基于3D打印構(gòu)建醫(yī)學(xué)影像設(shè)備實(shí)驗(yàn)物理模型的研究進(jìn)展

張 杰，張 楠，李巖峰，周 娟，曹德森，何昆侖

（1.解放軍總醫(yī)院醫(yī)療保障中心醫(yī)學(xué)工程科，北京 100853；2.聯(lián)勤保障部隊(duì)藥品儀器監(jiān)督檢驗(yàn)總站，北京 100166；3.解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)創(chuàng)新研究部醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)研究中心，北京 100853）

0 引言

在醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)研發(fā)過程中，物理模型實(shí)驗(yàn)是一種重要方法，相比于人體實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，沒有倫理道德約束，且相對(duì)成本較低；相比于計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，物理模型實(shí)驗(yàn)則能更好地模擬真實(shí)的物理情境。已知特性的標(biāo)準(zhǔn)物理模型對(duì)于醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的檢測與評(píng)估具有不可替代的作用，接近人體真實(shí)特性的擬人物理模型則能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)影像系統(tǒng)研究提供高精度的測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因此，構(gòu)建形狀結(jié)構(gòu)和材料特性接近人體真實(shí)狀態(tài)的物理模型對(duì)于促進(jìn)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

由于不需要使用模具而直接從計(jì)算機(jī)三維模型構(gòu)建實(shí)體，3D打?。ㄔ霾闹圃欤?duì)于構(gòu)建小批量的復(fù)雜形狀的模型具有獨(dú)特優(yōu)勢。隨著打印技術(shù)的逐漸成熟和不同特性打印材料的出現(xiàn)，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，包括構(gòu)建手術(shù)導(dǎo)航解剖學(xué)模型及打印藥品、組織器官替代品、矯形器/假體、醫(yī)療設(shè)備等[1-2]。3D打印的過程包括計(jì)算機(jī)三維模型的構(gòu)建、材料的選擇、模型的打印和模型后處理等，這些過程均能影響模型的性能。規(guī)則幾何形狀的計(jì)算機(jī)三維模型通過建模軟件直接構(gòu)建，擬人形狀模型則通過斷層成像或者三維掃描以及三維重構(gòu)獲取；材料的選擇考慮可打印性和特性需求；模型打印過程包括打印參數(shù)的選擇、切片與打印，其中打印參數(shù)是影響模型性能的一個(gè)重要因素；模型的后處理包括去除多余材料、組件拼接等。包括這些過程的打印技術(shù)和打印材料的發(fā)展為3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)能夠通過圖像呈現(xiàn)人體組織的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，為疾病診斷提供一種非侵入式方法。根據(jù)不同的成像原理，主流醫(yī)學(xué)影像技術(shù)有CT、MRI、超聲成像、核素成像等。在醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用過程中，物理模型能夠提供穩(wěn)定的測試和評(píng)估工具。傳統(tǒng)物理模型的形狀結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，或者構(gòu)造方法復(fù)雜，因此限制了物理模型的進(jìn)一步應(yīng)用。3D打印技術(shù)的發(fā)展為物理模型的構(gòu)造提供了新的且更為有效的方法。針對(duì)不同原理的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，近年來研究人員利用3D打印技術(shù)構(gòu)造了多種物理模型[3]，從規(guī)則幾何形狀模型到擬人形狀模型，打印模型的材料也更為接近人體組織的成像特性。本文從3D打印模型在不同醫(yī)學(xué)影像技術(shù)中的應(yīng)用、模型的形狀特性及其準(zhǔn)確性、打印模型的材料特性3個(gè)方面進(jìn)行論述，為進(jìn)一步利用3D打印技術(shù)構(gòu)建應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的高精度物理模型提供參考。

1 應(yīng)用于不同原理醫(yī)學(xué)影像設(shè)備實(shí)驗(yàn)的3D打印模型

1.1 應(yīng)用于X射線和CT成像實(shí)驗(yàn)的3D打印模型

X射線和CT成像是臨床使用最廣泛的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，其利用人體不同組織對(duì)X射線的吸收和透過率的不同進(jìn)行成像。成像系統(tǒng)在研制和應(yīng)用過程中需要利用已知特性的模型對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，物理模型能夠用于該類成像軟硬件系統(tǒng)的測試與評(píng)估。近年來，研究人員利用3D打印構(gòu)建了多類物理模型，從規(guī)則的圓柱體模型[4]到人體真實(shí)形狀模型[5]，從單組織模型到多組織復(fù)合模型[6]，模型的構(gòu)建方式、材料、用途和優(yōu)缺點(diǎn)分析等見表1。3D打印模型的顯著優(yōu)勢是能夠模擬組織的解剖結(jié)構(gòu)，易于調(diào)節(jié)材料的性能，不足之處是模型的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性需要進(jìn)一步評(píng)估。依據(jù)X射線和CT成像的原理，構(gòu)建模型前先選擇與組織CT值相一致的打印材料，然后獲取組織的計(jì)算機(jī)三維模型，最后進(jìn)行模型的打印和后處理。

表1 用于X射線和CT成像實(shí)驗(yàn)的3D打印模型

構(gòu)建模型使用最多的2類打印技術(shù)是材料噴射（material jetting，MJ）和熔融沉積成型（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）。材料噴射成型的特點(diǎn)是打印精度高，但打印設(shè)備和材料的價(jià)格較高；熔融沉積成型具有操作簡單、使用成本低和材料選擇較多等優(yōu)勢，近年來得到越來越多的應(yīng)用。構(gòu)建模型使用的其他打印技術(shù)還有立體光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）、粘結(jié)劑噴射（binder jetting，BJ）、選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）和分層實(shí)體制造（laminated object manufacturing，LOM）等。構(gòu)建模型所用的打印材料包括光敏樹脂、石膏、尼龍、硅膠、碳粉涂層紙、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（acrylonitrile butadiene styrene copolymers，ABS）、熱塑性聚氨酯彈性體（thermoplastic polyurethanes，TPU）、聚乳酸（polylactic acid，PLA）和硅橡膠等。為了構(gòu)建具有理想特性的模型需要綜合考慮打印技術(shù)特點(diǎn)和打印材料特性。

1.2 應(yīng)用于MRI成像實(shí)驗(yàn)的3D打印模型

MRI利用人體氫質(zhì)子在磁場內(nèi)的自旋屬性進(jìn)行成像，對(duì)人體沒有放射性損傷且對(duì)軟組織解剖結(jié)構(gòu)顯示清晰，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉、膀胱等組織的優(yōu)選成像方法。在MRI技術(shù)發(fā)展過程中，物理模型起著不可或缺的作用。人體組織形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且組織性質(zhì)異構(gòu)，傳統(tǒng)方法構(gòu)建的模型通常是均質(zhì)的簡單形狀，而3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)異質(zhì)復(fù)雜形狀MRI實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母咝蕵?gòu)建（見表2）。構(gòu)建模型的技術(shù)主要是3D打印中使用最廣的兩類方法：熔融沉積成型和立體光固化成型，熔融沉積成型主要采用ABS材料，而立體光固化成型采用光敏樹脂。對(duì)于包含多類組織的模型，通常采用組織分割、打印然后組裝的方式，部分組織采用其他優(yōu)選材料進(jìn)行填充。在分割、打印、組裝和填充的過程中，通過對(duì)構(gòu)建步驟進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠提高模型質(zhì)量[13]。

表2 用于MRI成像實(shí)驗(yàn)的3D打印模型

1.3 應(yīng)用于核素成像實(shí)驗(yàn)的3D打印模型

SPECT和PET是最常見的2種核素成像技術(shù)，統(tǒng)稱為發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像（emission computed tomography，ECT），主要依據(jù)進(jìn)入人體循環(huán)系統(tǒng)的示蹤分子的聚集濃度進(jìn)行成像。在構(gòu)建物理模型時(shí)，除了考慮模型的形狀以及對(duì)射線的吸收程度，還需要設(shè)計(jì)核素在模型中的分布。研究人員利用熔融沉積成型和材料噴射成型技術(shù)構(gòu)建了頭部模型[18]、胰腺和腎臟模型[19-20]、肝臟模型[21]，并將其應(yīng)用于成像系統(tǒng)的驗(yàn)證和評(píng)估，該類模型的特征和優(yōu)缺點(diǎn)見表3。

表3 用于SPECT和PET成像實(shí)驗(yàn)的3D打印模型

1.4 應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像的3D打印模型

超聲成像是利用人體器官組織聲學(xué)特性的差異，在發(fā)射超聲信號(hào)后通過對(duì)反射信號(hào)的接收、處理來獲得體內(nèi)器官的圖像。應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像的3D打印模型研究見表4。聲學(xué)特性與人體組織接近的打印材料目前較少，因此這類模型的構(gòu)建通常采用間接方式，即先利用3D打印構(gòu)建模型模具，然后選擇合適的材料填充模具，同時(shí)加入病灶點(diǎn)或者預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建模型模具的過程中，使用可打印的水溶性的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol，PVA）材料，在成型后通過水溶解模具，脫模時(shí)不需要使用其他工具和操作，從而避免了操作較為困難的脫模步驟。相比于直接打印，間接方式在一定程度上解決了理想打印材料不足的問題，但形狀復(fù)雜性和精度有所降低。用于醫(yī)學(xué)超聲成像實(shí)驗(yàn)的3D打印模型的特征和優(yōu)點(diǎn)見表4。

表4 用于醫(yī)學(xué)超聲成像實(shí)驗(yàn)的3D打印模型

2 模型的形狀結(jié)構(gòu)特征及準(zhǔn)確性驗(yàn)證

2.1 模型的形狀結(jié)構(gòu)特征

除了少數(shù)簡化的規(guī)則幾何形狀模型能夠通過正向設(shè)計(jì)方法利用三維設(shè)計(jì)軟件直接建模，大部分復(fù)雜形狀模型需要采用逆向工程方法，采集組織器官的3D數(shù)據(jù)后重構(gòu)模型。主要通過CT和MRI實(shí)現(xiàn)3D數(shù)據(jù)的采集。CT掃描速度快、圖像分辨力高，容易獲取高精度模型，但對(duì)人體有放射性損傷，在獲取高精度模型時(shí)需要采用低層厚CT掃描，因此同體積模型需要更多掃描層數(shù)，增加了人體受到的輻射。MRI能夠更好地呈現(xiàn)軟組織對(duì)比度，且沒有輻射，但成像速度較慢。Hazelaar等[6]構(gòu)建胸部模型時(shí)通過CT獲取組織原始數(shù)據(jù)，分割重建后的組織包括骨結(jié)構(gòu)、包含氣管的肺結(jié)構(gòu)、直徑大于1 mm的肺血管等（如圖1所示），更小的組織則由于打印體易碎而難以呈現(xiàn)。Wood等[15]構(gòu)建頭部模型時(shí)使用MRI獲取組織形狀數(shù)據(jù)，然后基于MRI圖像把頭部組織分割為腦組織、腦干、腦脊液、眼睛等8類組織，接著分別進(jìn)行三維重構(gòu)和打印，最后進(jìn)行拼接和填充形成完整頭部模型。該模型雖然對(duì)頭部組織進(jìn)行了分類，但是真實(shí)人體頭部包含更多類不同特性的組織，因此構(gòu)建形狀和結(jié)構(gòu)更加精細(xì)的模型需要在原始數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和打印等多方面進(jìn)行提升。

圖1 包含骨、肺氣管和血管結(jié)構(gòu)的胸部模型的3D打印過程[6]

2.2 模型的形狀準(zhǔn)確性評(píng)估與驗(yàn)證

雖然打印設(shè)備會(huì)提供打印分辨力和精度信息，但是模型的形狀精度受模型構(gòu)建過程中多重因素的影響，包括模型的原始3D數(shù)據(jù)、圖像的分割與三維重構(gòu)、模型打印參數(shù)設(shè)置、打印技術(shù)與材料、模型的后處理等[6]。大部分研究只是對(duì)模型的形狀準(zhǔn)確性進(jìn)行定性評(píng)估，少部分研究定量分析了模型的準(zhǔn)確性。Hong等[10]評(píng)估了肺模型中病灶的尺寸，結(jié)果表明誤差與打印材料相關(guān)，最大誤差為0.55 mm。除了基本的幾何測量對(duì)比方法，復(fù)雜模型的形狀準(zhǔn)確性評(píng)估需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)對(duì)比，首先利用與模型原始3D數(shù)據(jù)采集類似的方法，通過醫(yī)學(xué)成像或三維掃描重構(gòu)獲取打印模型的形狀數(shù)據(jù)，然后與打印前的計(jì)算機(jī)三維模型進(jìn)行對(duì)比，利用軟件計(jì)算2種模型之間的尺寸差異，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜模型形狀準(zhǔn)確性更完整的評(píng)估與驗(yàn)證[6]。

3 用于構(gòu)建模型的打印材料性能

3.1 打印材料的放射學(xué)特性

材料的CT值表征其對(duì)X射線的吸收程度，因此選取CT值與人體組織相近的可打印材料是構(gòu)建用于X射線和CT成像以及ECT成像模型的前提。為了獲取理想放射學(xué)特性的材料，Okkalidis等[25]評(píng)估了11種能用于熔融沉積成型的商業(yè)材料，用來模擬不同組織，包括肌肉、脂肪和肺組織等，同時(shí)考察打印體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料放射學(xué)特性的關(guān)系，結(jié)果表明打印體的CT值與填充密度具有明確的線性關(guān)系，利用不同填充密度，能夠?qū)崿F(xiàn)同一種PLA材料對(duì)3類生理組織的模擬。由于3D打印加工方式的特殊性，通過設(shè)置打印時(shí)的切片參數(shù)，主要是填充方式和填充率，控制打印體的內(nèi)部密度分布，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)打印體CT值的調(diào)節(jié)[26]（如圖2所示），提升了模型構(gòu)建方式的靈活性。Talalwa等[27]對(duì)一種TPU和PVA的共聚物的放射學(xué)特性進(jìn)行了研究，通過調(diào)節(jié)填充密度、填充方式、不同液體介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)CT值在-990～950 HU范圍內(nèi)的調(diào)控。該材料的另一特點(diǎn)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，能夠?qū)崿F(xiàn)打印體CT值在更大范圍上的調(diào)節(jié)。因此，結(jié)合原始材料的選擇與打印體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的控制，打印材料的CT值范圍能夠完整覆蓋人體不同生理組織的CT值。

圖2 幾種典型的熔融沉積成型的打印填充模式[26]

3.2 打印材料的電磁特性

構(gòu)建用于MRI成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的物理模型需要材料的電磁特性與人體組織相一致。Talalwa等[28]發(fā)現(xiàn)一種可打印的彈性橡膠聚合物，該聚合物不僅能夠模擬組織的彈性特征，還具有與人體組織接近的電磁特性。利用3.0T MRI測試該材料的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、自旋晶格弛豫時(shí)間（T1）等，結(jié)果表明其MRI對(duì)比度與腦組織接近，能夠用于構(gòu)建具有清晰對(duì)比度的腦灰/白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，有利于構(gòu)建新的用于MRI實(shí)驗(yàn)的腦組織模型。

3.3 打印材料的聲學(xué)特性

打印材料的聲學(xué)性能是構(gòu)建超聲成像實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)需要考察的特性。Bakaric等[29]評(píng)估了Agilus30、FLXA9960、FLXA9995、Formlabs Clear、RGDA8625、RGDA8630、VeroClear和VeroWhite共8種用于3D打印的光敏材料在1～3.5 MHz的聲學(xué)特性，包括頻率相關(guān)的相速度和衰減、群速度、信號(hào)速度和質(zhì)量密度，同時(shí)考察了2種不同打印方式（材料噴射成型和立體光固化成型）對(duì)材料聲學(xué)性能的影響。雖然還未直接打印用于超聲成像的組織模型，但是該研究實(shí)現(xiàn)了多種材料在較廣超聲頻率范圍的性能評(píng)估，為利用光敏材料打印模型提供了材料特性參考。

4 總結(jié)與展望

結(jié)合醫(yī)學(xué)成像、三維重構(gòu)和材料特性調(diào)控方法，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高效率構(gòu)建形狀結(jié)構(gòu)接近真實(shí)同時(shí)具備組織成像特性的擬人物理模型，且模型的形狀結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性相比過去實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀酗@著提升。從材料特性的角度，對(duì)于構(gòu)建用于X射線和CT成像系統(tǒng)的模型，打印材料的CT值能夠覆蓋人體組織的CT值，而對(duì)于其他模態(tài)成像，更多的材料研究將有利于構(gòu)建成像特性更準(zhǔn)確的模型。除了能夠低成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀模型的構(gòu)建，通過3D打印方式構(gòu)建用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牧硪粋€(gè)顯著優(yōu)勢是除了打印材料本身的性能，由于3D打印通過材料層層堆積的方式構(gòu)造三維實(shí)體，能夠通過控制模型內(nèi)部材料密度分布來調(diào)節(jié)材料性能，從而更好地實(shí)現(xiàn)打印體對(duì)生理組織成像特性的模擬。

多模態(tài)成像能夠?yàn)榧膊≡\斷提供更豐富的解剖和功能信息，3D打印技術(shù)為構(gòu)建用于多模態(tài)成像實(shí)驗(yàn)的物理模型提供了新的方法[30]，打印技術(shù)為模型形狀和結(jié)構(gòu)提供了保障，但打印材料的特性限制了模型多模態(tài)性能的提升。因此，為構(gòu)建特性與人體組織更為接近的多模態(tài)擬人物理模型，需要進(jìn)一步研制不同模態(tài)性能與人體組織相一致的可打印材料。