基于3D 建模的MRI 模型制作及选材研究

李翰威，王屹辰，王浩文

（1.南方医科大学南方医院，广东广州 510515；2.莱尼电气线缆（中国）有限公司，江苏常州 213022）

0 引言

随着医疗设备的快速更新，采用适当的方式普及推广新设备的技术原理，对提高公众健康意识具有重要作用。在传统的设备科普中，宣讲者普遍采用已淘汰的旧设备进行讲解，导致信息滞后，无法展示新设备的特点。

同时，由于MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）设备体积庞大，重量可达数吨，且对安装环境有严格要求，大多固定安装在医院内专门的磁共振检查室，不方便搬运（图1）。这给利用实体设备进行教学示范带来极大不便，大多数情况下无法将实物设备搬到教室或展览现场进行说明操作。与此同时，MRI 作为一种复杂的现代医学成像设备，公众也难以在固定场所内观察到完整的工作过程。

目前，3D 打印技术已经开始在医学领域广泛应用，主要包括医学教学模型、手术导航模板、细胞培养支架、个性化植入物等方面，极大地推动了医疗方式的进步和个性化诊疗的发展[1-4]。

本研究采用3D 模型技术，根据实际MRI 设备的结构尺寸制作精细的3D 模型。该模型既保留了实物设备的所有特征，又便于通过计算机实现模型的局部放大、旋转、剖析，特别适用于交互式虚拟仿真教学。同时，基于3D 模型数据还可以利用3D打印制作实体复制品。虚拟数字模型和3D 打印的实体模型，为MRI 设备的教学示范提供了极大便利。

通过3D 建模软件对MRI 进行计算机3D 绘图建模，并3D打印机打印实物模型，宣讲者可以通过模型展示对新型设备进行科普宣讲，从而使受众体验到逼真的医疗器械真实格局及其应用场景，有助于广大受众更好地认知和学习最先进医疗设备知识。

基于3D 模型的建设，通过对模型制作工艺的分析与对比，选择出适用的制作方式，并选择恰当的制作材料，最终完整3D模型的实物打印。实物模型的呈现可以激发大众的好奇心，最终达到相关宣传目的。

1 3D 建模

1.1 尺寸测量及估算

1.1.1 尺寸测量

对设备间、磁体室以及控制室中实体设备进行尺寸测量。

（1）进入设备间及控制室，对电控柜、冷却机柜、空调柜、稳压电源柜、射频和磁场信号柜、控制电脑等设备进行外形尺寸的大致测量。

（2）对各个功能柜内部的凸台、凹陷等相关特征进行测量，确定其大致定位及外形尺寸。

（3）对各个功能柜、磁体室、控制室内设备进行拍照，以方便之后的观察、绘图、相关尺寸测量估算以及实物结构分析，提高绘图效率。

1.1.2 尺寸估算

因为磁体室内不允许有金属物品进入，所以相应尺寸测量无法直接完成，需要进行尺寸估算。设备室内也因为相关功能柜处于运行状态中，并且有磁铁零件，所以无法贴紧测量，无法得出完全准确尺寸，需进行尺寸估算。

（1）对磁体室进行拍照。在磁体室外进行拍照，通过不同角度对线圈、升降床以及MRI 整体设备进行拍照，对照说明书给出的相关外形尺寸，以相应的缩放比例为参照，对相关未能测量的缺失尺寸进行估算。

（2）查阅相关MRI 设备设计文件，找到相关外形尺寸，根据文件给出的视图进行等比例缩小，估算相关特征尺寸，以完成3D 模型建设。

1.2 实物结构绘制、分析及装配

1.2.1 实物结构分析

在3D 模型装配的阶段，必须对模型外观、结构、厚度等进行一定了解，才能为正确的3D 模型装配打下坚实的基础。

根据在设备室、控制室以及磁体间所拍摄照片，对每个设备的结构进行分析与讨论。首先，根据照片对已知结构进行整理。其次，与医疗设备工程师进行讨论，了解设备的原理、结构，并在之后的装配中体现出来。最后，根据MRI 设备说明文件进行合理的结构分析，防止出现不切实际或不专业的相关装配。

1.2.2 计算机3D 零件绘制

采用CAD 软件（如SolidWorks）根据已测量及估算的尺寸进行3D 零件绘图。在绘制过程中根据已测量以及估算的相关外型尺寸、定位尺寸、装配尺寸进行线管零件的草图绘制以及特征绘制。在对零件的3D 模型构建时，应尽量将可绘制特征在单一零件图中表现，可以大大减少在最后零件装配阶段发生装配错误的可能性。

在零件图绘制过程中，应对相应特征进行材料及颜色设定，这对后期整体的3D 渲染效果展示有一定影响[5]，对设备的宣讲具有一定的帮助（图2）。绘制的同时注意细节之处，若有未知尺寸应当仔细记录，为后面的绘制复盘做好准备。

图2 线圈3D 模型

1.2.3 计算机3D 模型装配

根据结构分析，对绘制的3D 零件进行装配。装配完成后，根据不同视角进行渲染，达到最好的视觉效果（图3），以便实现全方位展示医疗设备结构原理的效果。模型零件装配时应注意其中存在的错误，记录需要增加细节或进行修改的位置，为后续的复盘工作做好准备。

图3 射频和磁场信号柜渲染效果

1.3 模型尺寸复盘及修改

1.3.1 模型复盘

在整体装配全部完成之后，应对3D 模型的建设进行一次复盘，对出现的问题以及尚未发现的问题进行检查并及时改正（图4）。

图4 MRI 3D 模型修改复盘及修改

（1）对已发现的错误及细节不到位的情况进行及时修补。若缺少修补条件，可去实体设备间进行尺寸的复盘测量，对缺少的细节尺寸进行补测，在模型精确度上做到精益求精。

（2）检查模型，找出未发现的错误。对于专业性错误，应听取专业人士的相关意见与评价，同时结合该MRI 设备的产品介绍与数据分析进行进一步比对，使3D 模型在专业方面更准确。

1.3.2 模型修改

对模型复盘并修正错误后，应与已有照片、数据等进行二次比对，确认无误后完成3D 模型修改。

1.4 采用专业布局进行最后修改

在MRI 3D 模型建造中，磁体间的专业布局尤为重要。首先，因为磁体间有强磁场产生，所以磁体间四周的墙壁应用红铜进行包裹，以达到铜屏蔽的效果。其次，在磁体间中，MRI 的摆放位置也有相应的规范要求，线圈顶部应离前墙面3200 mm，窗体正中距离右侧墙体2500 mm。最后，根据相应专业规范做出最后的修改，3D 模型建设完成（图5）。

图5 整体MRI 空间3D 模型

2 制作工艺

在医疗设备的展示推广过程中，实体模型展示无疑是最好的方式，它能够给广大群众提供最直接的感受。实体展示最能抓住群众眼球，激发其了解设备的好奇心。实体模型可以展示的产品色彩、结构、材料等多个方面，使群众能够从整体布局到设备细节使用等方面全方位深入了解医疗设备。实体模型的制作工艺和手段有多种选择[6]，下面对常见模型制作工艺展开分析，并进行最优选择。

2.1 手版

手版模型制作是现代先进的加工手段的体现[7]。手版的优点为可以解决图纸中无法体现的问题（曲面相交最终结果、机构运动是否合理等）制作方法多样，材料多采用ABS 工程塑料。缺点为：①零件强度达不到原零件设计的要求性能；②制品的强度较低，致密性较差；③设备少，操作时间相对较长，设计与建模脱节；④手版制作是应用于模型生产之前的样板工作，达不到展览需求。

2.2 注塑

注塑是一种工业产品生产造型的方法，通常使用橡胶注塑和塑料注塑，可分为注塑成型模压法和压铸法。随着我国塑料工业的迅速发展，注塑模具在质量、技术和制造水平上获得了巨大进步。注塑的优点为拥有低成本的模具制造设备，加工工艺合理稳定，技术应用广泛适合大批量生产模型。缺点为：①国内技术发展不平衡，整体水平较低，模具精度、粗糙度与先进水平有一定差距；②开发能力弱，创新能力不足；③对单一模具制造精度不足，无法进行展览讲解；④开模费用昂贵。

2.3 3D 打印

3D 打印是使用数字技术材料打印机进行模型制作。该技术在AEC（Architecture，Engineering &Construction，建筑、工程和施工）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育等其他领域都有所应用。3D 打印的优点为：①制造复杂物品不增加成本；②无需组装。能使部件一体成型，省略了组装环节；③零时间交付。按需求打印，随时均可生产，不需要库存；④设计空间无限。可以制造任意形状产品；⑤减少废弃副产品，较为环保；⑥精确的实体复制。将现代扫描技术和3D 打印技术的相结合，能够提高实体世界和数字世界之间形态转换的匹配度；⑦操作简单，零技能制造。缺点为无法打印高端模型，材料及打印技术尚不成熟，开模费用昂贵。

2.4 结论

综上所述，由于普及展示用的MRI 模型为单一展示模型，需要良好的展示精度，同时拥有一定强度。在成本上3D 打印优于其他制作工艺，在结构上3D 打印可以一次成型，大大节省制作时间，提高整体效率，所以优先选用3D 打印技术。

3 材料选取

目前，3D 打印领域的常用打印材料，从形态上主要包含4种：液态光敏树脂材料、薄材（纸张、塑料膜）、低熔点丝材和粉末材料。从成分上则几乎涵盖了目前生产生活中的各类材料包括塑料、树脂、蜡等高分子材料、金属和合金材料、陶瓷材料等。总体来说，材料总体分为有机高分子材料和无机材料两大类，有机高分子材料包括ABS、PA、光敏树脂以及水凝胶等，无机材料包括钛合金、陶瓷和石膏等[8-9]。

3.1 有机高分子材料

3.1.1 工程塑料

传统的工程塑料起步较早，相关研究趋于成熟，在3D 打印中是主选材料。在其中大致可分为ABS、PLA、PA 3 种。优点为：力学性能大、耐热性好、加工性能优良、应用范围广；缺点为：易产生卷曲、拉伸强度低、热变形温度低、产品美观度不高、尺寸精度不能保证。

3.1.2 光敏树脂

光敏树脂（UV 树脂），是一类光固化成型（SLA）材料，由聚合物单体和预聚体组成，其中添加了光敏剂。优点为：加工方便，在短时间内完成固化，综合性能优良；缺点为：尺寸精度较低。

3.1.3 生物医用高分子材料

3D 打印技术在生物医用领域应用广泛，可用于细胞、组织、器官以及个性化组织支架等模型。优点为：具有良好的生物相容性，结构精度容易控制；缺点为：加工困难、价格昂贵，因此仅用于医学领域，应用范围狭窄。

3.2 无机材料

3.2.1 金属材料

金属材料的优点为：力学性能、化学性能以及加工性能优异，可以满足高性能加工；缺点为：加工困难，液态金属不易固化。

3.2.2 陶瓷

常见的陶瓷打印材料包括氧化锆、氧化铝、硅碳化硼等，优点为低密度、强度高、耐腐蚀、高硬度、耐高温、化学性能稳定；缺点为加工困难，黏结剂粉末与陶瓷粉末难以配比。

3.2.3 石膏

石膏即硫酸钙，通常所说的石膏指生石膏即二水硫酸钙，主要有单斜晶系和斜方柱晶2 种晶型。优点为：有膨胀性，表面光滑、质地细腻，且拥有良好的加工性能、凝结固化快、颗粒精细、无毒无害，可彩色打印；缺点为：表观密度以及强度较低、耐水性差、力学性能差，无法大范围使用。

3.3 总结

根据实例，MRI 展示模型应选取树脂材料进行3D 打印加工。其综合性能优越，加工方便易于操作，费用低廉，适合作为此实例的模型材料。

4 结束语

本文对MRI 设备的实体进行3D 建模，以及模型工艺和材料的选择，阐述了3D 模型建设到实体模型制作的全过程，为MRI设备的推广宣教提供新的思路和途径，有助于公众更直观地了解和掌握复杂的医疗设备知识。基于3D 建模软件的丰富与不断进步，此项技术与方法必将在产品展示、结构设计优化等发面产生巨大影响。随着3D 打印技术的进一步成熟，其在医疗设备的展示和科普中将发挥越来越大的作用。各类设备的3D 虚拟模型和实体复制品也将越来越精确。建议医学院校和科研机构推广应用3D 建模和打印技术，制作各类医疗设备模型，以提高教学展示、科普宣传等工作的质量与效果。