3D printanje: Koji materijali liče na tkivo na CT snimku?

Materijal koji izgleda jednolično u ruci može na CT snimku imati sasvim drugačiji izgled od očekivanog. To je važno kada se 3D printani dijelovi koriste za medicinske modele, pomagala ili fantome za ispitivanje snimanja i doze zračenja. Istraživanje objavljeno u časopisu Radiography 2022. mjerilo je CT brojeve 15 komercijalno dostupnih materijala za aditivnu proizvodnju, pri različitim naponima CT cijevi.

Ključni nalazi

• Ispitano je 15 materijala: 7 izrađenih FDM postupkom i 8 SLA postupkom.
• CT brojevi FDM materijala bili su u rasponu od −188,0 do 189,1 HU, a SLA materijala od −15,8 do 167,3 HU.
• Uzorci su bili blokovi dimenzija 20 × 20 × 20 mm, izrađeni sa 100% gustinom ispune.
• Snimanje je obavljeno na 80, 100, 120 i 135 kV; CT broj se kod većine materijala povećavao s naponom.
• Veća izmjerena gustina bila je povezana s višim CT brojem.
• Vrijednosti nekih materijala bile su slične rasponima navedenim za pojedina ljudska tkiva, ali su zavisile od materijala i napona snimanja.

Zašto je važno znati CT broj 3D printanog materijala

CT broj, izražen u Hounsfieldovim jedinicama (HU), opisuje kako materijal prigušuje rendgensko zračenje u odnosu na vodu. Zato različiti materijali na CT slici mogu imati različite vrijednosti i kontrast. Poznavanje tog ponašanja korisno je pri projektovanju 3D printanih dijelova koji će se snimati ili nalaziti u blizini anatomskih struktura.

Jedna od važnih primjena je izrada fantoma. Fantom je fizički model koji služi za ispitivanje medicinskih uređaja, kvaliteta slike ili dozimetrije. Ako je njegov CT broj poznat, lakše je odabrati materijal za određeni dio modela i procijeniti kako će se on razlikovati od okolnih struktura na slici. U radu se navodi i mogućnost primjene podataka pri izradi anatomskih i terapijskih fantoma, kao i pomagala za imobilizaciju koja se mogu prepoznati na CT snimku.

U ljudskom tijelu CT brojevi razlikuju se među tkivima. U tabeli koju rad navodi, voda ima raspon od −4 do 4 HU, masno tkivo od −100 do −80 HU, a jetra od 50 do 70 HU. Spongiozna kost navedena je u rasponu od 50 do 300 HU. Ovi primjeri pomažu da se razumije zašto izbor materijala može uticati na kontrast, ali ne znače da se svaki 3D printani materijal može smatrati zamjenom za tkivo u svim uslovima.

Šta je ispitivano

Istraživanje je obuhvatilo dvije tehnologije aditivne proizvodnje. FDM, odnosno modeliranje topljenim filamentom, oblikuje dio nanošenjem materijala sloj po sloj. SLA, stereolitografija, koristi tečnu smolu koja se očvršćava tokom izrade. Visina sloja je debljina pojedinačnog sloja u procesu printanja, dok gustina ispune opisuje koliko je unutrašnjost dijela popunjena. U ovom istraživanju uzorci su izrađeni sa 100% ispunom i bez obrasca ispune koji bi unosio dodatne zračne prostore.

Svaki testni predmet bio je kockasti blok dimenzija 20 × 20 × 20 mm. FDM uzorci obuhvatili su Novamid 1030-CF10, polipropilen, DISCO PLA, PLA, TOUGH PLA, ABS-X i PLACTIVE AN1, označen i kao C-PLA u rezultatima. SLA materijali bili su Flexible 50A, Durable, Tough 1500, Elastic 50A, Tough 2000, High Temp, Clear i Grey resin.

Za printanje su korišteni Form 3B, Ultimaker S3 i Ultimaker S5. Materijali su snimani na Aquilion Prime CT uređaju, uz debljinu sloja snimanja od 3 mm i napone cijevi od 80, 100, 120 i 135 kV. CT broj očitavan je u kružnom području interesa u središtu svakog bloka. Gustina uzoraka procijenjena je mjerenjem mase i zapremine. U radu se navodi da je visina sloja printanja iznosila 0,15 mm.

Rezultati: gustina, napon i CT broj

Za FDM materijale izmjerene vrijednosti kretale su se od −188,0 HU za polipropilen pri 80 kV do 189,1 HU za C-PLA pri 120 kV. Za SLA materijale raspon je bio od −15,8 HU za Elastic 50A pri 80 kV do 167,3 HU za Tough 2000 pri 120 kV. To su rezultati za ispitane uzorke i uslove, a ne univerzalne vrijednosti za sve proizvode koji se prodaju pod istim nazivima materijala.

Kod većine uzoraka CT broj rastao je s povećanjem napona cijevi. Primjer je PLA: vrijednost je porasla sa 132,4 HU pri 80 kV na 151,6 HU pri 135 kV. Za Flexible 50A porasla je sa 43,2 HU na 80,5 HU u istim uslovima. Ipak, promjena nije bila jednaka za svaki materijal. C-PLA je imao 185,5 HU pri 80 kV i 188,4 HU pri 135 kV, dok je Tough 2000 imao 165,1 HU pri 80 kV i 165,8 HU pri 135 kV. U radu se za ta dva materijala promjena s naponom opisuje kao zanemariva.

U statističkoj analizi utvrđena je povezanost između veće gustine i višeg CT broja za FDM i SLA materijale. Ipak, gustina nije jedini faktor: hemijski sastav, energija rendgenskog snopa i debljina uzorka također mogu uticati na mjerenje. U radu se posebno navodi da C-PLA sadrži bakar, element visokog atomskog broja, što može uticati na apsorpciju rendgenskih zraka.

Nekoliko materijala imalo je vrijednosti u rasponima sličnim onima za pojedina tkiva. FDM materijali DISCO PLA, PLA, TOUGH PLA i PLACTIVE AN1 bili su u rasponu koji se preklapa s navedenim vrijednostima za spongioznu kost. ABS-X imao je vrijednosti slične rasponu za pankreas. Neki SLA materijali, zavisno od napona, imali su vrijednosti bliske rasponima za bubrege, pankreas ili jetru. To je poređenje CT brojeva, a ne dokaz biološke ili potpune radiološke ekvivalencije.

Šta rezultati znače za inženjere i istraživače

Za inženjere i dizajnere, podaci mogu pomoći pri izboru materijala za dio koji treba biti vidljiv ili razlikovljiv na CT slici. Pri izradi anatomskog fantoma, naprimjer, izbor različitih materijala može doprinijeti stvaranju više nivoa kontrasta. Za pomagala i uređaje koji se snimaju zajedno s pacijentom, poznavanje CT broja može pomoći da se procijeni kako će se materijal prikazati i da li će ga biti lakše razlikovati od okoline.

Za studente, rad pokazuje da naziv polimera ili tehnologija printanja nisu dovoljni da bi se predvidio CT izgled. Potrebno je uzeti u obzir gustinu ispune, sastav materijala i postavke snimanja. Istraživanje također povezuje 3D printanje s medicinskim snimanjem: projektovani dio nije samo geometrija već i materijal koji utiče na sliku.

Izmjerene vrijednosti mogu poslužiti kao polazni podaci pri odabiru materijala za fantome i testne objekte. U radu se navodi potencijalna primjena u ispitivanju medicinskih modaliteta i istraživanju doza u dijagnostičkoj radiologiji i radioterapiji. Međutim, za konkretnu primjenu potrebno je provjeriti vlastiti materijal te uslove proizvodnje i snimanja, a ne osloniti se samo na vrijednosti iz ovog rada.

Ograničenja i naredni koraci

Istraživanje je obuhvatilo 15 materijala, ali samo blokove izrađene sa 100% ispunom. Nisu ispitivani različiti obrasci ispune, gustine ispune ili visine sloja, jer bi to zahtijevalo proizvodnju velikog broja kombinacija. Zbog toga se rezultati ne mogu automatski prenijeti na dijelove s drugačijom unutrašnjom strukturom ili postavkama printanja.

CT broj zavisi i od napona cijevi: mjerenja su obavljena na četiri vrijednosti od 80 do 135 kV. Uz to, u radu se navodi da sastav pojedinih smola nije u potpunosti poznat, a mjerenje gustine i dimenzija uzoraka ima ograničenu preciznost. U raspravi se ističe da debljina uzorka i prisustvo elemenata visokog atomskog broja mogu uticati na CT broj.

U radu se navodi plan proširenja istraživanja na dodatne materijale i biomaterijale te razvoja opsežnije baze CT brojeva. Predlažu se i dodatna istraživanja miješanih, gradiranih i višedijelnih materijala. Takvi podaci mogli bi proširiti mogućnosti za izradu fantoma s različitim kontrastima.

Zaključak

Studija pokazuje da dostupni FDM i SLA materijali mogu imati širok raspon CT brojeva i da se vrijednost često mijenja s naponom snimanja. Za ispitane uzorke raspon je bio od −188,0 do 189,1 HU za FDM i od −15,8 do 167,3 HU za SLA. Ovi rezultati daju koristan početni okvir za odabir materijala pri izradi 3D printanih medicinskih modela, pomagala i fantoma, ali vrijednosti treba tumačiti u kontekstu konkretnog materijala, printanja i CT protokola. Rad je Dr. Adija Pandžića.

Česta pitanja

Autor: Doc. Dr. Adi Pandžić

Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru

← Svi blogovi