三维打印放射学体模中的组织模拟：打印耗材的品牌、产品及颜色至关重要

《Polymers》：Mimicking Tissues in 3D-Printed Radiology Phantoms: Brand, Product, and Color of Printing Filaments Matter! Thomas Hofmann, Martin Buschmann, Adrian Belarra, Maria Castillo-Garcia, Margarita Chevalier, Irene Hernandez-Giron and Peter Homolka

　　

增材制造能够快速制备用于X射线与计算机断层扫描（CT）成像的放射学体模，支持患者模拟、剂量学、成像协议优化及质量保证等应用。聚乳酸（PLA）与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）是体模中最常用的打印聚合物，但其X射线衰减特性在不同制造商、同一制造商的不同产品线，甚至同一产品的不同颜色之间存在显著差异。研究人员使用临床CT扫描仪，在70至140 kV管电压范围内，评估了来自11家制造商的34种PLA丝材与来自9家制造商的13种ABS丝材制成的圆柱形样品的X射线衰减及能量依赖性。测量得到的质量密度范围为：PLA 1.17～1.34 g/cm3，ABS 1.03～1.11 g/cm3。在120 kV条件下，PLA的Hounsfield单位（HU）值跨度为109～424 HU，ABS为?34～40 HU。能量依赖性以70 kV与140 kV下的HU差值量化，PLA丝材该差值为?29～+172 HU，ABS丝材为?52～?4 HU。仅颜色不同的同款产品，在120 kV下的HU差异从<2 HU到>90 HU不等，且无特定颜色与最高或最低衰减之间的固定关联。研究结果表明，三维打印材料需要单独表征，仅凭基础聚合物名称无法准确预测其X射线行为。然而，观察到的变异性使得设计具有定制化衰减与能量依赖性对比度的体模成为可能。因此，在为放射学体模指定三维打印材料，或建议将某种打印材料作为特定组织或参考材料的放射学替代物时，仅提及基础聚合物而不指明具体产品（含颜色）是不够的。

这篇发表于《Polymers》的研究聚焦三维打印放射学体模的材料选择问题。放射学体模是模拟人体辐射相互作用的物理模型，广泛应用于诊断影像、放射治疗、辐射防护与剂量学等领域。传统商用体模虽具备可重复性，但价格昂贵且难以覆盖个体解剖与病变差异，因此研究人员常自行开发体模以实现个性化与包容性影像质量评估。熔融沉积建模（FDM）等增材制造技术因成本低、效率高而被大量用于体模制作，其中聚乳酸（PLA）与丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）是最常用的丝材。然而，三维打印聚合物的确切化学成分为制造商专有信息且不对外披露，基础聚合物名称相同的材料可能因添加剂、颜料、填料及改性工艺的差异而具有不同的辐射学特性。现有研究多仅依据基础聚合物推荐体模材料，忽略了品牌、产品系列与颜色的差异可能导致的X射线衰减变化，进而影响体模的准确性与可重复性。此外，现代丝材配方持续优化，进一步增加了材料特性的不确定性。针对这一问题，研究人员通过开展系统性实验，量化不同商业PLA与ABS丝材的X射线衰减与能量依赖性差异，为精准匹配人体组织等效材料提供依据。

研究人员采用了三个关键技术方法：第一，选取覆盖不同制造商、性能优化目标（机械性能、打印速度、表面质感）与颜色的34种PLA与13种ABS商业丝材，排除含增强纤维的特殊品类；第二，使用三台不同配置的FDM打印机，优化打印参数以最大限度减少样品内部空气夹杂，打印直径2 cm、高3 cm的实心圆柱体样品，并通过称重与尺寸测量计算质量密度；第三，将样品嵌入直径20 cm的PLA体模中，使用西门子Somatom AS临床CT扫描仪，在70、80、100、120、140 kV管电压下扫描，以圆柱形感兴趣区（ROI）测量HU值，并以去离子水样品作为基准校正HU读数。

研究结果分为四个部分。第一部分概述所有样品的整体表现。在120 kV下，PLA样品HU值范围为109～424 HU，质量密度1.17～1.34 g/cm³；ABS样品HU值范围为?34～40 HU，质量密度1.03～1.11 g/cm³。能量依赖性（70 kV与140 kV的HU差值）在PLA中跨度达?29～+172 HU，在ABS中为?52～?4 HU，表明不同丝材的HU随管电压变化趋势差异显著。

第二部分针对PLA丝材。低与中等衰减的PLA样品HU值随管电压升高而增加，符合典型聚合物行为；而高衰减PLA样品HU值随管电压升高而降低，提示其含有提高有效原子序数（Z_eff）的无机填料或颜料。同系列产品内，颜色差异可导致120 kV下HU值相差超过60 HU，例如Bambu PLA Basic白色与蓝色间差异达60 HU，Esun PLA+冷白色与黑色间差异约34 HU，而Sunlu PLA Meta不同颜色的差异小于3 HU。

第三部分针对ABS丝材。所有ABS样品HU值均随管电压升高而增加，未出现HU随管电压下降的情况。低衰减组（120 kV下<0 HU）与高衰减组的能量依赖性不同，除Sunlu高速ABS白色的能量依赖性极低（70 kV与140 kV的HU差值仅?4 HU，相对差异?0.4%）外，其余ABS样品差值在?41～?52 HU之间（相对差异?4.3%～?5.5%）。透明ABS的衰减与质量密度高于天然（无颜料）ABS，表明其并非纯ABS，可能包含共聚物或改性成分。

第四部分分析颜色对衰减的影响。颜色引起的HU差异在同系列PLA中最为显著，部分产品可达90 HU以上，且无颜色与衰减高低的固定规律。天然与透明ABS虽不含颜料，但衰减特性仍明显不同，说明基础配方的微小调整也会改变辐射学性能。

在讨论部分，研究人员指出质量密度与HU值的不完全相关性反映了不同丝材有效原子序数的差异，证实成分而非密度单独决定X射线衰减。这一变异性的积极意义在于，仅通过PLA与ABS两类基础材料即可覆盖从负值到400 HU以上的广泛衰减范围，结合可控欠填充（underfilling）技术可进一步微调衰减，满足多种组织与对比度的模拟需求。但需注意，过度降低填充密度会损害结构稳定性并引入非解剖噪声，应优先通过选择合适的丝材产品与颜色来实现目标衰减。研究同时警示，制造商对丝材的持续优化可能导致批次间特性变化，仅指定基础聚合物而无具体产品信息的体模设计将难以复现。

结论部分强调，相同基础聚合物名称的PLA与ABS丝材在成分与X射线衰减特性上存在巨大差异，品牌、产品系列与颜色均显著影响体模的放射学表现。制造商的产品更新进一步要求持续监测材料变化。这种变异性既带来挑战，也提供了机遇：通过精细选择有限种类的PLA与ABS材料，即可构建具有梯度化对比度与组织模拟衰减的体模，其中ABS适合模拟脂肪组织，PLA可模拟更高衰减的组织结构。