基于3D打印构建医学影像设备实验物理模型的研究进展

张 杰，张 楠，李岩峰，周 娟，曹德森，何昆仑

（1.解放军总医院医疗保障中心医学工程科，北京 100853；2.联勤保障部队药品仪器监督检验总站，北京 100166；3.解放军总医院医学创新研究部医学大数据研究中心，北京 100853）

0 引言

在医学影像系统研发过程中，物理模型实验是一种重要方法，相比于人体实验和动物实验，没有伦理道德约束，且相对成本较低；相比于计算机仿真实验，物理模型实验则能更好地模拟真实的物理情境。已知特性的标准物理模型对于医学影像设备的检测与评估具有不可替代的作用，接近人体真实特性的拟人物理模型则能够为医学影像系统研究提供高精度的测试实验平台。因此，构建形状结构和材料特性接近人体真实状态的物理模型对于促进医学影像技术与系统的发展具有重要意义。

由于不需要使用模具而直接从计算机三维模型构建实体，3D打印（增材制造）对于构建小批量的复杂形状的模型具有独特优势。随着打印技术的逐渐成熟和不同特性打印材料的出现，3D打印技术在医学领域的应用发展迅速，包括构建手术导航解剖学模型及打印药品、组织器官替代品、矫形器/假体、医疗设备等[1-2]。3D打印的过程包括计算机三维模型的构建、材料的选择、模型的打印和模型后处理等，这些过程均能影响模型的性能。规则几何形状的计算机三维模型通过建模软件直接构建，拟人形状模型则通过断层成像或者三维扫描以及三维重构获取；材料的选择考虑可打印性和特性需求；模型打印过程包括打印参数的选择、切片与打印，其中打印参数是影响模型性能的一个重要因素；模型的后处理包括去除多余材料、组件拼接等。包括这些过程的打印技术和打印材料的发展为3D打印技术在医学领域的进一步应用奠定了良好的基础。

医学影像技术能够通过图像呈现人体组织的内部结构和功能，为疾病诊断提供一种非侵入式方法。根据不同的成像原理，主流医学影像技术有CT、MRI、超声成像、核素成像等。在医学影像系统的研发和应用过程中，物理模型能够提供稳定的测试和评估工具。传统物理模型的形状结构相对简单，或者构造方法复杂，因此限制了物理模型的进一步应用。3D打印技术的发展为物理模型的构造提供了新的且更为有效的方法。针对不同原理的医学影像技术，近年来研究人员利用3D打印技术构造了多种物理模型[3]，从规则几何形状模型到拟人形状模型，打印模型的材料也更为接近人体组织的成像特性。本文从3D打印模型在不同医学影像技术中的应用、模型的形状特性及其准确性、打印模型的材料特性3个方面进行论述，为进一步利用3D打印技术构建应用于医学影像系统实验的高精度物理模型提供参考。

1 应用于不同原理医学影像设备实验的3D打印模型

1.1 应用于X射线和CT成像实验的3D打印模型

X射线和CT成像是临床使用最广泛的医学影像技术，其利用人体不同组织对X射线的吸收和透过率的不同进行成像。成像系统在研制和应用过程中需要利用已知特性的模型对系统性能进行测试，物理模型能够用于该类成像软硬件系统的测试与评估。近年来，研究人员利用3D打印构建了多类物理模型，从规则的圆柱体模型[4]到人体真实形状模型[5]，从单组织模型到多组织复合模型[6]，模型的构建方式、材料、用途和优缺点分析等见表1。3D打印模型的显著优势是能够模拟组织的解剖结构，易于调节材料的性能，不足之处是模型的准确性和可重复性需要进一步评估。依据X射线和CT成像的原理，构建模型前先选择与组织CT值相一致的打印材料，然后获取组织的计算机三维模型，最后进行模型的打印和后处理。

表1 用于X射线和CT成像实验的3D打印模型

构建模型使用最多的2类打印技术是材料喷射（material jetting，MJ）和熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）。材料喷射成型的特点是打印精度高，但打印设备和材料的价格较高；熔融沉积成型具有操作简单、使用成本低和材料选择较多等优势，近年来得到越来越多的应用。构建模型使用的其他打印技术还有立体光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）、粘结剂喷射（binder jetting，BJ）、选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）和分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）等。构建模型所用的打印材料包括光敏树脂、石膏、尼龙、硅胶、碳粉涂层纸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS）、热塑性聚氨酯弹性体（thermoplastic polyurethanes，TPU）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）和硅橡胶等。为了构建具有理想特性的模型需要综合考虑打印技术特点和打印材料特性。

1.2 应用于MRI成像实验的3D打印模型

MRI利用人体氢质子在磁场内的自旋属性进行成像，对人体没有放射性损伤且对软组织解剖结构显示清晰，是中枢神经系统、肌肉、膀胱等组织的优选成像方法。在MRI技术发展过程中，物理模型起着不可或缺的作用。人体组织形状结构复杂，且组织性质异构，传统方法构建的模型通常是均质的简单形状，而3D打印能够实现异质复杂形状MRI实验模型的高效率构建（见表2）。构建模型的技术主要是3D打印中使用最广的两类方法：熔融沉积成型和立体光固化成型，熔融沉积成型主要采用ABS材料，而立体光固化成型采用光敏树脂。对于包含多类组织的模型，通常采用组织分割、打印然后组装的方式，部分组织采用其他优选材料进行填充。在分割、打印、组装和填充的过程中，通过对构建步骤进行优化设计，能够提高模型质量[13]。

表2 用于MRI成像实验的3D打印模型

1.3 应用于核素成像实验的3D打印模型

SPECT和PET是最常见的2种核素成像技术，统称为发射型计算机断层成像（emission computed tomography，ECT），主要依据进入人体循环系统的示踪分子的聚集浓度进行成像。在构建物理模型时，除了考虑模型的形状以及对射线的吸收程度，还需要设计核素在模型中的分布。研究人员利用熔融沉积成型和材料喷射成型技术构建了头部模型[18]、胰腺和肾脏模型[19-20]、肝脏模型[21]，并将其应用于成像系统的验证和评估，该类模型的特征和优缺点见表3。

表3 用于SPECT和PET成像实验的3D打印模型

1.4 应用于医学超声成像的3D打印模型

超声成像是利用人体器官组织声学特性的差异，在发射超声信号后通过对反射信号的接收、处理来获得体内器官的图像。应用于医学超声成像的3D打印模型研究见表4。声学特性与人体组织接近的打印材料目前较少，因此这类模型的构建通常采用间接方式，即先利用3D打印构建模型模具，然后选择合适的材料填充模具，同时加入病灶点或者预设结构。在构建模型模具的过程中，使用可打印的水溶性的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）材料，在成型后通过水溶解模具，脱模时不需要使用其他工具和操作，从而避免了操作较为困难的脱模步骤。相比于直接打印，间接方式在一定程度上解决了理想打印材料不足的问题，但形状复杂性和精度有所降低。用于医学超声成像实验的3D打印模型的特征和优点见表4。

表4 用于医学超声成像实验的3D打印模型

2 模型的形状结构特征及准确性验证

2.1 模型的形状结构特征

除了少数简化的规则几何形状模型能够通过正向设计方法利用三维设计软件直接建模，大部分复杂形状模型需要采用逆向工程方法，采集组织器官的3D数据后重构模型。主要通过CT和MRI实现3D数据的采集。CT扫描速度快、图像分辨力高，容易获取高精度模型，但对人体有放射性损伤，在获取高精度模型时需要采用低层厚CT扫描，因此同体积模型需要更多扫描层数，增加了人体受到的辐射。MRI能够更好地呈现软组织对比度，且没有辐射，但成像速度较慢。Hazelaar等[6]构建胸部模型时通过CT获取组织原始数据，分割重建后的组织包括骨结构、包含气管的肺结构、直径大于1 mm的肺血管等（如图1所示），更小的组织则由于打印体易碎而难以呈现。Wood等[15]构建头部模型时使用MRI获取组织形状数据，然后基于MRI图像把头部组织分割为脑组织、脑干、脑脊液、眼睛等8类组织，接着分别进行三维重构和打印，最后进行拼接和填充形成完整头部模型。该模型虽然对头部组织进行了分类，但是真实人体头部包含更多类不同特性的组织，因此构建形状和结构更加精细的模型需要在原始数据获取、数据处理和打印等多方面进行提升。

图1 包含骨、肺气管和血管结构的胸部模型的3D打印过程[6]

2.2 模型的形状准确性评估与验证

虽然打印设备会提供打印分辨力和精度信息，但是模型的形状精度受模型构建过程中多重因素的影响，包括模型的原始3D数据、图像的分割与三维重构、模型打印参数设置、打印技术与材料、模型的后处理等[6]。大部分研究只是对模型的形状准确性进行定性评估，少部分研究定量分析了模型的准确性。Hong等[10]评估了肺模型中病灶的尺寸，结果表明误差与打印材料相关，最大误差为0.55 mm。除了基本的几何测量对比方法，复杂模型的形状准确性评估需要进行大量的数据对比，首先利用与模型原始3D数据采集类似的方法，通过医学成像或三维扫描重构获取打印模型的形状数据，然后与打印前的计算机三维模型进行对比，利用软件计算2种模型之间的尺寸差异，能够实现复杂模型形状准确性更完整的评估与验证[6]。

3 用于构建模型的打印材料性能

3.1 打印材料的放射学特性

材料的CT值表征其对X射线的吸收程度，因此选取CT值与人体组织相近的可打印材料是构建用于X射线和CT成像以及ECT成像模型的前提。为了获取理想放射学特性的材料，Okkalidis等[25]评估了11种能用于熔融沉积成型的商业材料，用来模拟不同组织，包括肌肉、脂肪和肺组织等，同时考察打印体内部结构与材料放射学特性的关系，结果表明打印体的CT值与填充密度具有明确的线性关系，利用不同填充密度，能够实现同一种PLA材料对3类生理组织的模拟。由于3D打印加工方式的特殊性，通过设置打印时的切片参数，主要是填充方式和填充率，控制打印体的内部密度分布，能够实现对打印体CT值的调节[26]（如图2所示），提升了模型构建方式的灵活性。Talalwa等[27]对一种TPU和PVA的共聚物的放射学特性进行了研究，通过调节填充密度、填充方式、不同液体介质，能够实现CT值在-990～950 HU范围内的调控。该材料的另一特点是其中的PVA成分具有水溶性，在材料成型后，溶解PVA后采用其他非打印材料填充，能够实现打印体CT值在更大范围上的调节。因此，结合原始材料的选择与打印体内部结构的控制，打印材料的CT值范围能够完整覆盖人体不同生理组织的CT值。

图2 几种典型的熔融沉积成型的打印填充模式[26]

3.2 打印材料的电磁特性

构建用于MRI成像系统实验的物理模型需要材料的电磁特性与人体组织相一致。Talalwa等[28]发现一种可打印的弹性橡胶聚合物，该聚合物不仅能够模拟组织的弹性特征，还具有与人体组织接近的电磁特性。利用3.0T MRI测试该材料的介电常数、电导率、自旋晶格弛豫时间（T1）等，结果表明其MRI对比度与脑组织接近，能够用于构建具有清晰对比度的脑灰/白质结构模型，有利于构建新的用于MRI实验的脑组织模型。

3.3 打印材料的声学特性

打印材料的声学性能是构建超声成像实验模型时需要考察的特性。Bakaric等[29]评估了Agilus30、FLXA9960、FLXA9995、Formlabs Clear、RGDA8625、RGDA8630、VeroClear和VeroWhite共8种用于3D打印的光敏材料在1～3.5 MHz的声学特性，包括频率相关的相速度和衰减、群速度、信号速度和质量密度，同时考察了2种不同打印方式（材料喷射成型和立体光固化成型）对材料声学性能的影响。虽然还未直接打印用于超声成像的组织模型，但是该研究实现了多种材料在较广超声频率范围的性能评估，为利用光敏材料打印模型提供了材料特性参考。

4 总结与展望

结合医学成像、三维重构和材料特性调控方法，3D打印能够实现低成本、高效率构建形状结构接近真实同时具备组织成像特性的拟人物理模型，且模型的形状结构准确性相比过去实验模型有显著提升。从材料特性的角度，对于构建用于X射线和CT成像系统的模型，打印材料的CT值能够覆盖人体组织的CT值，而对于其他模态成像，更多的材料研究将有利于构建成像特性更准确的模型。除了能够低成本实现复杂形状模型的构建，通过3D打印方式构建用于医学成像系统实验模型的另一个显著优势是除了打印材料本身的性能，由于3D打印通过材料层层堆积的方式构造三维实体，能够通过控制模型内部材料密度分布来调节材料性能，从而更好地实现打印体对生理组织成像特性的模拟。

多模态成像能够为疾病诊断提供更丰富的解剖和功能信息，3D打印技术为构建用于多模态成像实验的物理模型提供了新的方法[30]，打印技术为模型形状和结构提供了保障，但打印材料的特性限制了模型多模态性能的提升。因此，为构建特性与人体组织更为接近的多模态拟人物理模型，需要进一步研制不同模态性能与人体组织相一致的可打印材料。