基于3D打印技術構建仿真兒童CT增強腹部體模的測試研究

歐陽榮珍，孫愛敏，王謙 ，郭辰，李劍穎，胡立偉，鐘玉敏

1.上海交通大學醫學院附屬上海兒童醫學中心放射科，上海200127；2.GE中國CT影像研究中心，上海201203

前言

增材制造（3D打印）是指應用粉末狀、液態或金屬等可黏合材料，通過逐層打印方式來構造物理模型的技術。3D打印發明于1983年，起初應用于模具制造、工業設計等領域。隨著打印材料的多樣化和打印精度的提高，其在醫學術前規劃［1］、手術模擬［2］、手術教學［3］領域應用越來越廣泛。直寫成型技術是一種新型的無模成像3D打印技術，精確控制懸浮液的沉積，通過逐層疊加的方式制備三維周期結構，是目前最新的3D打印技術之一［4］。前期研究中，通過對高透明環氧樹脂、石膏、光敏樹脂等打印材料的CT衰減組織特性研究發現，可能存在一種3D打印混合材料與CT值呈線性關系。本研究的目的是：①通過混合聚氨酯和三（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設計、打印仿真動脈期兒童CT增強腹部體模，比較仿真腹部模型與正常兒童CT的圖像質量。

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。根據濃度從低到高，將試管從左到右，從上到下等距離排列（圖1a）。結果表明，CT值和TCEP濃度之間均有良好的線性相關性（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）重復掃描3次。CT掃描參數：機架轉速0.35 s/圈，準直器寬度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。評價不同管電壓下，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動脈期圖像，使用Mimics17.0軟件提取腹部CT圖像構建成脊柱單元、血管單元、肝臟單元等；通過直寫成型技術選擇不同比例混合材料，打印兒童CT增強腹部體模（圖2）。使用正常兒童CT掃描參數對腹部體模進行掃描。

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，分別測量體模CT圖像和正常兒童CT圖像的的背景噪聲、感興趣區域CT值和對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio,CNR）。具體方法為選定在肝臟、腎臟皮質、腹主動脈、脾和肌肉圖像中的相同層面，測量設置感興趣區（Range of Interest,ROI）面積為 19 mm2。重復測量3次取平均值。背景噪聲指圖像中肌肉CT值的標準差。對比噪聲比CNR=（感興趣區域CT值-背景組織CT值）/SD，其中，感興趣區域包括肝臟、腎臟皮質、腹主動脈、脾臟，SD指背景噪聲（圖3）。

圖2 1例兒童腹部體模設計和打印，模擬各解剖結構動脈期增強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圖像對比Fig.3 Comparison of phantom images and CT images of normal children

1.4 統計學方法

采用Graphpad 5.0軟件進行統計學分析。計算不同CT掃描條件下的混合材料濃度和CT值的線性關系。計算體模和正常兒童各解剖部位CT值、噪聲，CNR的平均值和標準差用柱形圖表示。P＜0.05為結果有統計學意義。

2 結果

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系（P＜0.001,r=0.99）。除了腹主動脈，仿真體模各解剖結構CT值與正常兒童基本一致（P＞0.05）。肝臟、腎皮質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］；但主觀圖像質量評分略低[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

在過往的研究中，國內外CT體模研究均使用專業機構認證的標準體模［5-8］。2009年Kumar等［8］報道3D打印技術構建人體特征體模進行劑量學驗證測量的可行性。2017年Jahnke等［9］首次報道使用3D打印技術和灰度矯正方法定制真實體模可用于診斷和放射治療。在2017年北美放射學年會上多倫多大學有多篇仿真等效X線衰減人體體模的報道。本研究通過3D打印直寫成型技術混合聚氨酯和TCEP，評價TCEP混合材料濃度和CT值的線性關系。國內首次嘗試打印仿真動脈期兒童CT增強腹部體模，比較仿真腹部模型與正常兒童CT的圖像質量。

本研究中，經過重復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系（P＜0.001,r=0.99）。研究證明使用混合材料確實可構建具有CT衰減特征的人體模型。在整個模型設計和3D打印過程中，都有放射科醫生參與保證模型質量［10］。2010年，國內學者報道使用中國人仿真胸部體模與正常成人的CT圖像比較，結果顯示體模組織的X線衰減等效程度良好［11］。本研究中兒童CT增強腹部體模與正常患兒的CT圖像質量比較發現，仿真體模大部分解剖結構CT值與正常兒童基本一致（P＞0.05）。肝臟、腎皮質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由于本模型是一個造影劑增強模型，目的是模擬兒童增強腹部CT衰減程度。本研究沒有和標準兒童物理體模（Model 704-D）進行對比［12］。②由于3D打印直寫成型技術的局限性，兒童腹部模型沒有打印CT圖像提取的肋骨部分，這對于模型圖像的CT值和信噪比計算會存在差異。③3D打印CT增強腹部體模體內存在少量氣泡，在接下去的研究中會優化工藝，解決這個技術問題。

4 結論

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

致謝：感謝寧波創導三維醫療公司公司宮海波和毛茅對兒童腹部體模設計和打印中作出的貢獻。