CT多功能檢測模體設(shè)計(jì)與3D打印制作研究

張新明,李翰威,王浩文,凌慶慶,齊宏亮,陳宏文

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷與治療的重要手段之一。CT的發(fā)展,極大地推進(jìn)了醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的進(jìn)步。通過 CT 影像,醫(yī)生可以看到患者內(nèi)部的器官、骨骼等情況,實(shí)現(xiàn)非侵入性檢查,不僅為醫(yī)生提供了更加準(zhǔn)確的影像信息,也極大地提高了疾病的診斷水平和治療效果[1-2]。

與此同時(shí),隨著CT技術(shù)的革新發(fā)展,包括低劑量CT、能譜CT、螺旋造影、錐形束CT等新技術(shù)的出現(xiàn),這些新技術(shù)為醫(yī)學(xué)診斷和治療提供了更加先進(jìn)和準(zhǔn)確的手段,也意味著需要更全面的對于影像質(zhì)量以及輻射劑量的檢測研究,這就依賴于物理檢測模體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試[3]。CT檢測模體的發(fā)展與相關(guān)CT技術(shù)的不斷革新密切相關(guān),當(dāng)前我國醫(yī)用CT檢測模體多依靠進(jìn)口,價(jià)格昂貴,且現(xiàn)有CT模體功能仍需拓展,如Catphan模體未包含針對能譜CT碘密度校正檢測以及金屬偽影評價(jià)模塊。國內(nèi)模體相關(guān)研究發(fā)展起步較晚,單一的模體應(yīng)用場景有限,無法滿足臨床檢測要求,未得到廣泛應(yīng)用[4-6]。3D打印技術(shù)的發(fā)展為我們提供了新的思路,其在精準(zhǔn)性、性價(jià)比等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢,其應(yīng)用到CT模體的設(shè)計(jì)上能夠有效降低研發(fā)成本,加快迭代速度[7-8]。

圖1 模體的平面圖及3D渲染圖。 圖2 3D打印機(jī)及模體打印成品。

本研究結(jié)合3D打印技術(shù),提出并研制了一款多功能檢測模體,作為Catphan模體部分功能的補(bǔ)充,用于多場景下的CT影像質(zhì)量評價(jià),提高了模體的可靠性、實(shí)用性和可塑性,為CT檢測技術(shù)的發(fā)展和提高提供了支持和保障,同時(shí)也為后續(xù)的3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用提供了可借鑒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和方法。

材料與方法

1.模體設(shè)計(jì)

本研究根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)一款CT專用測試模體,設(shè)計(jì)整體包括了底座、模體和試管等結(jié)構(gòu),底座用于支撐模體在成像平臺上,防止?jié)L動(dòng),與模體接觸的表面呈V型面或弧形面[9-11]。模體的第一端面凹陷有10個(gè)凹孔,各凹孔內(nèi)置入有可取下的試管,模體內(nèi)部中空形成可灌入液體的空腔,模體的第一端面內(nèi)側(cè)朝空腔凸伸形成在空腔內(nèi)間隔布置10個(gè)凸柱,每個(gè)凹孔位于一凸柱內(nèi)。模體的頂面沿軸線方向凸出形成凸起,凸起上開設(shè)有與空腔連通的注液孔,注液孔處吻合有可取下的密封塞。凹孔的內(nèi)壁和試管的外壁通過螺紋吻合。試管包括柱管和與柱管螺紋配合的管塞。該模體的平面設(shè)計(jì)圖及3D渲染圖見圖1,模體的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 模體的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.模體3D打印

本研究所用3D打印機(jī)為蘇州中瑞智創(chuàng)三維科技股份有限公司生產(chǎn)的型號為iSLA550的3D打印機(jī)。該打印機(jī)成型模式為光固化,最高成型精度為0.05 mm,最大成型尺寸為500 mm(X軸)×500 mm(Y軸)×300 mm(Z軸)。本研究3D打印所選精度為0.1 mm,其它具體參數(shù)為:光斑補(bǔ)償0.080 mm,Z軸補(bǔ)償0.080 mm,輪廓打印速度3500.0 mm/s,實(shí)體打印速度6200.0 mm/s,跳躍速度10000.0 mm/s,Z軸移動(dòng)速度4.0 mm/s。3D打印機(jī)外觀圖及打印的模體成品見圖2。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

此次研究的CT多功能檢測模體可實(shí)現(xiàn)包括均勻度測量、碘密度值誤差分析及金屬偽影去除效果量化分析。為評價(jià)自研模體的性能水平,將其與Catphan模體進(jìn)行部分指標(biāo)的比較,采用相同的掃描重建條件,通過對比測試結(jié)果,對自研模體進(jìn)行評價(jià)和性能驗(yàn)證。

(1)檢測設(shè)備與依據(jù):采用西門子Somatom Force型號的CT設(shè)備開展檢測實(shí)驗(yàn),選取條件為CT常用的CT頭部掃描條件,軸掃,具體CT掃描參數(shù):管電壓120 kV,管電流250 mA,層厚1.5 mm,對照檢測模體采用美國Catphan500CT性能檢測模體。皓克能譜Spectral CT進(jìn)行測試時(shí),采集參數(shù)為:管電壓80 kV/140 kV(低高能兩組數(shù)據(jù)),管電流280 mA,層厚1.25 mm。按照GB 17589-2011《X射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置質(zhì)量保證檢測規(guī)范》中的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與驗(yàn)收檢測評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較[12-13]。

(2)檢測項(xiàng)目:①模體外殼及試管影響。首先為驗(yàn)證模體自身材料以及試管對于成像的影響,本研究設(shè)計(jì)了3個(gè)實(shí)驗(yàn),3個(gè)實(shí)驗(yàn)的模體腔內(nèi)都注入蒸餾水,3個(gè)實(shí)驗(yàn)不同點(diǎn)在于:①將模體內(nèi)的試管移除;②模體內(nèi)插入空試管;③模體內(nèi)插入裝滿蒸餾水的試管。之后進(jìn)行CT掃描,在所掃描圖像內(nèi)選取5個(gè)(中心1個(gè)、四周4個(gè))面積為1 cm2左右包含約500個(gè)像素大小的感興趣區(qū)(region of interest,ROI),將5個(gè)ROI內(nèi)的CT值計(jì)算平均值后得到測量結(jié)果,根據(jù)測量結(jié)果分析腔體以及試管材料對于內(nèi)容物CT成像的影響。

②均勻性。對CT模體(腔內(nèi)以及試管中注入蒸餾水)做斷層掃描,在斷面圖像選取5個(gè)ROI區(qū)域,分別測量區(qū)域內(nèi)的平均值,用四周ROI的平均CT值(用CTp表示)相對于中心ROI的平均CT值(用CTc表示)的最大離差表示均勻性,如公式(1)所示:

U=Max(|CTc-CTp|)

(1)

公式(1)中,U 表示均勻性,單位為HU。

③碘密度。碘溶液密度分布根據(jù)臨床診斷范圍制定,本研究按照表2配置碘溶液濃度,配置溶液后將試管插入凹孔中擰緊固定。模體的碘濃度須確保配制精確,作為后續(xù)設(shè)備檢測的絕對金標(biāo)準(zhǔn),采用電子天平(精度:0.0001 g)和移液槍(精度:5 uL)等精密儀器進(jìn)行溶液配制,模體空腔內(nèi)灌入純凈的蒸餾水。

表2 不同試管內(nèi)的碘溶液濃度配置

數(shù)據(jù)掃描采集后,勾畫斷層圖像中每根試管的ROI,通過密度分解算法計(jì)算得到10根試管各自的平均碘濃度,將設(shè)備檢測得到每根試管內(nèi)溶液碘濃度與模體內(nèi)真實(shí)的碘濃度進(jìn)行對比,采用均方誤差(mean square error,MSE)和Pearson積矩相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行誤差評價(jià)。

④金屬偽影。留有一定數(shù)量的試管,試管內(nèi)部裝入金屬棒,將裝有金屬棒的試管插入凹孔10中擰緊固定,數(shù)據(jù)掃描采集后,通過單能分解算法得到各個(gè)能級下的單能圖像,在單能斷層圖像中選取8號和9號試管之間的區(qū)域勾選ROI,計(jì)算ROI區(qū)域內(nèi)的方差值,與無偽影背景水區(qū)域的方差值進(jìn)行比較,可利用偽影指數(shù)(artifact index,AI)評價(jià)硬化偽影去除效果,計(jì)算方法如公式2所示。

(2)

其中SD為偽影最嚴(yán)重ROI的CT值的方差值,SDr為無偽影區(qū)域ROI的CT值的方差值。

結(jié) 果

以某次掃描得到的模體圖像作為檢測對象,使用RadiAnt軟件進(jìn)行人工勾選ROI和數(shù)據(jù)測量,計(jì)算多次測量結(jié)果的均值作為最終結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.模體外殼及試管影響

3組實(shí)驗(yàn)的CT掃描圖像結(jié)果見圖3,在中心位置以及四周的試管內(nèi)勾畫ROI(圖中綠色圓圈)后計(jì)算平均CT值,具體測量結(jié)果見表3。

圖3 a)無試管插入;b)插入空試管;c) 插入裝滿水的試管。 圖4 a)自制模體(自勾畫);b)Catphan模體(自勾畫); c) Catphan模體(國標(biāo))。 圖5 a)無偽影圖像;b)平掃圖像;c)單能級圖像;d)加入OMAR算法的單能級圖像。

根據(jù)CT值的定義,水的標(biāo)準(zhǔn)CT值應(yīng)為0 HU,空氣的標(biāo)準(zhǔn)CT值為-1000 HU。實(shí)驗(yàn)最終的測量結(jié)果顯示,水和空氣的測量值略大于標(biāo)準(zhǔn)值,說明模體的腔體壁以及試管壁對于內(nèi)容物CT值的準(zhǔn)確性有一定影響,但誤差總體在可接受范圍內(nèi)。

2.均勻性

自制模體與對照Catphan模體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)掃描(圖4),進(jìn)行ROI勾畫時(shí),分為兩種方式,如圖中綠色圓圈表示,a、b圖像中選擇的中心點(diǎn)位于整體的偏上試管內(nèi)區(qū)域,c圖像采用國標(biāo)的正中心勾畫方式[12],b與c采用不同的ROI選取方式,其具體CT圖像均勻性檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 均勻性測量數(shù)據(jù)

上述測量結(jié)果的對比可以間接證明中心點(diǎn)的選取對測量結(jié)果的影響,b與c不同的ROI選取方式對最終的測量結(jié)果影響較小,同時(shí)可以看出本研究的自制模體在相同的掃描條件下,其均勻性水平小于Catphan模體,說明自制3D打印模體在均勻性模塊的檢測性能上接近Catphan模體。

3.碘密度

碘密度溶液測量值與真實(shí)值對比數(shù)據(jù)見表5。均方誤差MSE為0.019,Pearson相關(guān)系數(shù)為1.0,結(jié)果相關(guān)性顯著(表6)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,兩者具有強(qiáng)線性相關(guān)性,說明該能譜CT能夠真實(shí)反映物體的碘密度值。

表5 碘密度溶液測量值與真實(shí)值對比數(shù)據(jù)

表6 碘密度溶液測量值與真實(shí)值相關(guān)性分析

4.金屬偽影

圖5顯示的分別是無金屬偽影圖像、平掃圖像、單能級圖像以及加入金屬偽影去除算法(one-shot metal artifact reduction,OMAR)后的單能級圖像,選取圖像無偽影區(qū)域(圖5a中綠色圓圈)與產(chǎn)生金屬偽影最大的區(qū)域勾畫ROI(圖中綠色圓圈)進(jìn)行測量,并計(jì)算AI值,將單能級圖像、平掃圖像與無偽影區(qū)域定量評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比繪制得到圖6,圖中的3條虛線依次代表無金屬偽影的AI指數(shù)(黃色)、平掃下的金屬偽影AI指數(shù)(綠色)以及加入OMAR算法的金屬偽影AI指數(shù)(黑色),由此可得出結(jié)論:60keV以上的單能圖像以及單能加OMAR算法能夠有效抑制金屬偽影。

討 論

隨著材料科學(xué)等技術(shù)的發(fā)展,3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,相對于傳統(tǒng)的手板工藝,3D打印具備成本低、速度快、精度高等優(yōu)勢?？捎糜?D成型的液態(tài)、固態(tài)等材料層出不窮,如普通液態(tài)樹脂材料,滿足生物相容性的樹脂粉末,常規(guī)絲狀聚乳酸(polylactic acid,PLA)材料。不同的材料應(yīng)用于不同的使用場景,通常PLA材料主要應(yīng)用在精度相對要求較低的領(lǐng)域,而樹脂材料的成型精度可以達(dá)到0.1 mm甚至更高,因此,常用于零配件打樣及精密制作[14-16]。在醫(yī)療領(lǐng)域,3D打印技術(shù)所選材料不但需要考慮其精細(xì)程度,更要確保其安全性與可靠性,使其滿足醫(yī)療器械的使用要求,打印材料技術(shù)的升級與發(fā)展,是未來支持醫(yī)學(xué)進(jìn)步的重要方向。

CT掃描的出現(xiàn)為臨床提供了更多直觀的診斷參考信息,CT已成為醫(yī)學(xué)影像主流影像技術(shù)之一,其圖像質(zhì)量控制的重要性也愈發(fā)凸顯[17]。本研究所提出的自制模體嘗試,通過與Catphan模體進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)差異比較,獲得了其差別與優(yōu)劣勢,可為醫(yī)院日常質(zhì)控提供更多選擇,同時(shí)為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化模體研制提供參考依據(jù)。

本研究所設(shè)計(jì)制作的3D打印模體在功能上可以實(shí)現(xiàn)對Catphan模體的補(bǔ)充與改進(jìn),例如自制模體與Catphan模體均可進(jìn)行均勻性與CT值線性的測試評價(jià),自制3D打印模體不具備層厚以及對比度分辨率模塊,但在碘密度測量以及金屬偽影校正測量方面,可以實(shí)現(xiàn)Catphan模體不具備的功能,相關(guān)功能可以拓展模體的應(yīng)用范圍,如對于能譜CT的質(zhì)量控制研究。

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本研究首先驗(yàn)證了自制模體外殼材料以及試管對于內(nèi)容物CT成像的影響,可以看出,模體的腔體以及試管對內(nèi)容物的CT值有一定影響,但總體誤差值在可接受范圍內(nèi),后續(xù)實(shí)驗(yàn)將考慮采用不同的3D打印材料進(jìn)行優(yōu)化,將此影響進(jìn)一步減小[18-20]。同時(shí)本研究制作的模體腔內(nèi)注入的內(nèi)容物為水,相較于其他固體材料,本研究所測量的CT值有更為精準(zhǔn)的參考標(biāo)準(zhǔn),無需另外配置水模,底部的固定板能夠防止模體發(fā)生移動(dòng),提高了測量精度。

均勻性方面,自研的3D打印模體與對照的進(jìn)口Catphan模體在檢測性能上相近,表明自制模體在測量均勻性指標(biāo)上可以實(shí)現(xiàn)Catphan模體相同功能;盡管自制模體在部分功能上較進(jìn)口模體有所缺失,例如不具備層厚、分辨率項(xiàng)目的檢測評價(jià),但相較Catphan專注于傳統(tǒng)CT的質(zhì)控評價(jià),本研究所研制的模體可延伸用于能譜CT等設(shè)備的評價(jià),拓展模體應(yīng)用場景與檢測項(xiàng)目,例如包括在碘密度值測量以及金屬偽影評價(jià)方面。本研究所研制的模體能夠?qū)崿F(xiàn)CT值的檢測與校正,只需標(biāo)定試管內(nèi)容物的CT值即可用于檢定其他CT設(shè)備,以此能夠?qū)崿F(xiàn)Catphan模體的相同功能平替。

得益于3D打印的成本優(yōu)勢,本研究所設(shè)計(jì)的模體能夠?qū)崿F(xiàn)低成本代替,提高了醫(yī)院經(jīng)濟(jì)效益。模體留有可拆卸替換的試管,內(nèi)容物可自行更換標(biāo)定測量,同時(shí)拓展性強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)模塊替換,根據(jù)不同需求進(jìn)行后續(xù)開發(fā)。本研究所設(shè)計(jì)的模體在功能上較Catphan模體缺少部分模塊,但制作模體過程中考慮到更多的模塊意味著更大的體積重量,本文的自制模體可作為傳統(tǒng)模體功能的升級與補(bǔ)充,由此帶來的思考與挑戰(zhàn)將在后續(xù)的研究中進(jìn)行嘗試解決。