光固化立体成型法3D打印人体骨骼模型的精度研究

朱栋梁，卢建华，李雪丽，王春苑

（广州市第一人民医院＜华南理工第二附属医院＞ 广东 广州 510000）

3D打印（3D printing）也称为增材制造（additive manufacturing），它是新兴的一种快速成型技术[1-2]。以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体[3-4]，通过在快速成型装置（打印机）内装有液体或粉末等“打印材料”，利用三维计算机辅助设计（CAD）的数据模型控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物，“分层制造，逐层叠加”是其核心原理，3D打印可以快速构造各种形状复杂的三维设计实体。3D打印技术主要有立体平板印刷（SL）、选择性激光烧结（SLS/SLM）、分层实体造型（LOM）和熔融沉积造型（FDM）。其中立体平板印刷技术以基于激光技术的立体光固化（SLA）和激光选取烧结（SLS）为主[5]。

3D打印在医学中的应用主要应用范围分为是植入物打印、模型打印以及辅具打印，但无论哪一种应用，都对3D打印的精度有一定的要求。由于医用3D打印数据大部分来源于CT或者MR等医学图像，经过多种计算机软件重建，输出至3D打印机的数据都是间接的，在精细度和准确度方面存在一定的不足[6]。

根据3D打印机的原理，其打印成品精度来源于XYZ三个轴向上的精度，因此，本研究采用光固化立体成型3D打印复杂的不规则骨骼-腰椎，在X、Y、Z三轴向上考察其精准度，并且增加了内径精准度的测量与分析，为3D打印在医学中的应用提供了更加可靠的依据。

1 资料与方法

1.1 获取模体的三维数据

美国Sawbones公司的1352-44 X射线型人体腰椎模型5块（L1～L5），采用日本东芝Aquilion ONE 320排多层螺旋CT，分别扫描5块腰椎模体，参数选择层厚0.5mm扫描，薄层重建矩阵512*512，层厚0.5mm，层间隔0.3mm；DICOM3.0薄层数据输入比利时Materialise公司的Mimics Medical 20.0，进行图像分割、结构提取以及表面轮廓重构等，生成三维重建的腰椎影像，并输出STL文件。

1.2 3D打印软硬件处理

采用比利时Materialise公司的Magics 22.0处理STL文件，经过重新建模、添加支撑、打印模拟及修正等处理后，输出Magics文件到3D打印机；3D打印采用上海联泰HD600型光固化立体成型SLA-3D打印机，其标识打印精确度为0.1mm；打印好的模型经过外支撑去除、有机溶剂清洗以及紫外线强化处理，得到稳定的光固化立体成型3D打印的腰椎模型。

1.3 分组及测量分析

采用上海恒量量具有限公司的150mm游标卡尺测量，标识精确度为0.02mm，分别测量原模体和3D打印模型的椎体横径L1-X1～L5-X1，纵径L1-Y1～L5-Y1，厚度L1-Z1～L5-Z1；横突最远距离L1-X2～L5-X2，棘突长度L1-Y2～L5-Y2，棘突宽度L1-Z2～L5-Z2；以上分别按照X、Y、Z三轴对两组模体进行分组；测量椎孔的横径L1-CX～L5-CX，纵径L1-Cy～L5-Cy，45度径L1-Cxy～L5-Cxy，-45度径L1-Cyx～L5-Cyx，以上两组测量数据做为3D打印模型的内径研究对象。

按照X轴、Y轴、Z轴、内径对3D打印模型的绝对误差和相对误差分4组，其中绝对误差=3D打印模型-人体腰椎模体，相对误差=（3D打印模型-人体腰椎模体）/人体腰椎模体*100%。

1.4 统计学分析

采用美国IBM SPSS Statics R24.0.0.0版本统计软件进行统计分析，X轴、Y轴、Z轴、内径数据进行配对t检验，并以组内相关系数（ICC）做为数据一致性的评价指标；计算绝对误差和标准误差，分别记录最大正向和负向误差，并对标准误差进行独立样本t检验，以P＜0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 计量资料在X轴、Y轴、Z轴、内径上相关系数（ICC）分别为1.000、0.999、0.995、0.989，ICC值均大于0.950，说明3D打印模型与人体腰椎模体具有高度的一致性；计量资料在X轴、Y轴、Z轴、内径上的P值分别为0.645、0.720、0.647、0.936，P值均大于0.05，说明3D打印模型与人体腰椎模体的差异不具有统计学意义。（见表1～4）

2.2 3D打印模型与人体腰椎模体的X轴的绝对误差（0.11±0.06mm），正向、负向最大误差分别为0.24mm和0.17mm；有Y轴的绝对误差（0.22±0.11），正向、负向最大误差分别为0.34mm和0.31mm；Z轴的绝对误差（0.28±0.27），正向、负向最大误差分别为0.59mm和0.68mm；内径的绝对误差（0.29±0.20），正向、负向最大误差分别为0.65mm和0.70mm；3D打印模型在X轴、Y轴、Z轴、内径的绝对误差均小于1mm，满足医学模型的制作需求。（见表1～4）

表1 X轴的研究

表2 Y轴的研究

注：最大正负误差为斜体加横杠数据。

表3 Z轴的研究

表4 内径的研究

2.3 打印模型与人体腰椎模体的X轴的相对误差（0.17±0.14）%，正向、负向最大误差分别为0.50%和0.16%；Y轴的相对误差（0.64±0.38）%，正向、负向最大误差分别为1.39%和0.88%；Z轴的相对误差（1.07±1.05）%，正向、负向最大误差分别为2.04%和2.60%；内径的相对误差（1.45±1.02）%，正向、负向最大误差分别为3.79%和3.35%（见表1～4）；3D打印模型在X轴、Y轴、Z轴、内径相对误差均小于5%，满足医学模型的制作需要；同时相对误差P值均小于0.05，具有显著性差异，且相对误差X轴＜Y轴＜Z轴＜内径。（见表5）

注：最大正负误差为斜体加横杠数据。

表5 相对误差的三轴及内径

3 讨论

随着3D打印技术的不断发展进步，3D打印技术在医疗领域的研究和应用已延伸到骨科植入物打印、手术器械打印、细胞打印以及组织器官打印[7-8]，但由于设备和技术要求较高，其应用受到很大的限制；通过CT或MR医学影像的三维重建技术，利用光固化立体成型法3D打印骨骼、器官的等比模型，可以更加直观的制定和实验手术计划，特别对于复杂的心脏、骨科手术具有很大优势[9-10]；然而从通过影像设备获取图像资料和传输，继而使用多种软件进行三维后处理，至输出到不同厂家、不同型号的3D打印机，能够验证整个系统流程的精准性，确保3D打印的等比模型与人体高度一致，对于制定安全、精准的手术计划至关重要。

关于3D打印精度的评测，本研究不局限于模体的解剖学结构，而是从3D打印机的原理入手， X轴横向打印、Y轴的纵向运动以及Z轴的打印叠加，所以通过X轴、Y轴、Z轴进行精度研究，不仅可以对3D打印模型进行精度验证，更可以通过误差分析来探讨在3D打印机的哪个轴向上进行多少的补偿校正；由于人体组织、器官还存在很多的孔形结构[11]，因此对于内径的精度也需要进行验证。人体的腰椎属于不规则骨，不仅具有复杂的外形结构，还具有椎孔的孔形结构，非常有利于全面测试3D打印模型的精度，这也是选择人体腰椎模体纳入本研究的原因。

本研究在医学3D打印的图像获取环节，采用了我院CT设备物理扫描极限的0.5mm，CT的层厚对3D打印具有显著影响[12]，层厚越薄则3D打印精度越高，为了进一步使三维图像平滑，重建采用了0.3mm的层间重叠；计量结果显示在X轴、Y轴、Z轴、内径上相关系数（ICC）值均大于0.950，表明本系统的光固化立体成型法3D打印人体骨骼模型与原模体精准一致，但整个系统环节较多，如出现扫描方式、软件处理系统及硬件设备的变化，需要对精准度和一致性进行重新验证；相对误差和绝对误差的分析结果也在模型制作精度需要的范围内；但相对误差在四组数据上具有显著性差异，且相对误差有X轴＜Y轴＜Z轴＜内径的规律，说明整个系统在X轴、Y轴、Z轴的精度上的调整需要分开，同时3D打印精度误差对内径的影响是大于三轴的外形尺寸的。

综上，经过精准度验证的光固化立体成型法 3D打印模型系统，可以精准还原研究模体。通过本系统，临床上通过CT或MR的三维重建获取3D打印模型精准可靠，在医疗教学、患者认知、手术计划、仿真手术等方面的具有很高的实用价值。