基于CT数据的毫米级管状3D打印模型准确性的研究

苏鹏1 张易2

本研究项目由北京市石景山医院科研基金支持（项目编号：2017-8）

Accuracy Validation of Mm-level Tubular 3D-printing models based on CT Datasets

Peng Su1, Yi Zhang2

1 Department of Orthopedics, Beijing Shijingshan Hospital, Capital Medical University, No. 24 shijingshan Rd, shijingshan District, Beijing 100043, China. Tel: 86-10-88689190,

This project was supported by the Science Foundation of Shijingshan hospital (No.2017-08).

Purpose: to verify and to analyze the effect of each step in the process on the accuracy of the mm-level tubular 3D-printing models. To find out the relationships between the Object Size/Maximum Correlation Parameter ratio (OS/MCP)and the accuracy.

Material: 4 groups of alumina-ceramic tubes were used as original models(inner diameter: 1.85-3.63mm, outer diameter: 3.97-6.08mm, length: 29.84-70.69mm), the printing materials used in 3D printers are PLA.

Methods: Steps of the 3D-printing model process: 1.Obtain the CT data of ceramic tubes by scans of CT (General electric GE co. LTD. Discovery CT750 HD). 2. Establish 3D digital models; 3. Print 3D-printing models. Measurement object:the ceramic object, CT data, 3D digital models and 3D printing models. Measuring the content : the outer diameter, inner diameter and length. The accuracy of the measured objects was examined by paired t test.

Results: If OS/MCP is less than 10, the measured value of CT data model, 3D digital model and 3D printing model is not accurate compared with the ceramic model. The outer diameter is larger than the ceramic model, and the inner diameter is smaller than the ceramic model. If OS/MCP is bigger than 48, the CT data and 3D-printing models is accurate compared to the ceramic tubes; the dimensions of the 3D digital model are contractible.

Conclusion: The accuracy of mm-level 3D printing model should be combined with OS/MCP, and the accuracy of the measurement value of millimeter image should be combined with OS/MCP to obtain more realistic clinical judgment. The OS/MCP can be used as an indicator of the accuracy of a mm-level medical model.

Keywords: CT Accuracy mm-level Tubular 3D-printing OS/MCP

目的：验证和分析打印过程中每一步骤对3D打印毫米级管状模型精度的影响。找出模型大小/最大相关参数比(OS/MCP)与准确度之间的关系。

材料:4组氧化铝陶瓷管作为原始模型，3D打印机使用的打印材料为PLA。

方法:打印3D模型。测量对象：原始模型、CT数据模型、3D数字模型和3D打印模型。测量内容：外径、内径和长度。检验测量对象之间的准确性。

结果：当OS/MCP小于10时，CT数据模型、3D数字模型和3D打印模型的测量值与原始模型相比是不准确的，外径均比原始模型大，内径均比原始模型小。当OS/MCP大于48时，CT数据模型和3D打印模型的测量值与原始模型相比是准确的，3D数字模型的测量值比原始模型小。

结论：毫米级3D打印模型准确性的判断以及临床上对于毫米级影像测量值的准确性均应与OS/MCP相结合才能获得更真实的临床判断。OS/MCP可以作为估计毫米级医疗模型准确性的指标。

关键词：CT 毫米级管状模型3D打印准确度OS/MCP

介绍:

3D打印技术在医疗实践中得到了广泛的应用，如模型制造、导板制作、制定术前计划、模拟手术等。在临床上，毫米级的管状研究对象是非常多的，如对骨骼、血管、支气管、胆道、导管和手术导航导板的模型制作,但关于毫米级的管状模型的研究却很少。对于毫米级的管状模型准确度的要求是更高的。

Martelli Nicolas等[1]对有关3D打印技术准确性的文章进行了系统回顾，许多研究认为打印模型的准确性是该技术的主要优势(n = 53, 33.5%)；33项研究(20.9%)强调3D打印技术获得的物体的准确性并不总是令人满意的。Fasel JHD等[2]研究表明，目前的术前3D模型还不能准确地呈现出患者的解剖结构。在许多研究[3-6]中，研究对象的形状不同、研究对象的大小不同、研究的方法不同、研究对象的准确度的评价标准不同。研究对象包括DICOM数据生成的数字模型，实物模具,大的骨骼如颅骨，脊柱，小的器官如牙齿等等。测量的方法有软件分析法或线性测量。评价内容有绝对数值或百分比。

在本试验中，以毫米级的管状实物模型作为研究对象。研究3D打印过程中的每一步骤的准确性，并且对测量的绝对数值直接比较。评价3D打印模型的准确度，找到产生误差的环节，以及简单估计准确度的方法。

材料和方法

材料：共4组，每组15个氧化铝陶瓷管(内径:1.85-3.63mm，外径:3.97-6.08mm，长度:29.84-70.69mm)。CT (General electric GE co. LTD. Discovery CT750 HD) 扫描参数设置:切片厚度:0.625mm，层距:0.625mm。3D打印机：中国Wiiboox公司出品;喷嘴直径:0.4mm ;3D打印参数设置:层高:0.15mm，打印速度:95mm/s。印刷材料：PLA。测量设备：千分尺和百分尺用于测量原始模型和3D打印模型的外径和长度；塞规用于测量内径。利用Materialise公司的mimics 19.0软件对CT数据和3D数字模型数据进行电脑测量。

方法：步骤1：通过对每个测试对象的CT扫描，获得DICOM(数字成像和医学通信)文件格式的原始数据。将数据加载到MIMICS 19.0的软件中，测量并记录数字模型中二维图像的长度、内径和外径。为了避免人为因素的干扰，在predefined thresholds sets选项中选择Bone(CT)。

步骤2:将CT数据，利用模拟19.0软件建立三维数字模型。在三维视图中，测量并记录了长度、内径和外径。建立3D数字模型过程中,为了保持数据的准确和真实，减少人为因素的干扰，没有进行数据和图像的优化、加工。

步骤3:以STL(Standard Tessellation Language)格式导出3D数字模型。通过CURA软件将STLfiles转换为X3G文件。将生成的X3G文件加载到3D打印机(Wiiboox technology，China)，然后打印3D打印模型。为避免由于人为改变模型姿态和方向造成的误差，3D打印模型设置的姿态和方向与原始模型进行CT扫描时相一致。测量并记录了3D打印模型的长度、内径和外径。

每个原始实物模型打印出对应的3D模型的过程中，测量对象有4个，即原始模型, CT扫描数据,3D数字模型, 3D打印模型，每个测量对象记录三组数据(长度、内径、外径)。

采用配对t检验方法，从长度、内径、外径三方面进行统计学研究。包括原始模型和CT数据，原始模型和3D数字模型,原始模型和3 d打印模型之间的进行统计学分析。

仪器参数是影响准确度的重要因素之一，本研究中相关的参数包括：CT扫描的层厚:0.625mm，相邻层CT扫描之间的距离:0.625mm。3D打印机的喷嘴直径：0.4毫米, 3D打印机的层高:0.15 mm。上述设置参数中的最大值是0.625mm。在本研究中模型大小/最大相关参数比(OS/MCP)=模型大小/0.625mm。测试对象内径(1.85-3.63mm)和外径(3.97-6.08 mm) 的OS/MCP均小于10；长度(29.84-70.69mm)的OS/MCP均大于48。对比分析上述配对t检验结果与OS/MCP之间的关系。

结果

和原始模型相比，3D打印模型的长度（OS/MCP大于48）是准确的，而CT扫描数据的长度也是准确的。和原始模型相比，CT数据、原始模型、3D数字模型和3D打印模型在外径和内径（OS/MCP小于10）均不准确，其外径比原始模型大，其内径比原始模型小。

讨论

 3D打印模型的制作过程，包括数据采集、数据处理和模型制造三个步骤。3D打印模型的准确性受到全过程中的每一步骤的一个或多个因素的影响,包括影像相关因素(影像分辨率,参数设置,影像扫描层厚，图像对比度)，影像数据处理相关因素(影像分割方法,网格算法,CAD后处理、模型切片,3D打印方式,和3 D打印材料)[7]。图像采集是3D打印模型生成过程中非常重要的一步，因为打印的质量取决于影像数据的质量[8]。CT的成像原理及算法造成” 部分容积效应”,这对准确性具有一定的干扰。确实，一些扫描参数设置可能影响到图像的采集和图像分辨率，导致最终的不准确。CT扫描的层厚是由设备的先进程度和操作人员决定的。薄层和各向同性是最理想的情况[9]。3D数字模型的建立是基于软件的计算能力，将医学数字成像格式(DICOM)的文件转换成一个网状的表面图像文件，如STL文件。这是实体图形数据转换成网格数据的过程；实际上，表面被分解成小的三角形，像屋顶上的瓦片或者鱼的鳞片一样。网格通常需要在计算机辅助设计(CAD)软件中进行进一步编辑，以修复可能使其无法打印的缺陷，以及基于人为因素和软件算法进行优化打印模型[7]。数字模型基于精确的CT扫描，也要通过计算机对其数据进行计算和重建，因此数字模型的准确性也受到计算方法的干扰。EeroHuotilainen，等[10]的研究发现：同一个人的颅骨模型可以由于DICOM对STL转换软件和使用的技术参数的不同而显著变化。Bortolotto Chandra[11]研究认为STL软件的应用很重要，通过软件还可以对小瑕疵和缺陷进行清理。SzymorPiotr研究[12]也注意到STL处理软件对准确性的影响，同时认为在数据优化时一些细节在“除草”过程中丢失了。在这个过程中，释放大而平坦的表面通常是没有问题的;然而，小而突出的元素通常会丢失。本研究的主要对象是毫米级的管状物体，任何细微的人为或软件的优化、处理会明显的干扰结果的准确性。因此在本研究中没有进行任何人为或软件的数据加工和图像优化，目的是排除人为或软件优化的影响，单纯讨论模型大小和设备参数（OS/MCP）与准确性的关系。

在本研究中，设备参数设置包括：CT扫描层厚为0.625mm，层距:0.625mm，3D打印机的喷嘴直径为0.4mm，3D打印参数设置:层高:0.15mm。这四个参数是对设备硬件水平决定的，不受人为因素影响。对于毫米级的管状模型来说，由这些因素导致的误差很难通过其他办法减小。同时较为精确的参数带来的准确性会被较为粗略的参数导致的不准确所替代。虽然产生的误差可能存在相互叠加或抵消，但可以简化的认为存在类似“木桶效应”，即毫米级3D打印模型最终的准确性主要由最为粗略的那个参数（最大相关参数）所决定的。本研究中，最大相关参数是0.625mm。对于分米级的打印模型来说，毫米级的设备参数设定值，对准确性的影响不大。但对于毫米级的管状模型，最大相关参数对准确性有明显影响。因此可以认为毫米级3D打印模型的准确性取决于原始模型大小和最大相关参数：原始模型越大，打印模型相对越准确；最大相关参数越小，打印模型相对越准确。也就是说毫米级3D打印模型的准确性取决于模型大小/最大相关参数比(OS/MCP)。

本实验中测试对象OS/MCP小于10时，结果均不准确。测试对象OS/MCP大于48时，验证了3d打印模型和CT数据的准确性，但3D数字模型是不准确的。可能的解释是，3D数字模型是由软件算法计算出来的，它是由不同大小的三角形形状的虚拟连接形成的。因此，加工处理后的数字模型测量结果不准确。对于管状模型，还需要考虑3D打印方法的影响。熔融沉积原理的3D打印机打印出的3D模型，与原件对比，外径增加，内径减少，可能也与OS/MCP比率有关。

临床意义:毫米级管状3D打印模型的准确性受3D打印模型尺寸、扫描设备参数、打印方法、软件计算方法等影响。OS/MCP比值越大，模型就越精确。毫米级影像数据的准确性也与OS/MCP相结合，随着比值的增加，图像提供的数值更加准确。对于毫米级管状结构，如血管、支气管和胆管，我们应该对二维数字图像的测量数据更有信心，3D数字图像的测量数据只能提供参考。

本研究以毫米级管状物体为研究对象，实验对象数量略少。此外也缺乏验证OS/MCP在不同打印方法下的重要意义。这些将是今后进一步研究的主要工作。

结论 毫米级3D打印模型准确性的判断应与OS/MCP相结合，临床上对于毫米级影像测量值的准确性也应与OS/MCP相结合才能获得更真实的临床判断。OS/MCP可以作为衡量毫米级医疗模型准确性的指标。

Author Contributions

Conceived and designed the experiments: Peng Su, Jun-Lin Zhou, Cai Yun. Performed the experiments:Xue-Cong Zhang, Yi Zhang.Analyzed the data: PengSu,YiZhang.Wrote the paper: Peng Su, Yi Zhang .

References

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5.Silva Daniela Nascimento, Gerhardt de Oliveira Marília, Meurer Eduardo, et al. Dimensional error in selective laser sintering and 3D-printing of models for craniomaxillary anatomy reconstruction.. J Craniomaxillofac Surg. 2008;36(8):443-9.

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10.HuotilainenEero, JaanimetsRisto, ValášekJiří, et al. Inaccuracies in additive manufactured medical skull models caused bythe DICOM to STL conversion process.. J Craniomaxillofac Surg. 2014;42(5):e259-65.

11.Bortolotto Chandra, Eshja Esmeralda, PeroniCaterina, et al. 3D Printing of CT Dataset: Validation of an Open Source and Consumer-Available Workflow..J Digit Imaging. 2016;29(1):14-21.

12.Szymor Piotr, Kozakiewicz Marcin, Olszewski Raphael. Accuracy of open-source software segmentation and paper-based printed three-dimensional models.. J Craniomaxillofac Surg. 2016;44(2):202-9.