援中的应用会越来越广，两者的结合将更加紧密，优势将更加凸显，为救援现场提供全面高效的医疗诊断保障支持。

[1]笪熠，陈适，潘慧，等.3D打印技术在医学教育的应用[J].协和医学杂志，2014，5（2）：234-237.

[2]Rengier F，Mehndiratta A，Von Tengg-Kobligk H，et al.3D printing based on imaging data：review of medical applications[J].Int J Comput Assist Radiol Surg，2010，5（4）：335-341.

[3]赵阳.3D打印技术及应用[J].电脑知识与技术，2013，9（6）：1 536-1 538.

[4]周伟民，闵国全，李小丽.3D打印医学[J].组织工程与重建外科杂志，2014，10（1）：1-3.

[5]管吉，杨树欣，管叶，等.3D打印技术在医疗领域的研究进展[J].中国医疗设备，2014，29（4）：71-73.

[6]张文燕.3D打印医学未来[J].中国医院院长，2013（12）：60-62.

[7]张战胜，辛学刚.反演法设计磁共振射频阵列线圈的研究[J].中国生物医学工程学报，2012，31（6）：822-830.

[8]杜宇明，孟凡刚，段华秀，等.开放式头线圈膝关节成像的应用价值[J].实用放射学杂志，2002，18（4）：348-349.

[9]杨成才.延长磁共振线圈使用寿命的方法和技巧[J].临床工程，2011，26（11）：78-79.

（收稿：2014-06-02 修回：2014-09-05）

Application research of 3D printing technology for producing vehicle-mounted MR receiving coil

LIU Zhi-chao,YANG Jiong,WANG Xiao-feng,LIU Hai-feng
（Department of Medical Administration,General Hospital of CAPF,Beijing 100039,China）

To manufacture a vehicle-mounted MR receiving coil for injury diagnosis in disaster relief.Fused deposition manufacturing(FDM)method of 3D printing technology was used to make polylactic acid(PLA) into semi-fluid status,and the computer controlled the nozzle to extrude the semi-fluid PLA based on the contour information,then solidification occurred to form the coil.MR receiving coils were produced with 3D printing technology for the body parts of head and neck,shoulder,lumbar,knee joint and etc.3D printing technology can meet the requirements for the development of the vehicle-mounted MR receiving coil.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：39-40，56]

3D printing technology;vehicle-mounted magnetic resonance;RF receiving coil

R319；TH774

A

1003-8868（2014）12-0039-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.039

武警部队科研项目（WHKL-26）

刘志超（1986—），女，医师，主要从事临床、救援医学方面的研究工作，E-mail：lvezcy@126.com。

100039北京，武警总医院医务部（刘志超，杨 炯，王晓枫，刘海峰）

刘海峰，E-mail：haifengliu333@163.com