基于3D打印技术构建仿真儿童CT增强腹部体模的测试研究

2019-03-28欧阳荣珍孙爱敏王谦郭辰李剑颖胡立伟钟玉敏

中国医学物理学杂志 2019年3期

欧阳荣珍，孙爱敏，王谦，郭辰，李剑颖，胡立伟，钟玉敏

1.上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心放射科，上海200127；2.GE中国CT影像研究中心，上海201203

前言

增材制造（3D打印）是指应用粉末状、液态或金属等可黏合材料，通过逐层打印方式来构造物理模型的技术。3D打印发明于1983年，起初应用于模具制造、工业设计等领域。随着打印材料的多样化和打印精度的提高，其在医学术前规划［1］、手术模拟［2］、手术教学［3］领域应用越来越广泛。直写成型技术是一种新型的无模成像3D打印技术，精确控制悬浮液的沉积，通过逐层叠加的方式制备三维周期结构，是目前最新的3D打印技术之一［4］。前期研究中，通过对高透明环氧树脂、石膏、光敏树脂等打印材料的CT衰减组织特性研究发现，可能存在一种3D打印混合材料与CT值呈线性关系。本研究的目的是：①通过混合聚氨酯和三（2-氯乙基）磷酸酯（TCEP）材料，探索不同CT扫描条件下的混合材料组织衰减特性。②设计、打印仿真动脉期儿童CT增强腹部体模，比较仿真腹部模型与正常儿童CT的图像质量。

1 材料与方法

1.1 混合材料组织衰减特性

按0%～60%的比例配置16种不同浓度TCEP混合聚氨酯液体存放于塑料试管内。根据浓度从低到高，将试管从左到右，从上到下等距离排列（图1a）。结果表明，CT值和TCEP浓度之间均有良好的线性相关性（P＜0.001,r=0.99）。等待混合材料冷却凝固后，使用CT检查（GE Discovery CT750 HD）重复扫描3次。CT扫描参数：机架转速0.35 s/圈，准直器宽度0.625 mm×64层，管电压80、100、120 kV，管电流100 mAs，重建层厚0.625 mm，矩阵512×512。评价不同管电压下，不同浓度混合材料的CT值变化。

1.2 儿童体模

提取本院1例正常儿童腹部CT检查的DICOM动脉期图像，使用Mimics17.0软件提取腹部CT图像构建成脊柱单元、血管单元、肝脏单元等；通过直写成型技术选择不同比例混合材料，打印儿童CT增强腹部体模（图2）。使用正常儿童CT扫描参数对腹部体模进行扫描。

1.3 图像处理与分析

图1 0%、2%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、13%、15%、20%、30%、40%、50%、60%浓度三（2-氯乙基）磷酸酯混合聚氨酯CT扫描模型（a）以及模型在管电压80 kV（b）、100 kV（c）和120 kV（d）和管电流100 mAs扫描下的CT值Fig.1 CT imaging patterns(a)of phantom with tris(2-chloroethy)phosphate at the concentrations of 0%,2%,4%,5%,6%,7%、8%,9%,10%,13%,15%,20%,30%,40%,50%,60%,and the CT values under the scan tube voltages of 80 kV(b),100 kV(c)and 120 kV(d),with a constant tube current of 100 mAs

使用ADW4.6工作站重建扫描图像，分别测量体模CT图像和正常儿童CT图像的的背景噪声、感兴趣区域CT值和对比噪声比（Contrast to Noise Ratio,CNR）。具体方法为选定在肝脏、肾脏皮质、腹主动脉、脾和肌肉图像中的相同层面，测量设置感兴趣区（Range of Interest,ROI）面积为 19 mm2。重复测量3次取平均值。背景噪声指图像中肌肉CT值的标准差。对比噪声比CNR=（感兴趣区域CT值-背景组织CT值）/SD，其中，感兴趣区域包括肝脏、肾脏皮质、腹主动脉、脾脏，SD指背景噪声（图3）。

图2 1例儿童腹部体模设计和打印，模拟各解剖结构动脉期增强CT组织衰减特性Fig.2 A pediatric abdominal phantom designed and printed to simulate the tissue attenuation characteristics after CT enhancement in the arterial phase

图3 体模和正常儿童CT图像对比Fig.3 Comparison of phantom images and CT images of normal children

1.4 统计学方法

采用Graphpad 5.0软件进行统计学分析。计算不同CT扫描条件下的混合材料浓度和CT值的线性关系。计算体模和正常儿童各解剖部位CT值、噪声，CNR的平均值和标准差用柱形图表示。P＜0.05为结果有统计学意义。

2 结果

在不同的管电压下，TCEP浓度变化和CT值之间都存在良好的线性关系（P＜0.001,r=0.99）。除了腹主动脉，仿真体模各解剖结构CT值与正常儿童基本一致（P＞0.05）。肝脏、肾皮质和脾脏的体模图像比正常儿童的图像有更高的CNR值（7.08±0.83vs5.50±0.48、14.18±2.48vs10.67±1.05、11.84±1.69vs8.78±0.53）（图4）。仿真体模CT图像噪声与正常儿童接近［（12.3±1.47）HUvs（13.7±1.5）HU］；但主观图像质量评分略低[4.35±0.17vs4.72±0.17（观察者1）、4.50±0.16vs4.65±0.12（观察者2）]，见表1。

3 讨论

在过往的研究中，国内外CT体模研究均使用专业机构认证的标准体模［5-8］。2009年Kumar等［8］报道3D打印技术构建人体特征体模进行剂量学验证测量的可行性。2017年Jahnke等［9］首次报道使用3D打印技术和灰度矫正方法定制真实体模可用于诊断和放射治疗。在2017年北美放射学年会上多伦多大学有多篇仿真等效X线衰减人体体模的报道。本研究通过3D打印直写成型技术混合聚氨酯和TCEP，评价TCEP混合材料浓度和CT值的线性关系。国内首次尝试打印仿真动脉期儿童CT增强腹部体模，比较仿真腹部模型与正常儿童CT的图像质量。

本研究中，经过重复3次扫描后，不同的管电压下的TCEP浓度变化和CT值之间都存在良好的线性关系（P＜0.001,r=0.99）。研究证明使用混合材料确实可构建具有CT衰减特征的人体模型。在整个模型设计和3D打印过程中，都有放射科医生参与保证模型质量［10］。2010年，国内学者报道使用中国人仿真胸部体模与正常成人的CT图像比较，结果显示体模组织的X线衰减等效程度良好［11］。本研究中儿童CT增强腹部体模与正常患儿的CT图像质量比较发现，仿真体模大部分解剖结构CT值与正常儿童基本一致（P＞0.05）。肝脏、肾皮质和脾脏的体模图像比正常儿童的图像有更高的CNR值（7.08±0.83vs5.50±0.48、14.18±2.48vs10.67±1.05、11.84±1.69vs8.78±0.53）。仿真体模CT图像噪声与正常儿童接近［（12.3±1.47）HUvs（13.7±1.5）HU］。

本研究存在一些局限性：①由于本模型是一个造影剂增强模型，目的是模拟儿童增强腹部CT衰减程度。本研究没有和标准儿童物理体模（Model 704-D）进行对比［12］。②由于3D打印直写成型技术的局限性，儿童腹部模型没有打印CT图像提取的肋骨部分，这对于模型图像的CT值和信噪比计算会存在差异。③3D打印CT增强腹部体模体内存在少量气泡，在接下去的研究中会优化工艺，解决这个技术问题。