《Agriculture》：A Comprehensive Evaluation of 3D-Printed Breast Phantoms: Impacts of Printing Technology and STL Processing on Multimodal Fidelity
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拟人乳房模体（anthropomorphic breast phantoms）越来越多地用于乳腺成像技术的开发和评估。本研究的目的是评估材料组合和立体光刻或标准镶嵌语言（STL）导出方法对患者来源乳房模体多模态成像性能的影响。利用从分割磁共振成像（MRI）数据
拟人乳房模体（anthropomorphic breast phantoms）越来越多地用于乳腺成像技术的开发和评估。本研究的目的是评估材料组合和立体光刻或标准镶嵌语言（STL）导出方法对患者来源乳房模体多模态成像性能的影响。利用从分割磁共振成像（MRI）数据中获取的乳房模型，研究人员制造了四个多材料模体切片，代表脂肪当量区和腺体当量区。评估了两种材料组合——丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯与高抗冲聚苯乙烯（ASA-HIPS）和丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ASA-ABS）——以及两种STL导出程序，包括传统的基于网格的工作流程和一种旨在消除界面间隙的内部体素保留方法。使用临床计算机断层扫描（CT）、乳腺摄影和数字乳腺断层合成（DBT）系统对模体进行成像。定量评估包括基于对比度的图像特征和基于感兴趣区（ROI）的强度分布分析。结果表明，ASA-HIPS模体在所有成像模态中均表现出比ASA-ABS更高的材料间对比度和更大的衰减分离。体素保留STL导出程序改善了物理界面完整性并消除了可见的材料间间隙，同时与传统工作流程相比，仅在全球放射学指标上产生微小差异。在70 kVp下采集的乳房样本CT成像显示，其衰减特性与临床CT检查中观察到的低密度乳房组织的临床报告亨氏单位（HU）范围一致。
**3D打印乳房模体多模态保真度评估：材料组合与STL处理方法的影响**
**研究背景与问题**
拟人乳房模体在乳腺成像技术的开发、评估和X射线设备性能检验中日益重要。然而，制造这些模体面临显著挑战，尤其是在3D打印材料选择、硬件和制造工艺方面。当前方法多依赖熔丝制造（FFF）技术，将DICOM数据集转化为物理对象。常用策略包括使用单一材料（如聚乳酸PLA）改变填充密度模拟组织CT值，或使用多种材料以100%填充密度直接映射生物组织。对于乳腺成像，模体需用两种丝材分别模拟脂肪和腺体组织的X射线衰减特性。本研究聚焦于两种“脂肪-腺体”材料组合：ASA-HIPS和ASA-ABS。基于前期研究，ASA被选为腺体组织候选材料，HIPS和ABS为脂肪组织候选材料。
标准工作流程中，组织分割后生成STL文件用于3D打印，但此过程常引入结构缺陷，如不同打印组织间的间隙。主要原因是使用Marching Cubes等算法将体素矩阵转换为表面网格时产生界面不匹配。为避免此问题，研究人员开发了一种保留体素原始几何形状的MATLAB脚本，确保不同分割组织间无缝界面，消除网格重建中常见的间隙。
**研究内容与结论**
本研究旨在通过多模态成像评估四种乳腺模体制造方法。基于同一患者来源的MRI数据集，制造了四个模体，比较了两种STL导出程序（常规基于网格流程EP1与内部体素保留流程EP2）与两种材料组合（ASA-HIPS和ASA-ABS）对放射学性能的影响。使用临床CT、乳腺摄影和数字乳腺断层合成（DBT）系统成像，定量评估Weber对比度、对比度噪声比（CNR）和信噪比（SNR），并进行ROI强度分布直方图分析。
结论表明：ASA-HIPS模体在所有成像模态下均表现出比ASA-ABS更高的材料间对比度和衰减分离；体素保留STL导出程序改善了物理界面完整性，消除了可见间隙，但全局放射学指标差异微小。所有模体在70 kVp CT下显示与临床低密度乳腺组织一致的亨氏单位（HU）范围。该研究发表在《Agriculture》。
**关键技术方法简介**
本研究患者数据来源于经瓦尔纳医科大学伦理委员会批准（编号102/22.04.2021）的增强T1加权乳腺MRI检查，共187层，像素大小1.04mm×1.04mm，层厚1.3mm。采用半自动分割及形态学操作（2×2×2体素结构元素）处理，手动细化皮肤轮廓。制造四个1cm厚模体，使用两种FFF 3D打印机：Raise3D Pro3 Plus（配IdeaMaker切片软件）用于ASA-HIPS；Bambu Lab P1S（配Bambu Studio软件）用于ASA-ABS。喷嘴直径0.6mm，100%填充率，层高0.25-0.30mm。STL导出程序EP1基于Sven Holocombe脚本（常规isosurface网格生成），EP2为内部开发的体素保存方法，直接转换体素边界为三角面，避免间隙。成像设备包括Siemens SOMATOM Force CT、GE Senographe Pristina乳腺摄影（2D和DBT模式）。
**研究结果**
**材料组合对成像性能的影响**
通过计算Weber对比度、CNR和SNR，ASA-HIPS模体（BP1和BP3）在所有模态下均显著高于ASA-ABS模体（BP2和BP4）。例如，ASA-ABS模体在乳腺摄影中Weber对比度降低约73%，DBT中降低约87%，乳腺摄影CNR降低约74%。直方图分析显示ASA-HIPS模体组与ASA-ABS模体组强度分布明显分离，表明HIPS比ABS具有更低的X射线衰减，从而提高与ASA的衰减差，改善组织区分。
**STL导出程序的影响**
EP1（常规网格）制造的模体在表面可见界面间隙（如图3b中的BP2），而EP2（体素保留）制造的模体界面连续无间隙（如图3a中的BP3）。然而，ROI强度直方图和全局放射学指标（HU值、灰度分布）显示EP1与EP2之间差异微小，表明间隙主要局限于顶层和底层，不影响体模内部整体衰减特性。定量对比度指标中，同一材料组合下EP1和EP2的CNR、SNR值接近。
**多模态成像一致性**
CT成像中，所有模体HU中位数为负值（符合低密度软组织），ASA-HIPS模体HU分布更宽且更负，ASA-ABS模体HU分布较窄且接近零，反映材料间衰减差异。乳腺摄影和DBT图像中，ASA-HIPS模体显示更明显的组织对比，ASA-ABS模体整体灰度值较高但对比度低。
**讨论总结**
本研究通过多模态评估确认，ASA-HIPS组合在产生组织对比方面优于ASA-ABS，体素保留STL方法有效消除了界面间隙但全局指标变化不大。材料选择需基于多材料对比度表征而非单一衰减特性。现有商业3D打印材料针对力学性能优化，缺乏放射学组织等效性数据，因此模体设计需考虑材料组合的对比度特性。STL生成算法影响几何精度，EP2方法以阶梯状边界为代价换取界面连续性，适用于需要物理切片的场景。局限性包括：打印机与材料变量混杂（Raise3D配ASA-HIPS，Bambu Lab配ASA-ABS），未来需采用全交叉设计分离影响因素；材料衰减在乳腺摄影低能谱下的等效性需独立验证。
**研究结论翻译**
本研究对使用不同材料组合和STL导出程序制造的四个患者来源多材料乳房模体进行了多模态评估。结果表明，STL生成方法对模体成像特性影响不大。ASA-HIPS组合在CT、乳腺摄影和DBT中表现出比ASA-ABS更高的材料间对比度和衰减分离，而所有模体在所评估的模态中均成功成像。结果提示，ASA-HIPS材料组合（在Raise3D打印机上实现）可能是未来多模态乳房模体发展的有前景候选。然而，需要对其在临床乳腺摄影能谱下的衰减和能量依赖性特性进行专门验证。计划进行与乳腺摄影装置测量的比较，并将在未来工作中仔细评估。
