基于3D 建模的MRI 模型制作及選材研究

李翰威，王屹辰，王浩文

（1.南方醫科大學南方醫院，廣東廣州 510515；2.萊尼電氣線纜（中國）有限公司，江蘇常州 213022）

0 引言

隨著醫療設備的快速更新，采用適當的方式普及推廣新設備的技術原理，對提高公眾健康意識具有重要作用。在傳統的設備科普中，宣講者普遍采用已淘汰的舊設備進行講解，導致信息滯后，無法展示新設備的特點。

同時，由于MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）設備體積龐大，重量可達數噸，且對安裝環境有嚴格要求，大多固定安裝在醫院內專門的磁共振檢查室，不方便搬運（圖1）。這給利用實體設備進行教學示范帶來極大不便，大多數情況下無法將實物設備搬到教室或展覽現場進行說明操作。與此同時，MRI 作為一種復雜的現代醫學成像設備，公眾也難以在固定場所內觀察到完整的工作過程。

目前，3D 打印技術已經開始在醫學領域廣泛應用，主要包括醫學教學模型、手術導航模板、細胞培養支架、個性化植入物等方面，極大地推動了醫療方式的進步和個性化診療的發展[1-4]。

本研究采用3D 模型技術，根據實際MRI 設備的結構尺寸制作精細的3D 模型。該模型既保留了實物設備的所有特征，又便于通過計算機實現模型的局部放大、旋轉、剖析，特別適用于交互式虛擬仿真教學。同時，基于3D 模型數據還可以利用3D打印制作實體復制品。虛擬數字模型和3D 打印的實體模型，為MRI 設備的教學示范提供了極大便利。

通過3D 建模軟件對MRI 進行計算機3D 繪圖建模，并3D打印機打印實物模型，宣講者可以通過模型展示對新型設備進行科普宣講，從而使受眾體驗到逼真的醫療器械真實格局及其應用場景，有助于廣大受眾更好地認知和學習最先進醫療設備知識。

基于3D 模型的建設，通過對模型制作工藝的分析與對比，選擇出適用的制作方式，并選擇恰當的制作材料，最終完整3D模型的實物打印。實物模型的呈現可以激發大眾的好奇心，最終達到相關宣傳目的。

1 3D 建模

1.1 尺寸測量及估算

1.1.1 尺寸測量

對設備間、磁體室以及控制室中實體設備進行尺寸測量。

（1）進入設備間及控制室，對電控柜、冷卻機柜、空調柜、穩壓電源柜、射頻和磁場信號柜、控制電腦等設備進行外形尺寸的大致測量。

（2）對各個功能柜內部的凸臺、凹陷等相關特征進行測量，確定其大致定位及外形尺寸。

（3）對各個功能柜、磁體室、控制室內設備進行拍照，以方便之后的觀察、繪圖、相關尺寸測量估算以及實物結構分析，提高繪圖效率。

1.1.2 尺寸估算

因為磁體室內不允許有金屬物品進入，所以相應尺寸測量無法直接完成，需要進行尺寸估算。設備室內也因為相關功能柜處于運行狀態中，并且有磁鐵零件，所以無法貼緊測量，無法得出完全準確尺寸，需進行尺寸估算。

（1）對磁體室進行拍照。在磁體室外進行拍照，通過不同角度對線圈、升降床以及MRI 整體設備進行拍照，對照說明書給出的相關外形尺寸，以相應的縮放比例為參照，對相關未能測量的缺失尺寸進行估算。

（2）查閱相關MRI 設備設計文件，找到相關外形尺寸，根據文件給出的視圖進行等比例縮小，估算相關特征尺寸，以完成3D 模型建設。

1.2 實物結構繪制、分析及裝配

1.2.1 實物結構分析

在3D 模型裝配的階段，必須對模型外觀、結構、厚度等進行一定了解，才能為正確的3D 模型裝配打下堅實的基礎。

根據在設備室、控制室以及磁體間所拍攝照片，對每個設備的結構進行分析與討論。首先，根據照片對已知結構進行整理。其次，與醫療設備工程師進行討論，了解設備的原理、結構，并在之后的裝配中體現出來。最后，根據MRI 設備說明文件進行合理的結構分析，防止出現不切實際或不專業的相關裝配。

1.2.2 計算機3D 零件繪制

采用CAD 軟件（如SolidWorks）根據已測量及估算的尺寸進行3D 零件繪圖。在繪制過程中根據已測量以及估算的相關外型尺寸、定位尺寸、裝配尺寸進行線管零件的草圖繪制以及特征繪制。在對零件的3D 模型構建時，應盡量將可繪制特征在單一零件圖中表現，可以大大減少在最后零件裝配階段發生裝配錯誤的可能性。

在零件圖繪制過程中，應對相應特征進行材料及顏色設定，這對后期整體的3D 渲染效果展示有一定影響[5]，對設備的宣講具有一定的幫助（圖2）。繪制的同時注意細節之處，若有未知尺寸應當仔細記錄，為后面的繪制復盤做好準備。

圖2 線圈3D 模型

1.2.3 計算機3D 模型裝配

根據結構分析，對繪制的3D 零件進行裝配。裝配完成后，根據不同視角進行渲染，達到最好的視覺效果（圖3），以便實現全方位展示醫療設備結構原理的效果。模型零件裝配時應注意其中存在的錯誤，記錄需要增加細節或進行修改的位置，為后續的復盤工作做好準備。

圖3 射頻和磁場信號柜渲染效果

1.3 模型尺寸復盤及修改

1.3.1 模型復盤

在整體裝配全部完成之后，應對3D 模型的建設進行一次復盤，對出現的問題以及尚未發現的問題進行檢查并及時改正（圖4）。

圖4 MRI 3D 模型修改復盤及修改

（1）對已發現的錯誤及細節不到位的情況進行及時修補。若缺少修補條件，可去實體設備間進行尺寸的復盤測量，對缺少的細節尺寸進行補測，在模型精確度上做到精益求精。

（2）檢查模型，找出未發現的錯誤。對于專業性錯誤，應聽取專業人士的相關意見與評價，同時結合該MRI 設備的產品介紹與數據分析進行進一步比對，使3D 模型在專業方面更準確。

1.3.2 模型修改

對模型復盤并修正錯誤后，應與已有照片、數據等進行二次比對，確認無誤后完成3D 模型修改。

1.4 采用專業布局進行最后修改

在MRI 3D 模型建造中，磁體間的專業布局尤為重要。首先，因為磁體間有強磁場產生，所以磁體間四周的墻壁應用紅銅進行包裹，以達到銅屏蔽的效果。其次，在磁體間中，MRI 的擺放位置也有相應的規范要求，線圈頂部應離前墻面3200 mm，窗體正中距離右側墻體2500 mm。最后，根據相應專業規范做出最后的修改，3D 模型建設完成（圖5）。

圖5 整體MRI 空間3D 模型

2 制作工藝

在醫療設備的展示推廣過程中，實體模型展示無疑是最好的方式，它能夠給廣大群眾提供最直接的感受。實體展示最能抓住群眾眼球，激發其了解設備的好奇心。實體模型可以展示的產品色彩、結構、材料等多個方面，使群眾能夠從整體布局到設備細節使用等方面全方位深入了解醫療設備。實體模型的制作工藝和手段有多種選擇[6]，下面對常見模型制作工藝展開分析，并進行最優選擇。

2.1 手版

手版模型制作是現代先進的加工手段的體現[7]。手版的優點為可以解決圖紙中無法體現的問題（曲面相交最終結果、機構運動是否合理等）制作方法多樣，材料多采用ABS 工程塑料。缺點為：①零件強度達不到原零件設計的要求性能；②制品的強度較低，致密性較差；③設備少，操作時間相對較長，設計與建模脫節；④手版制作是應用于模型生產之前的樣板工作，達不到展覽需求。

2.2 注塑

注塑是一種工業產品生產造型的方法，通常使用橡膠注塑和塑料注塑，可分為注塑成型模壓法和壓鑄法。隨著我國塑料工業的迅速發展，注塑模具在質量、技術和制造水平上獲得了巨大進步。注塑的優點為擁有低成本的模具制造設備，加工工藝合理穩定，技術應用廣泛適合大批量生產模型。缺點為：①國內技術發展不平衡，整體水平較低，模具精度、粗糙度與先進水平有一定差距；②開發能力弱，創新能力不足；③對單一模具制造精度不足，無法進行展覽講解；④開模費用昂貴。

2.3 3D 打印

3D 打印是使用數字技術材料打印機進行模型制作。該技術在AEC（Architecture，Engineering &Construction，建筑、工程和施工）、汽車，航空航天、牙科和醫療產業、教育等其他領域都有所應用。3D 打印的優點為：①制造復雜物品不增加成本；②無需組裝。能使部件一體成型，省略了組裝環節；③零時間交付。按需求打印，隨時均可生產，不需要庫存；④設計空間無限?？梢灾圃烊我庑螤町a品；⑤減少廢棄副產品，較為環保；⑥精確的實體復制。將現代掃描技術和3D 打印技術的相結合，能夠提高實體世界和數字世界之間形態轉換的匹配度；⑦操作簡單，零技能制造。缺點為無法打印高端模型，材料及打印技術尚不成熟，開模費用昂貴。

2.4 結論

綜上所述，由于普及展示用的MRI 模型為單一展示模型，需要良好的展示精度，同時擁有一定強度。在成本上3D 打印優于其他制作工藝，在結構上3D 打印可以一次成型，大大節省制作時間，提高整體效率，所以優先選用3D 打印技術。

3 材料選取

目前，3D 打印領域的常用打印材料，從形態上主要包含4種：液態光敏樹脂材料、薄材（紙張、塑料膜）、低熔點絲材和粉末材料。從成分上則幾乎涵蓋了目前生產生活中的各類材料包括塑料、樹脂、蠟等高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷材料等?？傮w來說，材料總體分為有機高分子材料和無機材料兩大類，有機高分子材料包括ABS、PA、光敏樹脂以及水凝膠等，無機材料包括鈦合金、陶瓷和石膏等[8-9]。

3.1 有機高分子材料

3.1.1 工程塑料

傳統的工程塑料起步較早，相關研究趨于成熟，在3D 打印中是主選材料。在其中大致可分為ABS、PLA、PA 3 種。優點為：力學性能大、耐熱性好、加工性能優良、應用范圍廣；缺點為：易產生卷曲、拉伸強度低、熱變形溫度低、產品美觀度不高、尺寸精度不能保證。

3.1.2 光敏樹脂

光敏樹脂（UV 樹脂），是一類光固化成型（SLA）材料，由聚合物單體和預聚體組成，其中添加了光敏劑。優點為：加工方便，在短時間內完成固化，綜合性能優良；缺點為：尺寸精度較低。

3.1.3 生物醫用高分子材料

3D 打印技術在生物醫用領域應用廣泛，可用于細胞、組織、器官以及個性化組織支架等模型。優點為：具有良好的生物相容性，結構精度容易控制；缺點為：加工困難、價格昂貴，因此僅用于醫學領域，應用范圍狹窄。

3.2 無機材料

3.2.1 金屬材料

金屬材料的優點為：力學性能、化學性能以及加工性能優異，可以滿足高性能加工；缺點為：加工困難，液態金屬不易固化。

3.2.2 陶瓷

常見的陶瓷打印材料包括氧化鋯、氧化鋁、硅碳化硼等，優點為低密度、強度高、耐腐蝕、高硬度、耐高溫、化學性能穩定；缺點為加工困難，黏結劑粉末與陶瓷粉末難以配比。

3.2.3 石膏

石膏即硫酸鈣，通常所說的石膏指生石膏即二水硫酸鈣，主要有單斜晶系和斜方柱晶2 種晶型。優點為：有膨脹性，表面光滑、質地細膩，且擁有良好的加工性能、凝結固化快、顆粒精細、無毒無害，可彩色打?。蝗秉c為：表觀密度以及強度較低、耐水性差、力學性能差，無法大范圍使用。

3.3 總結

根據實例，MRI 展示模型應選取樹脂材料進行3D 打印加工。其綜合性能優越，加工方便易于操作，費用低廉，適合作為此實例的模型材料。

4 結束語

本文對MRI 設備的實體進行3D 建模，以及模型工藝和材料的選擇，闡述了3D 模型建設到實體模型制作的全過程，為MRI設備的推廣宣教提供新的思路和途徑，有助于公眾更直觀地了解和掌握復雜的醫療設備知識?；?D 建模軟件的豐富與不斷進步，此項技術與方法必將在產品展示、結構設計優化等發面產生巨大影響。隨著3D 打印技術的進一步成熟，其在醫療設備的展示和科普中將發揮越來越大的作用。各類設備的3D 虛擬模型和實體復制品也將越來越精確。建議醫學院校和科研機構推廣應用3D 建模和打印技術，制作各類醫療設備模型，以提高教學展示、科普宣傳等工作的質量與效果。