3D 打印复杂光学模型新突破：开启近红外成像研究新篇章

《Scientific Reports》：Direct 3-D printing of complex optical phantoms using dynamic filament mixing

研究人员针对漫射光学成像（DOI）难题，用 3D 打印技术制备光学模型，验证线性混合模型，推动 DOI 发展。

　　在生物医学研究领域，漫射光学成像（Diffuse Optical Imaging，DOI）技术凭借利用非电离近红外（NIR）光来量化生物组织生理对比度的能力，在近几十年成为热门研究方向。从功能性脑成像到乳腺癌诊断，它在众多临床应用中展现出巨大潜力。然而，该技术的发展却面临着诸多挑战。

传统的光学模型制作方法存在不少问题。光学模型是确保 DOI 系统测量结果有效的关键，但以往多数制作方法由单个研究实验室发起，主要用于内部仪器性能的表征和验证以及实际 DOI 测量的校准。这些方法中，液体模型虽制作简便、速度快，但耐久性差，常需冷藏保存，难以满足长期实验需求；固体模型虽稳定性好、可重复使用，但制作过程复杂，需要精确测量颜料数量和漫长的固化过程，且易受操作人员差异影响，在不同实验室难以重复制作。此外，现有的 DOI 光学模型大多是均质的，几何形状简单，无法满足评估用于解析异质结构的 DOI 系统的需求，比如在大多数漫射光学断层扫描（Diffuse Optical Tomography，DOT）和空间频域成像（Spatial Frequency Domain Imaging，SFDI）设备中，简单几何形状的模型会导致校准误差。同时，标准化的 DOI 测量在多机构间难以实现，目前缺乏一种简单、可重复且广泛适用的光学模型制作方法。

为了解决这些问题，美国东北大学（Northeastern University）的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于开发一种新的光学模型制作技术，以推动 DOI 技术的进一步发展和应用。最终，研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用的主要关键技术方法有：首先，使用多丝 3D 打印技术，利用商用的多色混合挤出机和现成的聚乳酸（PLA）细丝，“即时” 混合吸收（灰色）、散射（白色）和半透明细丝来制作复杂的异质模型；其次，搭建标准的 3 相空间频域成像（SFDI）系统，用于测量模型的光学特性；此外，通过建立线性混合模型，并进行滴定研究来验证该模型与实际测量结果的一致性。

在研究结果部分，研究人员取得了一系列重要成果。

• 线性混合模型验证：通过 3D 打印 16 个不同混合比例的立方体模型进行滴定研究，并使用 SFDI 系统测量其光学特性。结果显示，测量得到的吸收系数（μa?）和约化散射系数（μs′?）与细丝混合比例呈现出良好的双线性关系，拟合的线性混合模型R2值较高，分别为0.97（μa?）和0.92（μs′?）。进一步打印 5 个额外的验证模型测试发现，平均误差小于 15%，这表明线性混合模型在较大的细丝混合比例范围内都能较好地成立。
• 细丝混合性能表征：设计了三个简单的基准模型，分别测试打印机在单轴方向改变混合比例、创建嵌入式结构以及二维异质结构的能力。结果表明，该方法能够实现空间可调的吸收和散射异质性，在不同打印段之间产生明显的颜色过渡，且在每个编程的混合比例设置下，都能产生相对均匀的光学特性。
• 复杂形状异质模型制作：从 Digimouse 图谱中设计并打印了一个模拟小鼠头部和躯干的模型，该模型包含三种不同的组织类型，通过调整细丝混合比例来模拟不同组织的光学特性。同时，还设计了一个 DOI 质量保证（QA）模型和一个更复杂的 DOT 模型，这些模型展示了该技术在创建具有复杂 3D 形状和空间变化光学对比度模型方面的能力。

在研究结论和讨论部分，此次研究成果意义重大。研究人员成功开发了一种高度通用的方法，可设计并直接 3D 打印具有任意复杂性和 3D 形状的复杂异质 DOI 光学模型。该方法使用商用细丝和现成的 3D 打印机，成本低且易于在不同实验室推广。线性混合模型的假设得到了实验验证，为定量调整光学特性提供了理论依据。多种复杂模型的设计展示了该技术的多功能性和易编程性。尽管目前的打印机和样本存在一些小缺陷和稳健性问题，但随着细丝混合打印机和挤出机的不断发展，这些问题有望得到解决。此外，该研究为近红外（NIR）成像或光谱系统的表征、交叉验证、比较和标准化提供了有力支持，促进了 DOI 研究领域的可重复性研究和数据共享。

总的来说，这项研究为 DOI 技术的发展带来了新的突破，为生物医学光学成像领域开辟了更广阔的研究前景，有望推动相关临床应用的进一步发展。