低剂量CT技术实现颌面骨3D打印辐射剂量优化的可行性

doi:10.12307/2026.557

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (6): 1384-1389.doi: 10.12307/2026.557

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低剂量CT技术实现颌面骨3D打印辐射剂量优化的可行性

李冠1，王昊鹏2，王金宝2，宋馨昊1，秦国初1，邵扬3

1南京大学医学院附属鼓楼医院医学影像科，江苏省南京市 210008；北部战区总医院，2放射诊断科，3口腔科，辽宁省沈阳市 110000

收稿日期:2024-09-06 接受日期:2025-02-11 出版日期:2026-02-28 发布日期:2025-07-14
通讯作者: 邵扬，硕士，副主任医师，北部战区总医院口腔科，辽宁省沈阳市 110000
作者简介:李冠，男，1984年生，汉族，辽宁省沈阳市人，博士后，副主任医师，主要从事低剂量CT技术及3D打印方面的研究。

Feasibility of optimizing radiation dose for three-dimensional printing of the maxillofacial bone based on low-dose CT technology

Li Guan1, Wang Haopeng2, Wang Jinbao2, Song Xinhao1, Qin Guochu1, Shao Yang3

1Department of Radiology, Nanjing Drum Tower Hospital, Affiliated Hospital of Medical School, Nanjing University, Nanjing 210008, Jiangsu Province, China; 2Department of Radiology, 3Department of Stomatology, General Hospital of Northern Theater Command, Shenyang 110000, Liaoning Province, China

Received:2024-09-06 Accepted:2025-02-11 Online:2026-02-28 Published:2025-07-14
Contact: Shao Yang, MS, Associate chief physician, Department of Stomatology, General Hospital of Northern Theater Command, Shenyang 110000, Liaoning Province, China
About author:Li Guan, PhD, Associate chief physician, Department of Radiology, Nanjing Drum Tower Hospital, Affiliated Hospital of Medical School, Nanjing University, Nanjing 210008, Jiangsu Province, China

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
3D打印：也称为增材制造，是一种基于数字模型文件，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。它使用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层堆叠的方式构建三维实体。
低剂量CT技术：是相对于常规CT扫描而言的一种CT检查，即通过降低管电压或管电流、增加螺距、新型探测器材料、图像重建算法等方法，在图像质量满足诊断的同时，降低CT辐射剂量，从而减少辐射暴露。

背景：颌面骨3D打印技术已被广泛应用于临床诊疗中，但行颌面骨3D打印前的数据源主要来源于医用CT机扫描后所生成的数据，因人体晶状体、甲状腺等部位对X射线极为敏感，因此有效降低数据源获取时的CT辐射剂量显得尤为重要。
目的：探究低剂量CT技术应用于颌面骨3D打印辐射剂量优化的可行性。
方法：回顾性收集2021年3月至2023年12月北部战区总医院口腔科行颌面骨3D打印的病历资料65例，分为常规CT剂量3D打印组(常规CT剂量，120 kVp、自动管电流调制，n=32)和低CT剂量3D打印组(低CT剂量组，80 kVp、自动管电流调制，n=33)。计算并比较常规CT剂量组和低CT剂量组的辐射有效剂量；采用李克特量表法对两组3D打印的质量进行评价，评价者之间的测量偏差和一致性程度采用Bland-Altman图法。
结果与结论：①两组患者的一般人口学特征(年龄、身高、体质量、性别及体质量指数)相比差异无显著性意义(均P > 0.05)；②低CT剂量组的辐射有效剂量值(0.3±0.1) mSv较常规CT剂量组(0.8±0.1) mSv降低约62.5%；③常规CT剂量组和低CT剂量组的3D打印质量主观评分相比差异无显著性意义(均P > 0.05)；评价者间的主观一致性较好，Kappa值分别为0.85，0.80和0.76；两组方案的Bland-Altman图散点均在标准差线内均匀分布，说明两组一致性好；④提示低剂量CT技术可有效应用于颌面骨3D打印中，在不影响颌面骨3D打印质量的同时可有效减少辐射剂量。
https://orcid.org/0000-0002-3353-993X(李冠)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: 低剂量, 计算机断层扫描, 3D打印, 颌面骨, 辐射剂量优化

Abstract: BACKGROUND: Maxillofacial bone three-dimensional (3D) printing technology has been widely used in clinical diagnosis and treatment, but the data source before performing maxillofacial bone 3D printing mainly comes from the CT scanning data. The lens, thyroid and other parts of the human body are extremely sensitive to X-rays; therefore, it is particularly important to effectively reduce the dose of CT radiation when acquiring the data source.
OBJECTIVE: To explore the feasibility of low-dose CT technology in optimizing radiation dose for maxillofacial bone 3D printing.
METHODS: The medical records of 65 patients who underwent maxillofacial bone 3D printing in the Department of Stomatology at the General Hospital of Northern Theater Command from March 2021 to December 2023 were retrospectively collected and categorized into a conventional CT-dose 3D printing group (conventional CT-dose, 120 kVp, automated tube current modulation, n=32) and a low-CT-dose 3D printing group (low-CT-dose group, 80 kVp, automated tube current modulation, n=33). The effective dose of radiation was calculated and compared between the two groups. A Likert scale was used to evaluate the quality of 3D printing in the two groups, and the measurement bias and consistency between evaluators were measured using the Bland-Altman method.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was no significant difference in the general demographic characteristics (age, height, weight, body mass, sex, and body mass index) between the two groups (all P > 0.05). (2) The effective dose value of the low CT-dose 3D printing group was (0.3±0.1) mSv, which was about 62.5% lower than that in the conventional CT-dose 3D printing group [(0.8±0.1) mSv]. (3) There was no significant difference in the subjective scoring of 3D printing quality between the two groups (all P > 0.05). The subjective consistency among evaluators was good, with Kappa values of 0.85, 0.80, and 0.76. The scatter points in the Bland-Altman for both protocols were uniformly distributed within the standard deviation line, indicating good consistency between the two groups. To conclude, low-dose CT technology can be effectively applied in maxillofacial bone 3D printing, reducing radiation dose without affecting the quality of 3D printing.

Key words: low-dose, computer tomography, 3D printing, maxillofacial bone, radiation dose optimization

中图分类号:

李冠, 王昊鹏, 王金宝, 宋馨昊, 秦国初, 邵扬. 低剂量CT技术实现颌面骨3D打印辐射剂量优化的可行性[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1384-1389.

Li Guan, Wang Haopeng, Wang Jinbao, Song Xinhao, Qin Guochu, Shao Yang. Feasibility of optimizing radiation dose for three-dimensional printing of the maxillofacial bone based on low-dose CT technology[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(6): 1384-1389.

图/表（结果） 5

参考文献

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引言

材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计单中心、回顾性对照试验，组间比较采用独立样本t检验、配对样本t检验。
1.2 时间及地点试验于2021年3月至2023年12月在北部战区总医院口腔科完成。
1.3 对象回顾性收集2021年3月至2023年12月在北部战区总医院口腔科行颌面骨3D打印的患者资料65例，根据CT剂量分为2组：常规CT剂量3D打印组(常规CT剂量组，n=32)和低CT剂量3D打印组(低CT剂量组，n=33)。管电压：常规CT剂量组采用120 kVp，低CT剂量组采用80 kVp；管电流：两组均采用自动管电流调制技术(80-450 mA)。两组患者的一般人口学特征(年龄、身高、体质量、性别及体质量指数)相比差异无显著性意义(均P > 0.05)，具有可比性。
纳入标准：①确诊为颌面骨骨折、颌骨缺损修复、颌骨畸形等疾病且行颌面骨3D打印者；②3D打印前均行颌面骨CT检查者。
排除标准：①因金属置入导致CT检查较大伪影者；②患有严重心脑血管疾病及危重症患者不能耐受CT检查者；③婴幼儿、老年人及孕妇。
此次研究方案经过北部战区总医院伦理委员会批准(批号：2022DZGZR-075)，患者及家属对治疗方案均知情同意并签署知情同意书。
1.4 方法
1.4.1 颌面骨3D打印前DICOM数据获取两组患者均采用Discovery CT 750HD扫描仪(GE Healthcare，Milwaukee，USA)进行颌面骨CT DICOM数据获取，且由技术组同一组技术员所完成。检查前头部固定，扫描范围从下颌至上眼窝。两组均采用自适应统计迭代重建算法。前期研究报道中，采用50% 自适应统计迭代重建算法进行颌面骨CT扫描[23]。其他扫描参数如下：扫描架旋转时间0.5 s，螺距0.984∶1，准直宽度40 mm，扫描视野25 cm，重建层厚0.625 mm。
1.4.2 颌面骨DICOM数据客观评价在GE AW4.6后处理工作站上，完成感兴趣区的选取。选取原则：①选取同一种靶物质的CT值，如下颌骨、咬肌；②感兴趣区大小为1.00 cm2；③保证感兴趣区的测量位置为相同层面(图1)。咬肌的标准差(standard
deviation，SD)作为背景噪声。根据公式计算信噪比和对比噪声比：信噪比=CT下颌骨/SD咬肌；对比噪声比=CT下颌骨-CT咬肌/SD咬肌。

1.4.3 颌面骨3D打印辐射剂量记录两组所有患者行CT扫描后所获得的容积CT剂量指数(CT dose index volume，CTDIvol)和剂量长度乘积。根据辐射有

效剂量计算公式，有效剂量=剂量长度乘积×k，k为转换因子，k=0.002 1 mSv/(mGy·cm)[24]。

1.4.4 颌面骨3D建模和3D打印将两组所有患者的CT DICOM数据分别导入可视化3D建模软件(Visual 3D Medical Technology Development Co.，Ltd.，VISUAL，China)。采用“可视化边缘检测”和“自动分割”功能对靶器官和组织进行感兴趣区提取，对于无法自动识别和分割的靶器官和组织，采用手工勾画感兴趣区的方法进行提取。对提取的靶器官和组织分别进行“膨胀”“腐蚀”和“平滑”功能处理，并将结果保存为立体光刻文件。将立体光刻文件分别导入至“V3D场景编辑”进行透明度、明亮度、对比度及色度等调节，并对3D建模结果进行旋转、隐藏、缩放、移动等功能检测，最终生成V3D格式文件(图2)。

将V3D格式文件导入至快速成型3D打印机(Raise3D Pro3 Plus HS，Fuzhi Information Technology Co.，Ltd，China)进行3D打印，采用熔丝制造技术，电动双喷头挤出系统，打印速度为300 mm/s，打印材料选用生物降解塑料聚乳酸。材料参数选择如下：精度0.2 mm，模型填充度20%，需要模型支架，喷头温度200-230 ℃，底板温度0 ℃，进行模型与实体1∶1打印。打印完成后等待冷却，再将打印模型从机器中取出，使用清水进行清洗。
1.4.5 颌面骨3D打印质量主观评价在不知晓具体分组情况下，由6名口腔颌面外科医生(2名高级、2名中级和2名初级)对两组患者的3D打印模型质量进行评价，采用李克特量问卷调查表法[9]。3D打印质量的主要评价指标，包括“清晰度、完整度和准确度”[25]：①清晰度：指3D打印模型(包括病变)的清晰程度和显示细微结构的清晰程度；②完整度：指3D打印模型(包括病变)的解剖结构完整性；③准确度：指3D打印模型解剖关系及显示病变大小、形态及位置的准确性。评分标准如下：1分，极差，3D打印模型显示不清，大部分缺失，准确度极差；2分，差，3D打印模型显示欠清，小部分缺失，准确度差；3分，良好，3D打印模型显示良好，无明显缺失，准确度良好；4分，非常好，3D打印模型显示佳，无缺失，准确度佳。评分≥3分为3D打印模型满足临床诊治的要求。
1.5 主要观察指标两组患者的一般人口学资料、辐射剂量、CT DICOM数据质量及3D打印模型质量。
1.6 统计学分析采用统计学软件SPSS 19.0进行统计学分析。计数资料采用例数和百分比[n(%)]表示，计数资料比较采用χ2检验，等级资料采用Wilcoxon检验。计量资料采用 x±s表示，符合正态分布的数据采用参数检验，不服从正态分布的采用非参数检验；采用独立样本t检验对两组患者一般资料、辐射剂量指标进行分析；两组患者3D打印质量的主观评分采用Mann-Whitney U检验。2名评价者的主观一致性评价采用Kappa检验，评价者之间的测量偏差和一致性程度采用Bland-Altman法。P < 0.05认为差异有显著性意义。统计学方法已经南京大学医学院附属鼓楼医院生物统计学专家审核。

讨论

颌面骨3D打印技术可使医生更直观、准确地掌握病变，从而降低手术的复杂程度。由于颌面骨3D打印前的数据源获取主要来自于医用CT机扫描后生成的DICOM数据，根据国际上公认的“合理可能尽量低”原则，在保证3D打印DICOM质量的同时，应尽可能为患者降低CT检查所带来的辐射剂量[26-29]。
此次研究首次将低剂量CT技术应用于颌面骨3D打印中，结果证实低剂量CT技术可有效减少颌面骨3D打印前数据源的辐射剂量(约62.5%)，最终结果对颌面骨3D打印质量无显著影响。
前期研究结果表明，DICOM数据的质量可直接影响3D打印模型的质量[25]。因此采用较高的CT扫描条件(如增加管电压、管电流值、曝光量、扫描时间等)可获得较好的DICOM数据质量(具有更高的图像分辨率、信噪比及更低的噪声等)，然而采用较高的CT扫描条件会对患者带来更多的CT辐射剂量危害。近年来，低剂量CT技术已被广泛应用于临床，低剂量CT技术的主要方法有降低管电压、降低管电流、缩短曝光时间、增大螺距及应用迭代重建算法等[30-36]。由于辐射剂量与管电压的平方成正比，与管电流成正比，因此降低管电压可大幅度减少辐射剂量[37]。同时，管电流采用自动管电流调制技术，可以根据不同组织的厚度自动调节管电流，研究证实自动管电流调制技术可降低CT辐射剂量的15%-50%[38]。此次研究结果显示，发现低CT剂量组的背景噪声(SD)显著高于常规CT剂量组(P < 0.001)，这是由于降低管电压后，会导致DICOM数据噪声的增加[39]；而最终两组3D打印的质量无明显差别，分析其原因是因为应用的自适应统计迭代重建算法是一种以滤波反投影法获得的图像为基础进行迭代重建以优化图像质量的混合算法，可在不影响图像质量的情况下将CT辐射剂量降低32%-65%[40-41]。此次研究结果表明，低CT剂量组的CT剂量指数、剂量长度乘积和有效剂量值分别较常规CT剂量组减少约59.0%，60.0%和62.5%，且最终两组的颌面骨3D打印模型质量无显著差别。
此次研究中选取6名不同年资的口腔科医师(2名初级、2名中级和2名高级职称)对两组方案完成的颌面骨3D打印质量进行主观打分，结果发现常规CT剂量组和低CT剂量组在清晰度、完整度及准确度指标上未见明显差异(P > 0.05)，进一步论证了低剂量CT技术在颌面骨3D打印中应用的可行性。此外，此次研究中完成颌面骨3D建模时间约45 min，最终实现颌面骨3D打印时间约18 h。因此，通过打印前的3D建模预判，可有效降低3D打印的失败率，减少3D打印时间及材料的浪费。口腔颌面锥形束CT尽管已用于颌面骨3D打印前的数据源获取，虽然辐射剂量低于常规CT，但在成像范围和DICOM数据清晰度上较常规CT略显不足。且大多数锥形束CT常安装于口腔专科医院，在使用上存在一定的局限性，因而此次研究选用常规CT进行探究，以便更广泛地应用推广。此次研究选用传统的Kappa分析来论证评价者之间的一致性，选用Bland-Altman差异分析图法来论证两种方法的一致性及可重复性评估，从而实现双重验证确保主观评价的可靠性。
此次研究尚存在一定的局限性：第一，研究入组的样本量较小；第二，尚缺少不同迭代重建算法及不同迭代权重的结果比较；第三，尚缺乏常规CT与锥形束CT的比较研究；第四，由于目前尚无对颌面骨3D打印质量的客观量化评价指标，仍需进一步获取和评估；最后，此次研究尚未考虑到其他影响因素对3D打印质量的影响，如打印方法、打印材料、软硬件和技术人员熟练度等。这些问题将在今后的研究中进一步讨论。
总之，低剂量CT技术可有效应用于颌面骨3D打印前数据源的获取，在保证3D打印质量的前提下，可有效减少数据源获取时所带来的辐射剂量问题，打消患者行颌面骨3D打印时对辐射剂量的担忧。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

低剂量CT技术实现颌面骨3D打印辐射剂量优化的可行性

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