直写式3D打印技术降低MRI线圈成本超99%，性能反超商用产品

南加州大学（USC）科研团队近期在增材制造领域取得突破，成功利用3D打印技术制造出可针对婴幼儿个体定制的柔性MRI线圈。单个线圈打印耗时不到10分钟，成本约30美元。相关研究由USC维特比工程学院与马克与玛丽·史蒂文斯计算学院的研究人员共同完成，成果发表于《自然·通讯》。

MRI线圈是放置在人体表面用于检测组织射频信号的专业天线，用来拾取MRI机器产生的信号。线圈跟扫描区域贴得越紧，图像就越清晰。目前商用线圈每套成本在1万至5万美元之间。 这类线圈制造工艺复杂，且普遍采用按成人尺寸设计的通用规格，限制了与不同解剖结构的贴合度，进而降低了成像质量。 目前标准线圈按成人尺寸制造，应用于婴幼儿时，线圈表面与皮肤之间会产生间隙，削弱信号捕获能力；这些线圈最初为成人设计而后缩小尺寸，常常无法适应成长中婴儿快速变化的解剖结构，在某个阶段合身的设备，可能几个月后随着孩子成长就不再合适。 过去想给小孩配定制设备，价格能到几千美元，生产周期拖到几个月甚至几年，可小孩几周体型就变了，根本等不起。核心工程挑战在于寻找一种兼具高导电性和柔韧性的材料——行业标准铜是刚性的，而大多数柔性替代品则牺牲了导电性。

为破解这一难题，南加州大学维特比工程学院Ming Hsieh电气与计算机工程系及生物医学工程系助理教授Yasser Khan，与电气与计算机工程教授Krishna Nayak共同主导了该项目。 Khan的实验室设在USC的Michelson中心——一个专注交叉生物科学的研究中心，负责设计和3D打印这些线圈。 项目将Khan实验室在柔性可穿戴电子上的积累，与Nayak领导的动态成像科学中心（DISC）配对；DISC拥有一套独特的MRI系统，专门研究身体运动状态下的成像方法。 团队成员包括学生研究员、博士生Félix Muñoz和研究助理教授Ye Tian。 临床指导来自南加州大学凯克医学院儿科与放射学副教授、洛杉矶儿童医院心血管MRI主任John Wood；他在儿童心脏成像上经验丰富，也包括实时胎儿心脏成像，帮助判断这项技术最该往哪个方向用。

Khan表示：「通过让定制化MRI设备的生产变得更快、更经济，我们有望为那些传统上选择较少的患者，尤其是婴幼儿，带来更好的成像质量。 我们正在将目前MRI领域尚不具备的精度和定制化水平带入现实。」

团队花了大约三年时间开发这一打印工艺，把导电银墨水3D打印到柔软、类橡胶的热塑性聚氨酯（TPU）基底上。 这种材料很软，能拉伸，手感接近人的皮肤；热塑性弹性体可拉伸5%到10%，使线圈能够随身体弯曲和移动，而不是硬邦邦地贴在那儿。该材料能达到固态铜约95%的信号效率，同时保持与人体皮肤自然弹性高度匹配的柔韧性。在确定银墨和弹性体搭配前，团队试过不少柔性材料、塑料和可打印金属，还自己做了连接现有MRI硬件的电子元件。

线圈采用标准Gerber文件设计，与电路板制造中使用的数字格式相同，尺寸在电脑上就能调整，改完几乎马上可以重新打印，不用等厂家制造新的物理部件。 生产使用Voltera NOVA直写式打印机自动化完成，单个线圈仅需8分钟即可打印完成，省去了传统线圈制造中手工装配的高成本和长生产时间。 尽管银是贵金属，但每个线圈所需银量极少，因此耗材成本很低。

在手腕成像测试中，这些3D打印线圈阵列相比商用线圈提供了约四倍高的对比度和五倍高的锐度；图像分辨率上同样高出四倍。这套传感器在Michelson中心的专业成像设备上，还表现出捕捉快速运动结构的潜力，比如跳动的心脏。

John Wood将该技术描述为「游戏规则改变者」，可用于检测儿童和婴儿中未确诊的疾病。 「婴儿的心脏可能只有核桃大小。」他说。 标准不可定制设计无法提供所需的精确度；新平台使定制化变得快速且经济实惠。 Khan补充：「对于一个成长中的孩子，这可能意味着随着身体的变化制造不同的线圈。 我们的目标是让孩子们能够使用专为他们身体设计的成像设备，这样医生就能在他们成长的过程中获得尽可能清晰的图像。」 Nayak认为儿科肺部成像将是首个临床应用，其他目标包括腕部损伤、支气管肺发育不良监测、吞咽功能评估以及新生儿胃肠道评估。 「一切都从信号开始，」Wood强调，更强的信号捕获能力可以提升多种疾病的诊断准确性。 由于线圈价格低廉且兼容低成本便携工具，该技术也为在全球农村及资源有限地区扩展高质量MRI的可及性开辟了道路。

Khan表示：「我们需要让不同想法碰撞的环境。 如果没有MRI设备的使用机会，以及与心脏病专家、放射科医生和成像科学家的交流，这个项目不可能实现。 当你把这些专业知识汇聚在一起，就能解决我们任何一个人都无法独自解决的问题。」 Khan还表示，团队的下一步是患者测试。

USC团队的工作属于更广泛的努力范畴，增材制造正开始在医疗硬件领域挑战传统制造模式。 厦门大学的研究人员曾使用3D打印制造射频探头，用于常规及非常规MR实验，尽管存在一定的导电性折衷，但打印探头实现了更高的信噪比。 在更广泛的医疗硬件领域，3D Systems展示了床边增材制造如何将工程师、外科医生与制造环节整合到医院内部——在巴塞尔大学医院生产了世界上首个符合MDR标准的3D打印面部植入物，与传统异地生产相比，减少了治疗延误、提高了精度并降低了成本。

USC这次的传感器，是儿科医疗器械研究里一个新模式的例子：这个模式重新设计制造流程本身，让设备直接围着儿童的身体结构来做。 用这种方式做出来的集成传感器儿科设备，在3D打印研究里其实不算新鲜。 英国林肯大学之前做过一个3D打印的假肢手臂，用传感器驱动，面向两岁以下幼儿，直接根据儿童前臂的3D扫描来制造，省掉了传统接受腔建模那种耗时的石膏取模过程。 这个思路和USC很像，都是用快速个性化的数字化制造，取代缓慢又通用的制造方式。 更接近的还有伦敦大学学院的研究人员，他们做过一个很小的3D打印传感器，用来测新生儿的脑反应。 这个设备设计得对婴儿脸部很安全，还在出生才几天的婴儿身上实际测试过。 和USC的线圈一样，这种设备需要非常精细的制造精度，传统标准方法很难做到。 这些项目放在一起，能看到一个稳定的趋势：只要遇到患者体型太小、现有设备套不上的情况，3D打印越来越成为研究人员最先想到的工具。