CN108290349A - 用于3d打印应用中的质量控制的系统和方法 - Google Patents

用于3d打印应用中的质量控制的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了用于执行三维(3D)打印系统的质量控制评估的系统和方法。具体而言，本公开提供了用于3D打印系统的体模设计以及通过使用3D打印体模执行的3D打印系统的质量控制方法。

Description

用于3D打印应用中的质量控制的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请基于2015年11月29日提交的名为“用于3D打印应用中的质量控制的系统和方法”的美国临时专利申请号62/260,554，要求其优先权且通过引用将其整体结合于此。
关于联邦资助研究的说明
不适用。
背景技术
本公开大体涉及三维(3D)打印并且，更具体地涉及用于3D打印机的质量控制的系统和方法。
随着3D打印技术的进步，医疗领域已经开始尝试3D打印，为手术规划、手术引导、人体部件替换(包括新骨支架、手部替代物、甚至器官)制作解剖模型。为了可供人类应用，打印的部件必须具有高度的尺寸准确度。与其他制造设备一样，3D打印机可能随着时间的推移而脱离校准，导致打印不符合所需尺寸规范的部件。3D打印过程包含多个步骤，并且有几个可以影响部件生产的可能的错误来源。由于复杂部件的打印可能需要几个小时才能完成，因此减少不合格部件的数量非常重要。因此，质量控制(QC)是通常没有以系统和一致的方式应用于3D打印的有价值的概念。
发明内容
本公开提供了用于3D打印系统和3D打印工艺的质量控制的系统和方法。例如，提供了3D打印体模和使用3D打印体模进行质量控制过程的方法。通过使用体模，操作者能够测试输出的3D打印部件的几何准确度、分辨率和形状保真度。本文描述的规程允许操作者从扫描阶段到最终3D打印部件的检查识别3D打印过程中各个点处的潜在错误。
在一个方面，本公开提供了用于执行3D打印系统的质量控制评定的三维(3D)体模。体模包括由不透射线的材料形成的支撑基座，并且提供包括平面的至少一个表面。体模还包括从平面突出的多个正特征和嵌入基座部分的多个负特征。这些正特征和负特征可以共同包括几何对象和解剖对象。
在另一方面，本公开提供一种用于3D打印系统的质量控制的方法。该方法包括用扫描设备扫描3D参考体模，由此产生3D参考体模的一个或多个扫描图像。该方法还包括将一个或多个扫描图像输入建模软件，并在建模软件中生成3D参考体模的3D模型。该方法还包括在与建模软件通信的3D打印机上打印打印的3D体模。该方法还包括将打印的3D体模的至少一个几何特征的大小与对应于3D参考体模的至少一个几何特征的大小比较，并且在比较打印3D体模的至少一个几何特征和对应的3D参考体模的至少一个几何特征的大小时，确定3D打印系统的至少一个几何准确度、分辨率、和形状保真度。
在又一个方面，本公开提供了通过使用3D打印系统生产患者特定的体模的方法。该方法包括用扫描设备扫描患者身体的部位，由此生产患者的身体的部位的一个或多个图像，并且将一个或多个图像输入至建模软件。该方法还包括分割一个或多个图像以形成分割的图像集，从分割的图像集形成患者身体的部位的3D模型，并且利用3D打印机打印患者的身体的部位的打印的3D模型。该方法还包括用扫描设备扫描患者的身体的部位的打印的3D模型，由此产生打印的3D模型的一个或多个图像，在建模软件中将打印的3D模型的一个或多个图像记录到3D模型，并且逐点计算建模软件中的打印的3D模型的一个或多个图像与3D模型之间的几何差异。该方法还包括确定打印的3D模型的一个或多个图像与建模软件中的3D模型之间的计算的几何差异是否在预定的容差内。
本发明的先前以及其他方面和优点将从以下描述而显现。在该描述中，参考形成其一部分且作为说明示出本发明的优选实施例的附图。然而，这样的实施例不必要表示本发明的全部范围，并因此对权利要求和在本文中作出参考以用于解释本发明的范围。
附图说明
当考虑到以下的其详细描述时，本发明将会更好地被理解，并且除了上述阐述的那些之外的特征、方面和优点将变得显而易见。这样的详细描述参考了以下附图。
图1是现有技术3D打印系统的立体图。
图2是根据本公开的一个方面的用于3D打印系统的体模的示图。
图3是根据本公开的一个方面的用于3D打印系统的另一个体模的图像。
图4是说明根据本公开的一个方面的用于生产部件的3D打印过程的步骤的示例的流程图。
图5是说明根据本公开的一个方面的通过使用参考体模的用于3D打印系统的质量控制过程的步骤的示例的流程图。
图6是根据说明本公开的一个方面的用于生产临床模型的3D打印系统的质量控制过程的步骤的示例的流程图。
图7A是图3的参考体模的图像。
图7B是根据本公开的一个方面的用3D打印系统打印的图7A的参考体模的打印版本的图像。
图7C是示出图7A的参考体模和图7B的参考体模的打印版本之间的几何比较的图。
图8A是人体解剖的部位的3D模型的图像。
图8B是用3D打印系统打印的图8A的人体解剖的部位的打印版本的图像。
图8C是示出图8A的人体解剖的部位的3D模型和图8B的人体解剖的部位的打印版本之间的几何比较的图形。
图9是肝脏的患者特定3D打印体模与其相关CT扫描的示例的图像。
图10是患者特定3D打印体模及其相关CT扫描的示例的图像，其中，碘溶液已经被置于体模中的血管中并且浓度已经被调整以模拟实际患者肝脏中的不同浓度水平。
具体实施方式
目前，本领域需要一种3D打印部件的质量控制方法。由于例如在医疗应用中尺寸准确度和形状保真度极为重要，通过3D打印创建的部件必须符合严格的要求，并且所有尺寸在可接受的容差内。对于涉及患者的模型，使模型准确表示患者解剖和病理十分重要。与生产3D打印部分相关的巨大成本和时间要求尽可能合理地限制不可用部分的生产。因此，用于3D打印系统的体模和相关的质量控制方法将是期望的。
图1示出现有技术3D打印系统。3D打印系统10可被用于生产例如在医疗应用中可以被使用的部件。3D打印系统10包括计算机14和打印机18。计算机14通常包括3D建模软件以将数据传送到打印机18。打印机18从建模软件接收数据并生产(即，3D打印)由用户用建模软件设计的部件22。
本领域技术人员应理解，可以使用许多不同模型的3D打印机以完成可以用于医疗应用的部件的3D打印。一个适用于生产用于医疗领域的部件的这种模型是MakerBotReplicator II打印机，尽管许多其他的打印机也同样可以接受。
此外，应理解，可以使用几种类型的3D打印过程来生产这些部件。可以使用的一种类型的3D打印过程是选择性激光烧结(SLS)；然而，其他3D打印工艺，诸如立体光刻(SLA)、熔融沉积建模(FDM)、选择性激光熔融(SLM)、电子束熔化(EBM)、层压物体制造(LOM)以及本领域已知的其他3D打印工艺可以被用于生产用于医疗应用的3D打印部件。
图2示出了被配置成用于在3D打印系统中执行质量控制的3D体模100的一个非限制性示例。如将描述的，3D体模100可以包括多个正(即，从体模的表面突出)和负(即，从体模的表面向内延伸)拓扑特征，例如，所有拓扑特征可以源自体模100的共同表面或体模100的多个表面。
特别地，体模100包括支撑基座104。支撑基座104被示出为从第一表面106延伸到第二表面108的矩形结构，其移位了厚度t。因此，四个壁109,110,111,112沿着第一表面106与第二表面108之间的厚度t延伸。多个特征116,120,124,128,132,136,140被嵌入第一表面106。如将被描述的，嵌入第一表面106的多个特征116,120,124,128,132,136,140可以是负特征。
多个正特征144,148,152,156,160,164也可以被包括在第三表面166或从第三表面160突起。第三表面166可以以多种配置被布置。例如，第三表面166可以延伸以形成与第一表面106的共同平面，使得支撑基座140足够大以支撑第一表面106和第三表面166两者。此外，第三表面166和相关联的正特征144,148,152,156,160,164可以代替第二表面108。相似地，第三表面166和相关联的正特征144,148,152,156,160,164可以代替第一表面106。无论第三表面166的具体位置如何，在一些配置中，正特征144,148,152,156,160,164可以限定基本上等于厚度t的正特征高度。然而，正特征的高度可以因特征而不同，并且可以具有比厚度t大得多或小得多的高度。
多个负特征116,120,124,128,132,136,140可以包括中空半球116、中空六边形120、中空矩形124、中空锥形128或多个线段集132,136,140。多个线段集132,136,140可以被布置为互相不同的几何定向。在一个非限制性示例中，三个线段集被布置为沿着3D空间内的三个正交方向，即，第一线段集132被布置为基本水平，第二线段集136被布置为基本垂直，第三线段集140被布置为沿着垂直于包含第一两组线段的平面的方向。在这种实施例中，第三线段集140可以具有比第一线段集132和第二线段集136的深度更大的深度。然而，应理解，替代方向也是可能的。此外，每个线段集132,136,140可以进一步包括多个线段集。在一个非限制性示例中，在特定线段集的每个线段具有基本相似的尺寸。附加地或替代地，负特征116,120,124,128,132,136,140的深度可以被设计为稍微小于支撑基座104的厚度t或等于厚度t。然而，在一些实施例中，负特征的深度可以随着特征变化，或可以在特征组之间变化。例如，第一线段集132中的每个线段可以具有相似的深度，而第三线段集140中的每个线段可以具有更大的深度。
多个正特征144,148,152,156,160,164可以包括实心半球体144、实心六边形体148、实心矩形体152、实心锥体156、不同直径的多个圆柱体160、圆锥形特征164，这些特征的组合或可以被3D打印的其他特征。不同直径的多个圆柱体160可以以血管树结构的形式布置。圆锥形特征164可以以耳蜗结构的形式成形。如所述，正特征144,148,152,156,160,164的高度可以可选地被设计为与支撑基座104的厚度t匹配。
根据本公开的一个方面，可以从被选择为促进基于x射线或其他成像模式的成像的材料构造体模100。例如，体模100可以由选择为衰减x射线的不透射线的材料制成，使得体模100的表面106,108上的特征的拓扑可以通过使用基于x射线的成像形态来区分，例如荧光透视和计算机断层扫描。在其他实施例中，体模可以由各种不同的聚合物制成，诸如高密度聚乙烯，低密度聚乙烯或聚碳酸酯。这种聚合物材料可以提供与软组织相似的X射线衰减，并且可以更好地模拟扫描人体部位。应该选择体模的材料，使得体模在成像过程中提供足够的对比度，并且可以通过许多不同的成像过程容易地观察体模上的结构。
图2中的特征116,120,124,128,132,136,140,144,148,152,156,160,164被设计为用于质量控制评估。特征116,120,124,128,132,136,140,144,148,152,156,160,164及其相关联的大小可以被选择为测试3D打印系统的不同方面，诸如图1所示。所制作的3D打印部分的准确度、精确度和形状保真度对于患者安全和最佳患者护理非常重要，并且已选择体模100的特征来检查这些质量，使得当观察到不可接受的测量时可以对3D打印系统进行适当的调整。特征116,120,124,128,132,136,140,144,148,152,156,160,164是基于实际考虑而选择的，优选的是提供容易测量的对象的特征，尺寸小(因此减少制造时间和材料成本)，并且易于清洁。
在一些非限制性示例中，特征116,120,124,128,132,136,140,144,148,152,156,160,164包括几何对象和解剖对象两者。可以由体模结合的几何对象的示例包括但不限于线段132,136,140、半球116,144、椎体128,156和立方体124,152，以及其他这样的几何对象。可以包括在体模设计的解剖对象包括但不限于血管树结构160或耳蜗结构164。
选择用于并入到体模100中的特征可以在大小上变化，使得它们测试3D打印系统10的不同水平的准确度和精确度。在一个配置中，支撑基座104可以包括多个大小的正半球116和负半球144以及多个不同大小的线段集132,136,140。线段可以被组合到一起，使得组中的每个线段具有相同的尺寸，但是每个线段组相对于宽度或方向上的其他线段组是唯一的。
在一些实施例中，体模100可以包括正和负特征两者，如上文所述。例如，正特征的数量和方向可以镜像多个负特征，使得体模100具有四个正半球形和四个负半球形。体模上的形状的定向可以跨越将支撑基部104分成两个相等表面的中心线对称。
为了提供打印特征的快速质量测量，可以使用多个不同的测试。在一些非限制性示例中，可以模制具有印刷体模100的相反方向的体模测试对象。因此，测试对象可以具有与体模100相同的正和负特征，但可以被布置为使得印刷体模100上的正特征与测试对象的负特征对齐并且可以接收在测试对象的负特征内。相似地，测试对象的正特征可以被对齐使得可以接收在体模100的负特征内。在这种情况下，可以快速进行质量测量，因为如果物体不匹配在一起或者体模的表面和测试对象不互相齐平接触，则可以快速确定体模100超出可接受的容差的范围。在这样的实施例中，体模测试对象可以像通过/不通过量规那样操作。
其他快速观察策略也可以用来节省测量过程的时间。可以产生正特征，诸如椎体、球体、六边形等以测试支撑基座的各个负特征。例如，可以印刷或注塑多个球体并进行测量，以确保它们的尺寸合适以适合体模100的负特征。一旦体模100被打印，多个球体然后可以放置在多个半球形的负特征例如半球体144内。如果球体不适配在相应的负半球144内，操作员可以快速观察到体模100不符合产生3D打印部分的必要标准，并且可以对3D打印系统进行调整。此外，这些部分的不准确适合表明打印过程和机器本身中存在错误。
在上述方法中也可以评估体模的长期稳定性。在打印时和其他预定间隔进行的测量比较可以提供关于部分如何随时间变化的数据。通过高分辨率CT成像或通过使用精密机械卡尺物理测量体模尺寸，可以随时获得物体尺寸的附加物理测量。
参考图3，提供了用于3D打印质量控制方法的另一个体模200。体模200的周边202类似于矩形框的周边，但应理解，体模200的周边202的许多几何形状是合适的。尽管被设计为用于与图2的体模100类似的使用，但该体模200可以仅包括负特征。体模200可以包括线段204的若干组206,208,210,212,214,216,218,220,222,224,226，其中每个组包括选定数量的线段。在本发明的一个非限制性示例中，体模200可以包括十一组线段204，并且每个组可以包括五个单独的线段204。线段组206-226中的每个线段可被设定为相同的尺寸，并且每个线段组可具有与其他线段组206-226不同的尺寸。在一些非限制性示例中，每个组内的线段204的大小可以限定不同的大小(例如，组内的线段204的大小可以在体模200上从左到右依次变小)。组中的每个线段204可以与其组206-226中的其他线段均匀分隔开。虽然图3中的每组线段206-226都以垂直方向示出，但应该理解，可以在本公开的体模设计200中给出线段可替换的方向。相似地，尽管体模200被描述为仅具有负特征，但应理解，这些特征之间的材料起到了正特征的作用，并且因此，体模可被认为包括正和负特征。此外，如果期望，体模200可以包括数个其他正特征，诸如，参考体模100描述的那些。
另外，应注意，图3的体模200尚未由3D打印机产生。图3的体模200是参考体模，其可以通过注塑或其他能够产生具有必要的表面光洁度和用作参考对象所需的尺寸准确度的其他工艺来创建。然而，体模200几何被设计为使得3D打印机能够产生在体模上存在的特征。
体模100,200两者都提供评估响应于环境因素(温度、压力、湿度)的材料稳定性以及用于创建模型的材料的暂时的稳定性的能力。在一些情况下，以固定频率(即，每月或每季度)打印模型或其变形并且通过物理测量对象或通过涉及成像和计算机分析的更复杂的方法来执行模型的常规测试两者都可以是有利的。来自这些测量的数据可以被记录或分析以提供关于打印材料的长期稳定性以及影响模型的准确性的因素的信息。数据也可以提供关于3D打印机是否需要校准或维护的信息。
参考图4，流程图示出医疗应用300中的3D打印的过程。过程300在其最高级处包括扫描物品304以产生对象的图像。然后这些图像被可选地分割308。在分割图像之后，它们可以被输入建模软件，其中然后它们可以被重建成期望的部件的3D模型。在模型被重建之后，信息被传递到3D打印机，其中部件被输出312。
这个过程300可以被相似地用于执行整个系统的质量控制评估。为了评估整个3D打印过程的总体准确度，可以通过使用例如CT扫描仪或能够高分辨率扫描的另一个成像系统成像与图2和图3相似的3D参考体模。应理解，除了由图2和图3公开的这些之外，其他体模可以被用于该系统。然后3D参考体模被扫描304在扫描系统。然后，这些图像可以被分割308并且然后输入到建模软件，其中分割的图像可以被用于重建体模的3D模型。3D参考体模的3D模型然后被传输到3D打印机，其中3D参考体模的体模被打印312。在打印过程完成时，可以手动地(例如使用卡尺或量角器)或使用高分辨率成像设备(诸如微CT，CT，放射照相术或光学成像)测量3D打印体模和3D参考体模的特征，并使用玛瑞斯公司的诸如3-Matic的程序对扫描进行比较。然后可以逐点计算原始模型和扫描模型之间的距离，并且可以基于测量协议对其进行颜色编码，以提供与期望尺寸偏离最远的部分区域的简单识别。这个分析还可以输出有关部分的距离分布的统计信息，诸如部分中尺寸的最小值、最大值、平均值和标准偏差。基于测量之间的一致性，用户可以确定系统是否被正确校准以产生可接受的部件。为了执行所公开的过程的一些实施例，可以有利地遵循某些标准，并且可能将涉及多个用户。考虑到他们对临床需求的直接了解以及作为模型的最终用户的身份，外科医生或医生可以订购该模型。具有专业知识的解释放射科医师可以参与该过程，以确定针对该模型要解决的给定诊断问题的最佳成像研究。理解成像物理和技术的医学物理学家可以确保检查正确执行，并可以优化扫描和重建技术。技术人员和工程师可以执行模型的成像、分割和打印。所有的扫描和重建技术都可以进行优化，以满足相关3D建模软件的需求。在这个过程中使用的所有成像设备可以得到美国放射学会(ACR)或其他认证机构的认证，并且可以定期进行测试以满足认证和法规的要求。图像可以使用FDA批准的软件(例如玛瑞斯公司的Mimics)分割，并且可以由经验丰富的技术人员和放射科医师执行分割和建模过程。3D打印机的年度维护可由与打印机制造商有关的技术人员执行。最后，可以在打印机上执行定期维护。在每一部分构建后，可以清洁3D打印机的头部和刮水器，偶尔可以运行模式测试以确保头部没有堵塞，最后，可以使用紫外线灯不时校准系统。
尽管上述步骤有助于消除3D打印过程中的一些错误，但建议定期执行上述质量控制评估，诸如每周一次。此外，在对系统进行任何主要升级之后，可以执行测试，无论升级涉及系统中任何部件的软件还是硬件。
还应理解，质量控制评估可以仅针对单个部件执行。例如，质量控制评估可以只针对印刷过程。在这样的场景中，可以完全省略扫描图像的步骤304和分割和处理图像的步骤308。例如，3D模型可以完全由设计生成，例如在CAD中。3D模型然后可以被3D打印在3D打印机312上。然后可以以与上述类似的方式测量3D打印部件，并且与3D模型的测量进行比较。测量之间的一致性将提供关于打印过程独立有多准确的反馈，并且可以提醒用户仅在过程300的打印阶段中需要进行调整。
参考图5，提供了流程图，其阐述了质量控制过程400中的一些步骤的示例，其可以用于识别和消除3D打印过程300的每个单独步骤处的潜在错误，并且这样做，有助于消除不能接受部件的生产。该过程可以通过使用3D参考体模执行，诸如关于图2和图3描述的体模100,200。
在用于医疗应用的3D打印部件的所公开的质量控制方法的一些实施例中，在扫描设备下扫描404 3D参考体模。一种这样的可接受的扫描设备是CT扫描仪。应理解，成像技术可以影响由系统产生的3D打印部件，因此，用于扫描3D参考体模的成像技术应当基于将用于扫描病人的成像类型来选择。通过对体模和患者扫描两者采用共同的扫描技术，成像系统然后也可以包括在质量控制过程中，这可以是优选的。尽管使用被配置为用于骨骼扫描(使用高分辨率内核)的系统可以产生比为身体成像设计的系统(其使用低分辨率内核)更高分辨率的图像，但是如果将使用身体成像策略来扫描患者，参考体模仍应由为身体成像设计的系统进行扫描。
然后从扫描设备获得的图像可以被分割、处理并输入到建模软件中。可以在建模软件中生成408 3D参考体模的模型。例如，再次，许多不同类型的建模软件可以完成创建3D模型的任务，包括UGS NX 8.0，Mimics或3-Matic。并且，分割和处理的方法可以影响模型的分辨率，因为在一些情况下，没有包裹的分割会为体模上的较小物品创建高得多的程度的几何准确度和分辨率。过多的包裹可以导致细节的丢失和各种特征中解剖尺寸的不准确表示。
然后可以将来自3D模型的信息传输到3D打印机，其中可以打印412参考体模的3D模型。可以使用许多不同型号的3D打印机来完成这部分的打印，包括MakerBot ReplicatorII打印机。相似地，可以使用不同的3D打印过程来打印参考体模的3D模型，包括SLS。可以使用具有类似于被扫描身体部位的衰减质量的聚合物材料。例如，聚合材料可以包括聚乙烯、聚碳酸酯或其他3D可印刷聚合物。这种聚合物材料可以提供与软组织相似的x射线衰减，并且可以更好地模拟扫描人体部位。应该选择模型的材料使得模型在成像过程中提供足够的对比度，并且可以通过许多不同的成像过程容易地观察体模上的结构。
一旦3D打印机打印出3D模型，可以使用卡尺或其他测量技术来测量416 3D打印参考体模和原始3D参考体模上的特征。然后评估测量418。这两个对象的测量之间的一致性表明整个系统已经过适当的校准，并且可以用于生产用于医疗应用的可接受的部件。如果对象之间的一致性落在部分的预定可接受容差之外，则可以在尝试生产可用于医疗应用的任何部分之前调整系统420。
为了进一步确保系统输出质量部件，可以执行额外的检查。然后可以在高分辨率成像设备下扫描424参考体模的3D参考体模和3D打印模型。再次，图像质量和成像技术可以基于给定部分的期望的几何准确度和空间分辨率来选择。
然后将3D参考体模的扫描图像和参考体模的3D打印模型记录428到用于生产3D打印参考体模的3D模型。用模型叠加这些图像提供了有价值的数据，以确定在该过程的几个不同区域中可以存在错误的地方。
然后可以计算432记录图像和分割模型之间的差异。使用这个数据集，可以在原始3D参考体模和基于参考体模的扫描图像创建的3D参考体模的模型之间识别差异。可以手动执行对差异的评估，或者可以通过使用自动化过程对原始3D参考体模和3D参考体模的模型成像和评估。相似地，可以使用用户评估和软件评估的组合来计算各部件之间的差异。
无论评估的具体实现如何，评估原始3D参考体模和3D参考体模的模型都可以识别在3D打印过程的建模阶段是否存在错误以及错误的程度，或错误是否是由打印部件引发的。3D模型和3D打印部件之间的差异隔离数据，是的可以观察到与仅建模过程或仅打印过程具体相关的错误。最后，可以使用3D参考体模的图像和参考体模的3D打印模型之间的比较来检查与过程400相关联的总误差。在逐点基础上计算，与整个系统相关联的最终误差可以被计算。
然后将这些测量结果与期望的容差434进行比较。如果部件满足与3D打印过程的每个阶段相关联的容差，则可以开始438临床数据集的产生，如将参考图6所描述的。如果观察到预定公差之外的值，必须调整436打印机系统以补偿这些缺陷，并且测试400必须重新开始。
参考图6，示出了用于3D打印临床数据集500的质量控制的方法。在一个非限制性示例中，正在产生的部分可以包括径向尺骨集。该过程可以通过扫描期望的临床数据集504开始，通过使用诸如CT扫描仪或MRI之类的扫描设备来获得具有感兴趣解剖结构的患者的3D体积图像。输入图像数据的质量直接影响最终模型的质量，因此可以选择诸如空间分辨率和信噪比等成像标准以产生合理可获得的最佳图像。图像质量的彻底控制在解剖学建模中起着重要作用，并且可以产生高质量图像的成像技术是优选的。
对于任何成像系统，存在多个直接影响图像质量的扫描和重建参数。因此，扫描协议应该被优化以满足3D建模的需要。例如，为了获得可接受的血管结构的模型，可以调整推注定时以分离对比增强的动脉和静脉阶段。较低的管电位(kV)可用于增加血管树中碘对比度的增强。切片厚度和重构内核对图像质量也起着重要作用。厚切片的图像可以在打印模型上产生不连续的阶梯状边界。重构内核影响图像分辨率和图像噪声两者，这些都需要基于应用程序平衡。对于具有精细细节的模型(例如颞骨模型)，例如，锐化内核更适合获得最佳空间分辨率。对于具有低对比度物体的大尺寸模型，例如肝脏病变，光滑内核更适合控制图像噪声。
可以采用不同的成像技术来辅助建模过程，从而提高最终模型的准确性。在常规CT图像中，骨和碘增强血管两者都具有高CT值并且看起来很亮。因此，分离骨骼和血管可能是一项挑战。在这种情况下，使用衰减系数的能量依赖性的双能量CT可以容易地区分这两种材料。在这种情况下，可以执行去骨过程以去除骨头，同时留下碘增强血管。当金属伪影影响图像质量时可采用相似的成像技术。
对特定身体部位进行的扫描然后可选地被分割并且可以被输入到诸如UGS NX8.0，Mimics或3-Matic的建模软件中，其中它们可以被重建508成适于打印的3D模型。为了确保3D模型准确地表示临床数据集，临床数据集的原始扫描可能与分割模型重叠512。使用这些图像和模型，3D模型和扫描之间的一致性可以在所有三个平面上被评估，并且重复这些过程或对模型进行调整，是的可以实现两者之间的最佳一致性。
一旦分割模型和原始临床数据集扫描之间的一致性得到确认，3D模型就可以作为立体光刻(STL)文件输出，发送到打印机，并在例如MakerBot Replicator II打印机或不同的型号的3D打印机上打印516。再次，可以在打印期望的临床数据集部分中使用许多不同的打印过程，例如SLS。打印后，打印头和擦拭器可以被清洁以防止堵塞。紫外灯校准也可以定期执行，以确保部件在打印机中正确生产。必要时应该执行打印机的任何其他日常维护。预防性维护也可以由技术人员在特定时间段(诸如每3500个打印小时)之后执行。磨损的印板和管道可以被更换，并且可以执行深入的工厂级校准和测试，以确保打印机的性能达到最佳状态。
模型打印完成后，可将其清洁以去除辅助材料。由于较差的清洁可以影响图像质量，因此应小心确保所有残留材料均已去除，而不会去除模型的任何结构。残留材料可以通过多种不同的方式去除。在一些实施例中，部件可通过在成品部件上喷洒水或醇基溶液来清洁。可以执行视觉检查来再次检查模型是想要的。对于涉及中空空间的模型，诸如血管模型，应特别注意确保残留物质已被去除。CT扫描可以容易地显示血管的内部结构以及是否有残留的辅助材料留在内部。另外，可以检查材料属性。在一些示例中，不同的材料可以产生不同的图像质量。在一个实验中，用两种不同材料(一个刚性，一个软性)打印的相同导管模型显示血管的不同内腔。如果长时间保存，材料完整性可以对模型起着重要作用。在由公开的方法生产的一些模型中，在模型在架子上搁置一年以上之后发生裂纹和变形。因此，如果模型在建造后使用很长时间，则应执行重新检查模型完整性。
通过使用诸如CT扫描仪之类的高分辨率扫描仪，然后可以扫描520临床数据集的3D打印模型。然后可以在3D建模软件中将3D打印模型的扫描记录524至临床数据集的3D模型。通过使用这些图像，3D打印的临床数据集和临床数据集的3D模型之间的差异可以被逐点计算528。然后可以将这些测量结果与容差530进行比较以确定打印部件是否可用于期望的医疗应用。如果测量结果超出预定的容差范围，则可以丢弃536该部件或进行适当调整以符合临床数据集的期望规格。如果部件可以被接受，部件可以用于其预期用途532。
参考图7A-7C，提供了3D参考体模和该3D参考体模的3D打印模型的比较。图7A示出了通过注塑或其他工艺生产的3D参考体模700。通过使用图4的方法，在高分辨率成像设备下扫描3D参考体模700。通过使用从扫描中获得的图像，创建3D参考体模的3D模型。通过使用该3D模型，通过3D打印机打印图7B中所示的3D打印模型702。通过使用卡尺，比较线组的尺寸的测量结果并将其映射在图7C中以确定整个打印过程的质量。测量的一致性或不一致性可以证明成像技术(重构内核)和处理技术(包裹)对模型准确度的影响。
参考图8A-8C，提供了临床数据集的比较。遵循图6的方法，其中原始患者扫描由能够扫描身体的期望部位的扫描设备拍摄。然后将图像分割并输入3D建模软件，在3D建模软件中将图像重建为3D模型800。在所有3个平面中检查患者扫描和3D模型之间的一致性。在所有3个平面中检查患者扫描和3D模型之间的一致性。图8A示出3D模型800，其表示被发送到3D模型800被打印的3D打印机的临床数据集的最终3D模型。在高分辨率扫描设备下扫描临床数据802集的打印3D模型，并在图8B中示出。设备的图像被转移到建模软件，其中将3D打印的临床数据802集的扫描与3D模型800的尺寸进行比较。然后比较两个数据集，如图8C所示，并且项目之间的测量结果差异是逐点确定的。
参考图9，已经创建了患者特定的衰减正确的肝体模900，并且提供了体模902的相关联的CT图像。由于它不符合辐射剂量标准，也不符合在CT扫描仪下反复扫描患者的成本效益，具有适当尺寸的患者特定3D打印体模900可以用作医疗应用中的有用工具。3D打印的患者特定体模900可以用于准备困难的程序，允许外科医生在执行任务之前在尺寸正确的项目上练习。
部件被生产后，可对解剖模型进行物理测量。在一些示例中，地标之间的距离可以用卡尺来测量，并且可以用量角器来测量角度。然而，这些测量有时会受到限制，并且使用成像技术来辅助验证模型可以是更适当的。可以通过使用高分辨率成像模式扫描打印的模型以避免出现额外的错误。图像可以被输入到建模软件中，分割出来，并建成一个虚拟模型。然后可以将模型记录到从患者图像中分割的模型。记录后，可以分析两个图像之间的一致性。原始模型和扫描模型之间的距离可以逐点计算并进行颜色编码，以提供最大一致性和不一致性的点的简单的识别。
对于构建为灵活模型的体模，测量阶段可能难以执行。一旦模型被构建，它们可能变形。为确保模型在扫描过程中保持原始位置，建立一些支撑结构，同时将模型置于患者体内原来的位置可以有所帮助。这样，该方法仍然可以使用。
为了确保3D打印的解剖模型正确使用和可识别，每个3D打印的解剖模型可以用唯一的标识符进行标记以追溯。在一些例子中，该部件可以用患者姓氏或诊所号码标记。此外，其他标识符可以需要标记左或右肢，或镜像解剖。所有标签都通过计算机辅助设计程序压印在解剖模型上。
参考图10，患者特定的衰减正确的肝体模1000已被创建为中空血管，并在与其相关联的CT扫描1002旁边示出。通过使用可变浓度的碘溶液，体模1000可被用于模拟不同的血管增强水平。通过使用体模1000来模拟特定患者体内存在的血管增强水平，体模与其相关联的水平可用于确定可以使用的最低辐射剂量而不牺牲诊断。允许减少患者的辐射剂量可以促进患者安全，同时允许医务人员为特定患者计划治疗计划。
患者特定3D打印体模制作的其他应用包括创建用于调制电子放射疗法的患者特定推注。使用3D打印的推注，医务人员可以确定用于放射治疗的所需剂量，其中特别是质子治疗，调强放射治疗(IMRT)和放射外科手术等。确定适当的剂量可以避免患者发生可能的过度有害辐射，再次促进患者安全，同时降低治疗成本。
使用患者特定的3D体模还可以用作质量保证工具，用于需要高准确度执行的程序，诸如质子治疗、调强放射治疗(IMRT)，放射外科手术等。使用体模允许系统在对象上多次执行过程，而不会有对患者造成伤害的危险。通过使用3D打印的患者特定体模可以允许医务人员执行一次复杂的程序，而不会有伤害患者的危险。这样做会进一步促进患者安全，因为医务人员具有更多的经验，并且还可以验证机器是否适当校准以执行期望的任务。
因此，本发明公开了在打印过程的每个阶段检查部件的方法，并且这样做确保由3D打印系统产生可接受的部件。
因此，虽然以上已经结合特定实施例和示例描述了本发明，但是本发明不一定受如此限制，并且许多其他实施例、示例、用途、修改以及对所述实施例、示例和用途的偏离旨在被所附权利要求所包含。本文引用的每项专利和出版物的全部公开内容通过引用并入本文，如同每项此类专利或出版物通过引用单独并入本文。

Claims (24)

1.一种用于执行3D打印系统的质量控制评估的三维(3D)体模，所述体模包括：
支撑基座，包括至少一个表面，所述至少一个表面包括平面；
多个正特征，从所述平面突出；
多个负特征，嵌入所述支撑基座；并且
其中所述正特征和所述负特征共同地包括几何对象和解剖对象。
2.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个正特征包括血管树结构和耳蜗结构中的一个。
3.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个正特征包括圆锥形特征。
4.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个正特征包括多个不同直径的圆柱体。
5.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个正特征包括半球形突起、锥形突起、矩形突起和六边形突起中的至少一个。
6.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个负特征包括中空半球、中空锥、中空矩形、中空六边形中的至少一个。
7.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个负特征包括多个线段集。
8.如权利要求7所述的3D体模，其中，所述多个线段集以相对于彼此不同的几何定向布置。
9.如权利要求7所述的3D体模，其中，所述多个线段集包括大致水平布置的第一线段集、大致垂直布置的第二线段集和垂直于所述第一线段集和所述第二线段集布置的第三线段集合，其中所述第三线段集延伸到所述基座部分中的深度大于所述第二线段集的深度或所述第一线段集的深度。
10.如权利要求7所述的3D体模，其中，所述多个线段集中的每一个包括多个线段组，每个线段组包括多个单独的线段。
11.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述正特征的高度和所述负特征的深度中的至少一个大致等于所述支撑基座的厚度。
12.一种用于3D打印系统的质量控制的方法，所述方法包括：
用扫描设备扫描3D参考体模，由此产生所述3D参考体模的一个或多个扫描图像；
将所述一个或多个扫描图像输入建模软件；
在所述建模软件中生成所述3D参考体模的3D模型；
在与所述建模软件通信的3D打印机上打印打印的3D体模；
将所述打印的3D体模的至少一个几何特征的大小与所述3D参考体模的对应的至少一个几何特征的大小进行比较；以及
在将所述打印的3D体模的所述至少一个几何特征的大小与所述3D参考体模的所述对应的至少一个几何特征的大小进行比较时，确定所述3D打印系统的几何准确度、分辨率和形状保真度中的至少一个。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述3D参考体模包括多个线对组。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述多个线对组包括不同大小的开口。
15.如权利要求12所述的方法，其中，所述扫描设备是CT扫描仪、微CT扫描仪、光学成像仪和x射线机中的至少一个。
16.如权利要求12所述的方法，其中，将所述打印的3D体模的所述至少一个几何特征的大小与所述3D参考体模的所述对应的至少一个几何特征的大小进行比较包括对所述打印的3D体模和所述3D参考体模进行成像；并且
创建描绘所述打印的3D体模和所述3D参考体模之间的测量差异的视觉映射。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述成像装备是CT扫描仪、微CT扫描仪、光学成像仪或x射线机。
18.如权利要求12所述的方法，其中，将所述打印的3D体模的所述至少一个几何特征的大小与所述3D参考体模的所述对应的至少一个几何特征的大小进行比较包括手动测量所述打印的3D体模的所述至少一个几何特征的大小和所述3D参考体模的所述对应的至少一个几何特征的大小。
19.一种通过使用3D打印系统生产患者特定部件的方法，所述方法包括：
用扫描设备扫描患者的身体的部位，由此产生所述患者的身体的所述部位的一个或多个图像；
将所述一个或多个图像输入至建模软件；
将所述一个或多个图像分割以形成分割的图像集；
由所述分割的图像集产生所述患者的身体的所述部位的3D模型；
用3D打印机打印所述患者的身体的所述部位的打印的3D模型；
用所述扫描设备扫描所述患者的身体的所述部位的所述打印的3D模型，由此产生所述打印的3D模型的一个或多个图像；
在所述建模软件中将所述打印的3D模型的所述一个或多个图像记录到所述3D模型；
逐点计算所述建模软件中的所述打印的3D模型的一个或多个图像和所述3D模型之间的几何差异；并且
确定所述建模软件中的所述打印的3D模型的一个或多个图像和所述3D模型之间的计算的几何差异是否在预定的容差内。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述扫描设备是CT扫描仪、微CT扫描仪、光学成像仪和x射线机中的至少一个。
21.如权利要求19所述的方法，其中，打印所述患者身体的所述部位的所述3D模型的步骤包括将患者识别信息添加到所述打印的3D模型。
22.如权利要求19所述的方法，其中，所述方法进一步包括用液体清洁所述3D打印模型的部分。
23.如权利要求19所述的方法，其中，通过用来自所述打印的3D模型的扫描覆盖所述分割的图像集来执行计算所述建模软件中的所述打印的3D模型的所述一个或多个图像和所述3D模型之间的几何差异的步骤。
24.如权利要求19所述的方法，其中，所述方法包括通过将所述建模软件中的所述3D打印模型的所述一个或多个图像与所述3D模型进行比较并且逐点比较所述图像来测试所述打印机的准确性。
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