3D打印轻量化神经影像设备组件的辐射与电磁干扰屏蔽性能研究

为解决便携式神经影像设备中传统金属屏蔽材料毒性高、重量大、灵活性差的问题，研究人员开展3D打印导电热塑性材料（Koltron G1和Fili Conductivo）的电磁干扰（EMI）和X射线屏蔽性能研究。结果表明，两种材料在10 MHz-12 GHz频段内屏蔽效能（SE）达28.5-30 dB，Koltron的X射线屏蔽性能达铅的65.5%（密度归一化），兼具轻量化（密度0.9-1.4 g/cm3）和机械韧性（断裂应变>11%）。该研究为移动卒中单元（MSU）等场景提供了非毒性、可定制化屏蔽解决方案。

　　

在卒中救治的"黄金一小时"内，快速获取神经影像对患者预后至关重要。然而，传统计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）设备因体积庞大、重量超400公斤且依赖铅/铜等重金属屏蔽，难以应用于移动卒中单元（MSU）或偏远地区。更棘手的是，这些金属屏蔽材料存在毒性风险（如铅的神经毒性）、加工灵活性差，且与便携化设计理念背道而驰。据统计，农村地区卒中患者仅3%能获得专业影像服务，而城市覆盖率高达70%，这种医疗资源分布不均使得开发新型屏蔽材料迫在眉睫。

为此，国外研究团队在《Smart Materials in Manufacturing》发表研究，评估了两种商用导电3D打印材料（石墨烯增强的Koltron G1和碳黑/石墨填充的Fili Conductivo）在神经影像设备中的双模屏蔽性能。通过融合材料科学、电磁工程和医学影像技术，团队发现Koltron在10 MHz-8.5 GHz频段的电磁屏蔽效能（SE）提升102%（1-4 mm厚度），X射线屏蔽性能达铅的65.5%（密度归一化），同时重量比铝轻48%，为便携式CT/MRI设备提供了革命性解决方案。

关键技术方法
研究采用多尺度表征技术：① 熔融沉积建模（FDM）3D打印制备不同厚度试样；② 矢量网络分析仪（VNA）结合同轴/波导法测试50 MHz-12.4 GHz频段EMI SE；③ 医用X射线系统（120 kV/14 mA）评估辐射屏蔽；④ 扫描电镜（SEM）和拉曼光谱分析材料微观结构；⑤ 三点弯曲试验（ASTM D790）测定机械性能；⑥ 混响室验证实际场景屏蔽效果。

研究结果

3.1 3D打印试样的表面形貌
SEM显示Koltron表面孔隙率更低（图7a,c），横截面显示石墨烯分散均匀（图7e,g）；而TPU基的Conductivo因材料粘度和15%填料负载导致明显孔隙（图7b,d,f,h）。这种结构差异解释了Koltron更优的X射线屏蔽性能（孔隙减少辐射穿透路径）。

3.4 同轴测试结果
在50 MHz-10 GHz范围，Koltron的SE随厚度呈非线性增长：1 mm至4 mm厚度使SE从13.25 dB提升至29.11 dB（图11a），优于Conductivo的25.53 dB（图11b）。值得注意的是，两种材料的反射SE接近零，说明吸收是主要屏蔽机制。

3.6 WR90测试结果
在8.2-12.4 GHz高频段（X波段），4 mm厚Koltron和Conductivo的SE分别达30.13 dB和28.68 dB（图15），性能接近且波动小，证实其在5G等高频应用的潜力。

3.7 X射线辐射屏蔽
密度归一化后，1 mm Koltron的防护效率达3.24%/g/cm³，是铝的5.2倍（图17b）。8 mm厚度时，其未归一化防护率可达85%，接近1.7 mm铅的防护水平（图16）。

3.8 弯曲力学性能
Koltron展现超高韧性：弯曲强度84.71 MPa，断裂应变>11%（图18），远超Conductivo（24.65 MPa, 3.3%），说明其更适合承受运输中的机械应力。

3.9 开放场测试
混响室测试中，3 mm Koltron外壳的平均SE为20 dB（图20），虽低于实验室理想条件（WR90测得26.17 dB），但证实其在实际复杂电磁环境中的有效性。阻抗测试显示Koltron具有强损耗特性（图19a），表明其通过吸收而非反射实现屏蔽，可减少设备间信号干扰。

结论与意义
该研究首次系统评估了3D打印导电热塑性材料在神经影像设备中的双模屏蔽性能。Koltron G1凭借石墨烯的有序sp²结构（拉曼I_D/I_G=0.86）和低孔隙率，实现了"轻量化（密度1.25 g/cm³）+高强度（84.71 MPa）+宽频屏蔽（10 MHz-12 GHz SE>29 dB）+辐射防护（相当铅65.5%）"的四重突破。相比传统金属屏蔽，其重量减轻50%以上，且完全规避了铅毒性风险。

这项技术的临床转化将直接助力MSU发展：① 使车载CT/MRI进一步减重，扩大服务半径；② 通过3D打印实现患者定制化屏蔽设计；③ 为低场便携MRI（如Hyperfine 0.064 T系统）提供轻量化解决方案。未来通过优化填料分散（如碳纳米管定向排列）和开发多层结构，有望在保持机械性能前提下将SE提升至40 dB以上，彻底改写神经影像设备的屏蔽材料范式。