光固化立體成型法3D打印人體骨骼模型的精度研究

朱棟梁，盧建華，李雪麗，王春苑

（廣州市第一人民醫(yī)院＜華南理工第二附屬醫(yī)院＞ 廣東 廣州 510000）

3D打印（3D printing）也稱為增材制造（additive manufacturing），它是新興的一種快速成型技術(shù)[1-2]。以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體[3-4]，通過在快速成型裝置（打印機(jī)）內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，利用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的數(shù)據(jù)模型控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物，“分層制造，逐層疊加”是其核心原理，3D打印可以快速構(gòu)造各種形狀復(fù)雜的三維設(shè)計(jì)實(shí)體。3D打印技術(shù)主要有立體平板印刷（SL）、選擇性激光燒結(jié)（SLS/SLM）、分層實(shí)體造型（LOM）和熔融沉積造型（FDM）。其中立體平板印刷技術(shù)以基于激光技術(shù)的立體光固化（SLA）和激光選取燒結(jié)（SLS）為主[5]。

3D打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要應(yīng)用范圍分為是植入物打印、模型打印以及輔具打印，但無論哪一種應(yīng)用，都對(duì)3D打印的精度有一定的要求。由于醫(yī)用3D打印數(shù)據(jù)大部分來源于CT或者M(jìn)R等醫(yī)學(xué)圖像，經(jīng)過多種計(jì)算機(jī)軟件重建，輸出至3D打印機(jī)的數(shù)據(jù)都是間接的，在精細(xì)度和準(zhǔn)確度方面存在一定的不足[6]。

根據(jù)3D打印機(jī)的原理，其打印成品精度來源于XYZ三個(gè)軸向上的精度，因此，本研究采用光固化立體成型3D打印復(fù)雜的不規(guī)則骨骼-腰椎，在X、Y、Z三軸向上考察其精準(zhǔn)度，并且增加了內(nèi)徑精準(zhǔn)度的測(cè)量與分析，為3D打印在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了更加可靠的依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 獲取模體的三維數(shù)據(jù)

美國Sawbones公司的1352-44 X射線型人體腰椎模型5塊（L1～L5），采用日本東芝Aquilion ONE 320排多層螺旋CT，分別掃描5塊腰椎模體，參數(shù)選擇層厚0.5mm掃描，薄層重建矩陣512*512，層厚0.5mm，層間隔0.3mm；DICOM3.0薄層數(shù)據(jù)輸入比利時(shí)Materialise公司的Mimics Medical 20.0，進(jìn)行圖像分割、結(jié)構(gòu)提取以及表面輪廓重構(gòu)等，生成三維重建的腰椎影像，并輸出STL文件。

1.2 3D打印軟硬件處理

采用比利時(shí)Materialise公司的Magics 22.0處理STL文件，經(jīng)過重新建模、添加支撐、打印模擬及修正等處理后，輸出Magics文件到3D打印機(jī)；3D打印采用上海聯(lián)泰HD600型光固化立體成型SLA-3D打印機(jī)，其標(biāo)識(shí)打印精確度為0.1mm；打印好的模型經(jīng)過外支撐去除、有機(jī)溶劑清洗以及紫外線強(qiáng)化處理，得到穩(wěn)定的光固化立體成型3D打印的腰椎模型。

1.3 分組及測(cè)量分析

采用上海恒量量具有限公司的150mm游標(biāo)卡尺測(cè)量，標(biāo)識(shí)精確度為0.02mm，分別測(cè)量原模體和3D打印模型的椎體橫徑L1-X1～L5-X1，縱徑L1-Y1～L5-Y1，厚度L1-Z1～L5-Z1；橫突最遠(yuǎn)距離L1-X2～L5-X2，棘突長度L1-Y2～L5-Y2，棘突寬度L1-Z2～L5-Z2；以上分別按照X、Y、Z三軸對(duì)兩組模體進(jìn)行分組；測(cè)量椎孔的橫徑L1-CX～L5-CX，縱徑L1-Cy～L5-Cy，45度徑L1-Cxy～L5-Cxy，-45度徑L1-Cyx～L5-Cyx，以上兩組測(cè)量數(shù)據(jù)做為3D打印模型的內(nèi)徑研究對(duì)象。

按照X軸、Y軸、Z軸、內(nèi)徑對(duì)3D打印模型的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差分4組，其中絕對(duì)誤差=3D打印模型-人體腰椎模體，相對(duì)誤差=（3D打印模型-人體腰椎模體）/人體腰椎模體*100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用美國IBM SPSS Statics R24.0.0.0版本統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，X軸、Y軸、Z軸、內(nèi)徑數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，并以組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）做為數(shù)據(jù)一致性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；計(jì)算絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)誤差，分別記錄最大正向和負(fù)向誤差，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，以P＜0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 計(jì)量資料在X軸、Y軸、Z軸、內(nèi)徑上相關(guān)系數(shù)（ICC）分別為1.000、0.999、0.995、0.989，ICC值均大于0.950，說明3D打印模型與人體腰椎模體具有高度的一致性；計(jì)量資料在X軸、Y軸、Z軸、內(nèi)徑上的P值分別為0.645、0.720、0.647、0.936，P值均大于0.05，說明3D打印模型與人體腰椎模體的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。（見表1～4）

2.2 3D打印模型與人體腰椎模體的X軸的絕對(duì)誤差（0.11±0.06mm），正向、負(fù)向最大誤差分別為0.24mm和0.17mm；有Y軸的絕對(duì)誤差（0.22±0.11），正向、負(fù)向最大誤差分別為0.34mm和0.31mm；Z軸的絕對(duì)誤差（0.28±0.27），正向、負(fù)向最大誤差分別為0.59mm和0.68mm；內(nèi)徑的絕對(duì)誤差（0.29±0.20），正向、負(fù)向最大誤差分別為0.65mm和0.70mm；3D打印模型在X軸、Y軸、Z軸、內(nèi)徑的絕對(duì)誤差均小于1mm，滿足醫(yī)學(xué)模型的制作需求。（見表1～4）

表1 X軸的研究

表2 Y軸的研究

注：最大正負(fù)誤差為斜體加橫杠數(shù)據(jù)。

表3 Z軸的研究

表4 內(nèi)徑的研究

2.3 打印模型與人體腰椎模體的X軸的相對(duì)誤差（0.17±0.14）%，正向、負(fù)向最大誤差分別為0.50%和0.16%；Y軸的相對(duì)誤差（0.64±0.38）%，正向、負(fù)向最大誤差分別為1.39%和0.88%；Z軸的相對(duì)誤差（1.07±1.05）%，正向、負(fù)向最大誤差分別為2.04%和2.60%；內(nèi)徑的相對(duì)誤差（1.45±1.02）%，正向、負(fù)向最大誤差分別為3.79%和3.35%（見表1～4）；3D打印模型在X軸、Y軸、Z軸、內(nèi)徑相對(duì)誤差均小于5%，滿足醫(yī)學(xué)模型的制作需要；同時(shí)相對(duì)誤差P值均小于0.05，具有顯著性差異，且相對(duì)誤差X軸＜Y軸＜Z軸＜內(nèi)徑。（見表5）

注：最大正負(fù)誤差為斜體加橫杠數(shù)據(jù)。

表5 相對(duì)誤差的三軸及內(nèi)徑

3 討論

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究和應(yīng)用已延伸到骨科植入物打印、手術(shù)器械打印、細(xì)胞打印以及組織器官打印[7-8]，但由于設(shè)備和技術(shù)要求較高，其應(yīng)用受到很大的限制；通過CT或MR醫(yī)學(xué)影像的三維重建技術(shù)，利用光固化立體成型法3D打印骨骼、器官的等比模型，可以更加直觀的制定和實(shí)驗(yàn)手術(shù)計(jì)劃，特別對(duì)于復(fù)雜的心臟、骨科手術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì)[9-10]；然而從通過影像設(shè)備獲取圖像資料和傳輸，繼而使用多種軟件進(jìn)行三維后處理，至輸出到不同廠家、不同型號(hào)的3D打印機(jī)，能夠驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)流程的精準(zhǔn)性，確保3D打印的等比模型與人體高度一致，對(duì)于制定安全、精準(zhǔn)的手術(shù)計(jì)劃至關(guān)重要。

關(guān)于3D打印精度的評(píng)測(cè)，本研究不局限于模體的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，而是從3D打印機(jī)的原理入手， X軸橫向打印、Y軸的縱向運(yùn)動(dòng)以及Z軸的打印疊加，所以通過X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行精度研究，不僅可以對(duì)3D打印模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，更可以通過誤差分析來探討在3D打印機(jī)的哪個(gè)軸向上進(jìn)行多少的補(bǔ)償校正；由于人體組織、器官還存在很多的孔形結(jié)構(gòu)[11]，因此對(duì)于內(nèi)徑的精度也需要進(jìn)行驗(yàn)證。人體的腰椎屬于不規(guī)則骨，不僅具有復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，還具有椎孔的孔形結(jié)構(gòu)，非常有利于全面測(cè)試3D打印模型的精度，這也是選擇人體腰椎模體納入本研究的原因。

本研究在醫(yī)學(xué)3D打印的圖像獲取環(huán)節(jié)，采用了我院CT設(shè)備物理掃描極限的0.5mm，CT的層厚對(duì)3D打印具有顯著影響[12]，層厚越薄則3D打印精度越高，為了進(jìn)一步使三維圖像平滑，重建采用了0.3mm的層間重疊；計(jì)量結(jié)果顯示在X軸、Y軸、Z軸、內(nèi)徑上相關(guān)系數(shù)（ICC）值均大于0.950，表明本系統(tǒng)的光固化立體成型法3D打印人體骨骼模型與原模體精準(zhǔn)一致，但整個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，如出現(xiàn)掃描方式、軟件處理系統(tǒng)及硬件設(shè)備的變化，需要對(duì)精準(zhǔn)度和一致性進(jìn)行重新驗(yàn)證；相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差的分析結(jié)果也在模型制作精度需要的范圍內(nèi)；但相對(duì)誤差在四組數(shù)據(jù)上具有顯著性差異，且相對(duì)誤差有X軸＜Y軸＜Z軸＜內(nèi)徑的規(guī)律，說明整個(gè)系統(tǒng)在X軸、Y軸、Z軸的精度上的調(diào)整需要分開，同時(shí)3D打印精度誤差對(duì)內(nèi)徑的影響是大于三軸的外形尺寸的。

綜上，經(jīng)過精準(zhǔn)度驗(yàn)證的光固化立體成型法 3D打印模型系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)還原研究模體。通過本系統(tǒng)，臨床上通過CT或MR的三維重建獲取3D打印模型精準(zhǔn)可靠，在醫(yī)療教學(xué)、患者認(rèn)知、手術(shù)計(jì)劃、仿真手術(shù)等方面的具有很高的實(shí)用價(jià)值。