基于FDM打印修饰器技术的拟人化乳腺体模直接三维打印及其在专用乳腺CT中的应用

《Annals of 3D Printed Medicine》：Direct 3D printing of anthropomorphic breast phantoms using modifiers in FDM printing for dedicated breast CT

　　

摘要专业翻译 开发了一种可复现的工作流程，用于三维打印拟人化乳腺体模。通过调节熔融沉积建模（FDM）打印参数，实现了组织特异性的X射线衰减特性。利用三维打印成功复现了源自患者的乳腺解剖结构。体模的衰减值在不同打印批次及不同丝材卷之间均表现出良好的可重复性。

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一、研究背景与问题

乳腺癌是导致女性癌症死亡的主要原因之一。早期检测和准确表征乳腺病变对于治疗规划、监测及改善预后至关重要。专用乳腺CT（bCT）是一种新兴技术，能够在无压迫条件下获取乳腺的全三维高空间分辨率图像。近年来，研究重点转向为bCT增加功能成像组件，以实时测量乳腺及肿瘤灌注，从而形成四维动态对比增强专用乳腺CT（4D DCE-bCT）图像。灌注数据可为肿瘤亚型提供见解，并支持治疗规划与监测。4D DCE-bCT对系统校准、图像重建和定量精度提出了额外要求，因此需要稳健的测试平台，以便在受控条件下优化和评估这一新型成像模态。

此前，用于测试4D DCE-bCT的是一种均质物理乳腺灌注体模，由填充橄榄油的乳腺形容器构成，可嵌入不同的可灌注三维打印肿瘤插入物。该体模虽实用且可复现，但缺乏解剖真实性，无法准确模拟乳腺的异质性组成。

三维打印是创建解剖学逼真成像体模的有效工具。熔融沉积建模（FDM）是一种利用多种材料模拟体模中不同组织的便捷方法。在乳腺成像领域，三维打印能够创建复杂、逼真的组织几何结构。然而，在单个三维打印物体内同时模拟两种不同组织类型（如腺体组织和脂肪组织）的X射线衰减仍然具有挑战性。在同一物体内实现不同的衰减特性可能需要使用多种材料或空间变化的材料属性，这会带来材料界面和可打印性方面的挑战。因此，开发一种既可实现真实组织几何结构、又能为不同组织类型提供适当X射线衰减的可及且可复现的方法，仍是活跃的研究领域。

已有研究探索了多种应对策略。有研究评估了多种三维打印材料的衰减特性，发现现成材料均不适用于模拟脂肪组织，并提出在打印过程中进行受控密度降低。另有研究引入逐体素混合两种丝材的方法，实现了具有空间变化衰减特性的乳腺体模制造。还有研究提出使用发泡丝材（如Aero PLA），通过降低流量率来减少打印密度。此外，基于像素值改变丝材比例的方法也被开发用于肺部体模，并进一步扩展至乳腺体模制造。尽管这些方法前景广阔，但大多需要专用硬件和定制软件，限制了广泛实施。

本研究旨在开发一种可复现、可及的工作流程，用于三维打印用于CT成像的拟人化乳腺体模，并在体模中整合用于4D DCE-bCT测试的流体流动管道。

二、研究内容与主要结论

研究人员基于流量调控和发泡丝材的原理，创建了具有代表脂肪组织和腺体组织不同区域的三维打印乳腺体模。研究评估了PLA Aero在不同流量率下的X射线线性衰减值，并筛选出适合腺体组织和脂肪组织的流量率。通过利用标准FDM切片软件中的修饰器功能，在打印过程中为不同组织分配区域特异性流量率。以乳腺CT扫描图像为输入，通过基于亨氏单位（HU）的阈值分割提取脂肪和腺体组织，并将这些分割区域映射至相应的打印参数，从而在单次打印中实现空间变化的衰减特性。最终使用bCT对所得体模进行成像并评估其质量。

研究得出的主要结论包括：在腺体组织使用的单调填充模式下，流量率与X射线衰减值之间存在线性关系；在脂肪组织使用的希尔伯特曲线填充模式下，流量率与衰减值之间未呈现强线性关系。基于衰减值和打印质量，最终选择流量率1.1模拟脂肪组织、流量率0.88模拟腺体组织。打印的体模在腺体和脂肪区域的X射线线性衰减值与患者参考值高度接近，相对差异在0.3%至3.5%之间。可重复性和可复现性测试表明，无论使用同一丝材卷还是不同丝材卷，各打印体模的衰减值总体一致，最大相对标准差为3.2%。在三种含管道的动态成像体模配置中，插入聚四氟乙烯（PTFE）管的配置被认为最适合4D DCE-bCT实验。

三、关键技术方法

研究人员首先使用商业分割软件（Inobitec DICOM Viewer pro v2.15）对患者乳腺CT图像进行脂肪组织和腺体组织的分割，生成两个STL文件：整个乳腺和脂肪组织。随后使用Autodesk Meshmixer v3.5对模型进行处理，去除小型孤立组件和未连接的网格碎片，生成水密可打印模型，并设计集成了15毫米厚定制底座。在OrcaSlicer v2.3切片软件中，将乳腺和定制底座作为部件加载，脂肪组织作为修饰器加载，管道模型作为负部件加载。打印材料采用Bambulab PLA Aero发泡丝材，打印机为Bambulab X1E，配备0.4毫米直径喷嘴。打印参数包括220°C打印温度、8 mm3/s最大体积速度、250 mm/s打印速度，以及针对腺体组织和脂肪组织分别设置的不同填充密度、线宽、流量率和填充模式。测试模型采用1厘米乳腺切片，系统变化流量率以确定最佳参数。成像使用Koning Vera乳腺CT系统，采用4D DCE-bCT的预对比协议：65 kV管电压、80 mA管电流、5 ms脉冲宽度及0.25 mm附加铜过滤，使用IMPACT和PICCS算法重建，体素大小为250微米。图像分析使用ImageJ软件，在腺体和脂肪组织区域绘制圆柱形感兴趣体积（VOI）并提取X射线线性衰减值。

四、研究结果

流量率与X射线衰减的关系： 通过成像不同流量率组合的测试切片模型，研究人员发现腺体组织（单调填充）中流量率与X射线衰减值呈线性关系（VOI 1: y = 0.59x-0.22, r2= 0.96；VOI 2: y = 0.53x-0.18, r2= 0.94），而脂肪组织（希尔伯特曲线填充）中未呈现强线性关系（r2值为0.7）。在流量率为1.05和1.07的测试切片中，填充图案可见且打印线条间出现空气。最终选择流量率1.1模拟脂肪组织、0.88模拟腺体组织。

乳腺CT成像结果： 对四种不同配置的乳腺体模进行bCT成像。体模#1为无管道的实体打印；体模#2内部打印5毫米负空间管道并带有管道柱，但管道部分未被完全打通，无法完全填充对比剂；体模#3内部打印5毫米负空间管道并插入3.5毫米PTFE管，可成功填充5 mg I/mL对比剂，PTFE管周围空间可完全填充水；体模#4为两半打印后组装并插入5毫米硅胶管，但两半之间存在可见空气间隙，不适合乳腺CT验证实验。腺体组织VOI的平均衰减值为0.294 cm?1和0.285 cm?1，脂肪组织VOI的平均衰减值为0.236 cm?1和0.232 cm?1，与参考值的相对差异为0.3%至3.5%。

可重复性和可复现性测试： 使用同一丝材卷打印的体模#1和#3在多数VOI中表现出非常相似的值（最大差异0.003 cm?1），但腺体VOI 2差异较大（0.009 cm?1）。使用三个不同丝材卷打印的体模在衰减值方面总体一致，最大相对标准差为3.2%。然而，丝材卷#3打印的体模#4在脂肪组织和腺体组织之间的空气间隙以及脂肪组织打印图案可见性方面表现出明显较差的打印质量。

五、讨论与结论

讨论部分指出，通过调节PLA Aero丝材的打印温度和流量率，成功实现了脂肪组织和腺体组织X射线衰减特性的模拟。研究的一个重要发现是，打印材料的X射线线性衰减不仅取决于温度、流量和填充模式设置，还受打印面积和局部几何形状的影响，因为较大面积允许打印件更充分冷却。为减小该效应，研究人员采用水平布局打印乳腺，并从两侧切除小块以确保不同打印层具有相似面积。研究还揭示了切片软件的实用局限性：使用希尔伯特曲线填充模式时，OrcaSlicer产生的实际材料沉积低于名义流量设置所预期的值，需要通过增加流量率和线宽进行补偿。此外，体模假设腺体组织和皮肤具有相似的X射线衰减值，实际中两者略有差异，但该微小差异不影响体模用于4D DCE-bCT优化和验证的适用性。在三种含管道配置中，带PTFE管且无管道柱的配置被认为最适合4D DCE-bCT实验，因为其管道可无气泡填充、管道与负空间之间的空气界面可填充水、光滑内表面预期产生较少湍流，且额外管道避免了对比剂与打印材料的直接接触。肿瘤结构虽未纳入最终乳腺体模，但已在测试模型中验证了其可行性。可重复性和可复现性测试表明衰减值在不同打印之间总体一致，但物理结构的可复现性可能对丝材变异性更为敏感。该体模的制造原理也可应用于其他身体部位的体模制造。

研究结论指出，本工作引入了一种使用PLA Aero材料创建用于CT成像的拟人化乳腺体模的三维打印工作流程。该流程包括分割乳腺CT图像、将整个乳腺作为基础部件和脂肪组织作为修饰器导入三维打印软件，以及为两种结构调整打印参数，以实现与临床对应的X射线衰减值，同时保持高打印质量。所有使用商用FDM打印机复现体模所需的文件均已公开提供。