基于3D打印技術(shù)構(gòu)建仿真兒童CT增強(qiáng)腹部體模的測(cè)試研究

歐陽(yáng)榮珍，孫愛敏，王謙 ，郭辰，李劍穎，胡立偉，鐘玉敏

1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心放射科，上海200127；2.GE中國(guó)CT影像研究中心，上海201203

前言

增材制造（3D打?。┦侵笐?yīng)用粉末狀、液態(tài)或金屬等可黏合材料，通過(guò)逐層打印方式來(lái)構(gòu)造物理模型的技術(shù)。3D打印發(fā)明于1983年，起初應(yīng)用于模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。隨著打印材料的多樣化和打印精度的提高，其在醫(yī)學(xué)術(shù)前規(guī)劃［1］、手術(shù)模擬［2］、手術(shù)教學(xué)［3］領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。直寫成型技術(shù)是一種新型的無(wú)模成像3D打印技術(shù)，精確控制懸浮液的沉積，通過(guò)逐層疊加的方式制備三維周期結(jié)構(gòu)，是目前最新的3D打印技術(shù)之一［4］。前期研究中，通過(guò)對(duì)高透明環(huán)氧樹脂、石膏、光敏樹脂等打印材料的CT衰減組織特性研究發(fā)現(xiàn)，可能存在一種3D打印混合材料與CT值呈線性關(guān)系。本研究的目的是：①通過(guò)混合聚氨酯和三（2-氯乙基）磷酸酯（TCEP）材料，探索不同CT掃描條件下的混合材料組織衰減特性。②設(shè)計(jì)、打印仿真動(dòng)脈期兒童CT增強(qiáng)腹部體模，比較仿真腹部模型與正常兒童CT的圖像質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 混合材料組織衰減特性

按0%～60%的比例配置16種不同濃度TCEP混合聚氨酯液體存放于塑料試管內(nèi)。根據(jù)濃度從低到高，將試管從左到右，從上到下等距離排列（圖1a）。結(jié)果表明，CT值和TCEP濃度之間均有良好的線性相關(guān)性（P＜0.001,r=0.99）。等待混合材料冷卻凝固后，使用CT檢查（GE Discovery CT750 HD）重復(fù)掃描3次。CT掃描參數(shù)：機(jī)架轉(zhuǎn)速0.35 s/圈，準(zhǔn)直器寬度0.625 mm×64層，管電壓80、100、120 kV，管電流100 mAs，重建層厚0.625 mm，矩陣512×512。評(píng)價(jià)不同管電壓下，不同濃度混合材料的CT值變化。

1.2 兒童體模

提取本院1例正常兒童腹部CT檢查的DICOM動(dòng)脈期圖像，使用Mimics17.0軟件提取腹部CT圖像構(gòu)建成脊柱單元、血管單元、肝臟單元等；通過(guò)直寫成型技術(shù)選擇不同比例混合材料，打印兒童CT增強(qiáng)腹部體模（圖2）。使用正常兒童CT掃描參數(shù)對(duì)腹部體模進(jìn)行掃描。

1.3 圖像處理與分析

圖1 0%、2%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%、13%、15%、20%、30%、40%、50%、60%濃度三（2-氯乙基）磷酸酯混合聚氨酯CT掃描模型（a）以及模型在管電壓80 kV（b）、100 kV（c）和120 kV（d）和管電流100 mAs掃描下的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工作站重建掃描圖像，分別測(cè)量體模CT圖像和正常兒童CT圖像的的背景噪聲、感興趣區(qū)域CT值和對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio,CNR）。具體方法為選定在肝臟、腎臟皮質(zhì)、腹主動(dòng)脈、脾和肌肉圖像中的相同層面，測(cè)量設(shè)置感興趣區(qū)（Range of Interest,ROI）面積為 19 mm2。重復(fù)測(cè)量3次取平均值。背景噪聲指圖像中肌肉CT值的標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)比噪聲比CNR=（感興趣區(qū)域CT值-背景組織CT值）/SD，其中，感興趣區(qū)域包括肝臟、腎臟皮質(zhì)、腹主動(dòng)脈、脾臟，SD指背景噪聲（圖3）。

圖2 1例兒童腹部體模設(shè)計(jì)和打印，模擬各解剖結(jié)構(gòu)動(dòng)脈期增強(qiáng)CT組織衰減特性Fig.2 A pediatric abdominal phantom designed and printed to simulate the tissue attenuation characteristics after CT enhancement in the arterial phase

圖3 體模和正常兒童CT圖像對(duì)比Fig.3 Comparison of phantom images and CT images of normal children

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用Graphpad 5.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)算不同CT掃描條件下的混合材料濃度和CT值的線性關(guān)系。計(jì)算體模和正常兒童各解剖部位CT值、噪聲，CNR的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差用柱形圖表示。P＜0.05為結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

在不同的管電壓下，TCEP濃度變化和CT值之間都存在良好的線性關(guān)系（P＜0.001,r=0.99）。除了腹主動(dòng)脈，仿真體模各解剖結(jié)構(gòu)CT值與正常兒童基本一致（P＞0.05）。肝臟、腎皮質(zhì)和脾臟的體模圖像比正常兒童的圖像有更高的CNR值（7.08±0.83vs5.50±0.48、14.18±2.48vs10.67±1.05、11.84±1.69vs8.78±0.53）（圖4）。仿真體模CT圖像噪聲與正常兒童接近［（12.3±1.47）HUvs（13.7±1.5）HU］；但主觀圖像質(zhì)量評(píng)分略低[4.35±0.17vs4.72±0.17（觀察者1）、4.50±0.16vs4.65±0.12（觀察者2）]，見表1。

3 討論

在過(guò)往的研究中，國(guó)內(nèi)外CT體模研究均使用專業(yè)機(jī)構(gòu)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)體模［5-8］。2009年Kumar等［8］報(bào)道3D打印技術(shù)構(gòu)建人體特征體模進(jìn)行劑量學(xué)驗(yàn)證測(cè)量的可行性。2017年Jahnke等［9］首次報(bào)道使用3D打印技術(shù)和灰度矯正方法定制真實(shí)體?？捎糜谠\斷和放射治療。在2017年北美放射學(xué)年會(huì)上多倫多大學(xué)有多篇仿真等效X線衰減人體體模的報(bào)道。本研究通過(guò)3D打印直寫成型技術(shù)混合聚氨酯和TCEP，評(píng)價(jià)TCEP混合材料濃度和CT值的線性關(guān)系。國(guó)內(nèi)首次嘗試打印仿真動(dòng)脈期兒童CT增強(qiáng)腹部體模，比較仿真腹部模型與正常兒童CT的圖像質(zhì)量。

本研究中，經(jīng)過(guò)重復(fù)3次掃描后，不同的管電壓下的TCEP濃度變化和CT值之間都存在良好的線性關(guān)系（P＜0.001,r=0.99）。研究證明使用混合材料確實(shí)可構(gòu)建具有CT衰減特征的人體模型。在整個(gè)模型設(shè)計(jì)和3D打印過(guò)程中，都有放射科醫(yī)生參與保證模型質(zhì)量［10］。2010年，國(guó)內(nèi)學(xué)者報(bào)道使用中國(guó)人仿真胸部體模與正常成人的CT圖像比較，結(jié)果顯示體模組織的X線衰減等效程度良好［11］。本研究中兒童CT增強(qiáng)腹部體模與正?；純旱腃T圖像質(zhì)量比較發(fā)現(xiàn)，仿真體模大部分解剖結(jié)構(gòu)CT值與正常兒童基本一致（P＞0.05）。肝臟、腎皮質(zhì)和脾臟的體模圖像比正常兒童的圖像有更高的CNR值（7.08±0.83vs5.50±0.48、14.18±2.48vs10.67±1.05、11.84±1.69vs8.78±0.53）。仿真體模CT圖像噪聲與正常兒童接近［（12.3±1.47）HUvs（13.7±1.5）HU］。

本研究存在一些局限性：①由于本模型是一個(gè)造影劑增強(qiáng)模型，目的是模擬兒童增強(qiáng)腹部CT衰減程度。本研究沒有和標(biāo)準(zhǔn)兒童物理體模（Model 704-D）進(jìn)行對(duì)比［12］。②由于3D打印直寫成型技術(shù)的局限性，兒童腹部模型沒有打印CT圖像提取的肋骨部分，這對(duì)于模型圖像的CT值和信噪比計(jì)算會(huì)存在差異。③3D打印CT增強(qiáng)腹部體模體內(nèi)存在少量氣泡，在接下去的研究中會(huì)優(yōu)化工藝，解決這個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

4 結(jié)論

綜上所述，3D打印直寫成型技術(shù)構(gòu)建仿真體模具有可行性，且圖像質(zhì)量和一致性良好。仿真的兒童CT體模能模擬不同患者體型的組織衰減特性，可用于優(yōu)化CT劑量和重建算法。

致謝：感謝寧波創(chuàng)導(dǎo)三維醫(yī)療公司公司宮海波和毛茅對(duì)兒童腹部體模設(shè)計(jì)和打印中作出的貢獻(xiàn)。