完全3D打印技術(shù)制作MRI質(zhì)量控制體模

張福全，張 濤，徐龍春，陳 迢，魯 雯，邱建峰*

(1.泰山醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究中心，山東 泰安 271016；2.山東省泰安市技術(shù)監(jiān)督局醫(yī)學(xué)室，山東 泰安 271016；3.泰山醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院放射科，山東 泰安 271016)

圖1 下底直徑分別為6、12、20 cm的一體化設(shè)計模型 圖2 幾何畸變測試模塊

醫(yī)學(xué)成像與放射物理的質(zhì)量控制(以下簡稱質(zhì)控)為保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)，是保障醫(yī)療安全的重要工作[1-3]。作為常用的大型成像儀器設(shè)備，MR掃描儀的圖像質(zhì)量直接影響診斷結(jié)果。相對于歐美國家相對完善的質(zhì)控工作和規(guī)范程度，我國質(zhì)控研究工作起步較晚，進口體模占據(jù)市場很大份額，其專利壟斷和昂貴的價格在一定程度上對醫(yī)院開展質(zhì)控工作形成了阻礙[4-6]。既往制造常規(guī)MRI質(zhì)控體模多采用機械加工和模具加工技術(shù)，產(chǎn)品缺乏靈活性，無法實現(xiàn)快速制造和個性化定制。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使質(zhì)控體模得以跳過機械加工過程，簡單快速地設(shè)計制造各種類型的質(zhì)控體模使質(zhì)控工作低成本化成為可能[7-9]。本研究采用3D打印技術(shù)，通過對MRI質(zhì)控體模的研究和改進，旨在通過數(shù)字化建模和一體打印制出符合我國衛(wèi)生行業(yè)標準的體模。

1 材料與方法

1.1體模設(shè)計 體模設(shè)計模塊包括星形測試模塊、幾何畸變測試模塊、層厚測試模塊，用于測試MR掃描儀的高對比度分辨率、低對比度分辨率、層厚、空間定位、弛豫值、幾何畸變、流體測量、層厚偏差及調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function， MTF)等指標[10-11]；設(shè)計過程中可對各測試模塊進行任意組合。以無水硫酸銅+氯化鈉+純水或氯化鎳+氯化鈉+純水溶液作為體模配液，使溶液充滿整個體模[12]。

1.23D模型設(shè)計 采用設(shè)計制圖軟件Pro/Engineer,按照圖紙設(shè)計3D模型(文件格式為STL)。3D打印模型可實現(xiàn)個性化設(shè)計，根據(jù)不同需求，在設(shè)計階段調(diào)整體模大小、外形等。在一體化打印中，分別設(shè)計出下底直徑為6、12、20 cm的3種規(guī)格，以適應(yīng)不同的MR掃描系統(tǒng)，見圖1。

外殼和各個測試模塊支架材料為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate， PMMA)有機玻璃，通過螺栓、套筒進行組裝固定，見圖3。

1.33D打印 一體化打印前，以制圖軟件Pro，選擇模塊間的連接方式，根據(jù)具體需要調(diào)整各個模塊及外殼大小后，將STL格式文件導(dǎo)入3D光敏成型打印機(LITE600HD)進行打印[13-14]。將模塊與外殼分開打印，以便清除支撐材料。打印完成后進行組裝，即可投入使用，見圖4～7。

打印體模時，可根據(jù)要求選擇2種不同模式：第1種為組裝式體模，每層模塊單獨打印，再使用機械加工的方式進行組裝；第2種為一體化體模，將選擇好的模塊設(shè)計為一個整體，使用打印的外殼進行密封。

1.4體模測試 體模制作完成后，采用GE Signa HDE 1.5T MR成像系統(tǒng)進行掃描，將獲得的圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件，進行圖像數(shù)據(jù)分析，測試圖像相位編碼方向和頻率編碼方向的極限分辨率、幾何畸變率、層厚偏差和縱橫比。

2 結(jié)果

2.1星形測試模塊分析 在MR系統(tǒng)下測得極限分辨率和頻率編碼方向的空間分辨率。采用Mimics軟件中的測量工具，測得體模相位編碼方向模糊帶直徑為2.91 cm，頻率編碼方向模糊帶直徑為4.55 cm。經(jīng)計算獲得相位編碼方向極限分辨率為6.55 LP/cm，頻率編碼方向為4.19 LP/cm，見圖8。

采用Mimics軟件分析灰度值變化，繪制灰度值變化曲線，見圖9。本研究采用的3D打印機的打印精度為16 μm，誤差2 μm，高于機械加工的2.5 μm。對星形測試模塊以MR測得的圖像采用標準3點測量法獲取MTF線對數(shù)據(jù)，獲得角度實測值為2.7°～3.0°，線對實測值見表1(共測量6次)。

表1 星形測試模塊線對理論值與實測值對比

2.2幾何畸變測試模塊分析 以MR系統(tǒng)測量圖像幾何畸變。測量方格間的對角線長度為10 cm，根據(jù)公式計算，獲得圖像畸變率為9.94%，見圖10。

2.3層厚測試模塊分析 以MR系統(tǒng)測量各個亮帶和暗帶長度，圖像掃描層厚為5 mm，實際計算層厚為5.63～6.51 mm，偏差為+1.51 mm，圖像縱橫比為0.984，見圖11。

圖3 組裝式3D打印體模(A)與同類基于機械加工的體模(B)對比 圖4 3D打印星形測試模塊(A)精度高于機械加工水玻璃制成的星形測試模塊(B)

圖5 3D打印的幾何畸變測試模塊 圖6 3D打印的層厚測試模塊 圖7 一體化打印體模打印效果 圖8 相位編碼方向極限分辨率為6.55 LP/cm，頻率編碼方向為4.19 LP/cm

圖9 相位編碼方向和頻率編碼方向灰度值變化曲線 圖10 幾何畸變測試模塊測得圖像畸變率為9.94 圖11 以層厚測量模塊計算實際層厚及縱橫比

3 討論

3D打印質(zhì)控體模成型速度快、成本低，且制作精度高于普通體模。利用3D打印技術(shù)有望實現(xiàn)普及質(zhì)控，為醫(yī)用教學(xué)、臨床實驗、適型放療提供精密的質(zhì)控體模。

3D打印MR綜合測試體模的空間分辨率測試精度元高于傳統(tǒng)體模，隨3D打印機的精度不同而有不同的高對比度分辨率：打印精度高的3D打印機打印出的模塊的高對比度分辨率測試精度與傳統(tǒng)體模相似；而打印精度偏低的3D打印機，受限于打印材料、打印方式和打印機噴頭類型，其所打印的高對比度分辨率模塊往往達不到要求精度。幾何畸變、層厚等其他參數(shù)的測試精度與此相似。

相對于傳統(tǒng)質(zhì)控體模，3D打印體模具有以下優(yōu)點：①適用性強，可根據(jù)不同MR掃描儀對應(yīng)制作不同的體模，實現(xiàn)個性化設(shè)計，做到根據(jù)機器需求定制體模類型；②質(zhì)控體模的制作成本大幅度低于傳統(tǒng)質(zhì)控體模，且因為其適用性強，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)用教學(xué)、臨床實驗、質(zhì)控工作等方面，尤其有利于MRI質(zhì)控工作的普及與發(fā)展。

目前3D打印技術(shù)已經(jīng)用于臨床多個領(lǐng)域。Kamomae等[15]采用3D打印制作患者的個性化體模，以保證放射治療的質(zhì)量。Yea等[16]以3D打印制作用于頭部的放射治療體模；Kim等[17]以3D打印制作脊柱的放射治療體模；Cox等[18]以3D打印制作填充性的PET體模；Grice等[19]以3D打印制作多普勒超聲常規(guī)測試的體模。體模已由簡單的2D逐漸發(fā)展為3D形態(tài)，但如果用于機器性能參數(shù)檢測，2D體模能更直觀地顯示對比數(shù)據(jù)、調(diào)試機器性能。

隨著3D打印技術(shù)的不斷進步及質(zhì)控工作的重要性獲得認識，3D打印質(zhì)控體?？勺鳛楦觾?yōu)質(zhì)的選擇，為國家質(zhì)控工作的標準化、規(guī)范化作出貢獻。