可扩展的 DICOM 3D 打印幻影，模拟海洋哺乳动物的骨骼和软组织

为什么一个假海狮很重要

从海洋水族馆到救援中心，兽医要照顾可能生病、受伤或被有害藻华毒害的加州海狮。给这些强壮且敏感的动物抽血对诊断至关重要，但在活体患者身上安全学习很困难。该研究描述了研究人员如何将医学扫描数据转化为栩栩如生的 3D 打印模型——或称“幻影”——再现海狮髋部区域。该幻影在手感和行为上都接近真实组织，为受训者提供了逼真的练习工具，并为动物与人类的新型医疗模型指明了方向。

将扫描转换为实体形状

团队以美国海军海洋哺乳动物计划提供的一只真实加州海狮的详细 CT 和 MRI 扫描为起点。这些以标准 DICOM 医学格式存储的扫描显示了组织中每个小体积的密度，从柔软的脂肪到坚硬的骨骼。研究人员使用专门软件对图像进行“分割”，根据扫描中的亮度将骨骼和软组织分离出来。随后他们清理并平滑数字模型，裁去检查台和其他杂物，并将骨架拆分为实用的部分，如腿、鳍和骨盆与脊柱。最终得到的是一个解剖学上忠实的下半身数字模型，特别关注常用于采血的区域，即髋骨后方的位置。

从内到外构建分层身体

研究人员没有制作单一的实心块，而是将幻影设计为四个模拟真实解剖的独立层次：骨骼、肌肉、脂肪层和皮肤。骨骼形状直接导出为可 3D 打印的文件，并用高分辨率立体光刻打印机按缩放比例打印。围绕身体设计了一个柔性的外壳，将其掏空以形成腔体，并在顶部开裂以便插入骨骼和软组织。这个外壳具有双重作用：既作为幻影可见的“皮肤”，又作为浇注内部凝胶的模具。像尾椎和鳍窝这样的天然骨性标志被保留，使骨骼能够在壳内精确对位，重现临床人员通过触摸依赖的真实触感标志。

让假组织触感逼真

为捕捉海狮真实组织在针刺或手压下的变形行为，团队采用了一类透明且可重复使用的医用明胶。这些凝胶分为从很硬到很软的若干等级。研究人员使用动态机械分析仪以受控方式压缩小块凝胶样本，测量其在反复加载下的刚度和能量损失，类似于按压和释放活体组织。通过将这些测量结果与已知的海狮脂肪、肌肉和骨骼特性进行比较，他们为每一层选择了特定凝胶：靠近骨骼的较硬凝胶用以模拟坚韧的结缔组织，较软的凝胶用于肌肉，中间硬度的凝胶用于厚重的脂肪层。骨架选用既坚固又略有柔性的塑料树脂，而透明、富有弹性的树脂则构成外皮，使内部骨骼在练习时仍可见。

从数字模型到可用幻影

在材料与几何形状确定后，研究人员逐步组装幻影。首先打印骨骼并将其浸入一种坚实的凝胶中，以表现关节附近的肌腱和紧密结合的肌肉。透明的皮肤外壳另行打印。然后他们计算不同缩放比例下壳内部脂肪和肌肉空间的体积，以确定需要熔化并浇注的凝胶量。在真空烘箱和冰浴中控制气泡与冷却后，他们沿壳壁浇注脂肪层，将骨架放置到精确位置，最后用软肌肉凝胶填充剩余空间。固化一天后，他们通过轻微加热抛光外露表面，使其光滑同时不致变形外壳。完成的模型与原始 3D 渲染高度吻合，在操作过程中保持良好，使用者既能触摸也能看到内部结构。

这对培训及更广泛应用的意义

对于受训者来说，这个海狮幻影提供了一种逼真的方式来练习寻找骨性标志并在正确位置插针，而无需危及活体动物。由于工作流程以常规医学影像为起点，它可以调整用于其他体位、其他物种，甚至人类患者。该研究还表明，基于影像的设计和经过仔细测试的软材料能够足够再现活体组织，用于培训，并有潜力用于软体机器人装置或定制植入物。简言之，研究人员展示了一套实用方案，将数字解剖转化为可触摸、可扩展的模型，把临床或海上救援中心的触感带入实验室或课堂。

引用: Fisher, D., Minaian, N., McClain, A. et al. Scalable DICOM 3D-printed phantoms mimicking marine mammal bone and soft tissue. Sci Rep 16, 5929 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36154-5

关键词: 3D 打印幻影, 加州海狮, 兽医培训, 医学影像, 组织模拟凝胶