等效組織材料聚氯乙烯的醫(yī)學成像特性

賀瑤瑤，汪立文，孫哲，徐志康，鄭鳳蓮，石麗婷，袁子龍，孫勇，邱建峰

1.山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）醫(yī)學工程技術(shù)研究中心，山東泰安271016；2.Imaging-X 聯(lián)合實驗室，山東泰安271016；3.山東第一醫(yī)科大學（山東省醫(yī)學科學院）放射學院，山東泰安271016；4.廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東廣州510016；5.湖北省腫瘤醫(yī)院放射科，湖北武漢430079

前言

等效組織材料可應(yīng)用于治療臨床疾病，醫(yī)療器械的研發(fā)與生物醫(yī)學研究等領(lǐng)域［1-2］。計算機斷層掃描（Computed Tomography,CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）和超聲均可用于等效組織材料成像［2］。等效組織材料種類多樣，包括生物大分子材料和化學合成材料。然而，生物大分子材料（瓊脂、瓊脂糖、明膠等［3-4］）含水量較多，易于蒸發(fā)和細菌滋生，導(dǎo)致材料不能長時間儲存［1］。聚氯乙烯樹脂（Polyvinyl Chloride,PVC）是一種常見的化學合成聚合物，具有耐菌性、穩(wěn)定耐用、制造簡單且成本低廉的優(yōu)點［5-6］。同時PVC的光學透明性和硬度與真實組織更接近，具有理想的彈性模量范圍［1-2,5］，但因含水量少，與人體組織存在一定程度的差異［2］。等效組織材料的穩(wěn)定性和可重復(fù)性測量，可實現(xiàn)對材料的重復(fù)利用，既可靠又方便［1］。本研究旨在探討不同PVC-對苯二甲酸二辛酯（Dioctyl Terephthalate,DOTP）混合比與X線衰減系數(shù)、CT值和MRI弛豫時間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 材料

PVC 是一種常見的化學合成聚合物，為白色無定形結(jié)構(gòu)粉末，分子式為（CH2-CHCL）n，對熱和光的穩(wěn)定性較差，實際應(yīng)用中需要加入增塑劑提高對光和熱的穩(wěn)定性［7］。DOTP具有耐熱耐寒，可改變PVC材料柔韌性等優(yōu)點，適用于作為PVC的增塑劑［8］。

1.2 樣品準備

選擇11 組不同的PVC-DOTP 混合比，制備一系列的PVC 聚合物樣品，混合比的范圍是8.0×10-2～23.2×10-2g/mL，間隔在1.4×10-2～1.7×10-2g/mL 之間。在制備過程中，PVC混合物邊加熱邊緩慢攪拌，同時加熱時間不宜過長，否則可能會改變材料的性質(zhì)［5］。待PVC 聚合物變得澄清透亮、無氣泡時，停止加熱，并冷卻到室溫，待PVC聚合物樣品固化（直徑為5.5 cm、高為3.0 cm的圓柱形狀），如圖1所示。

1.3 圖像的采集與分析

使用CT（CT-CC-12,80 kV,100 mA）和3.0T MR（Siemens Magnetom Verio）設(shè)備采集圖像。MRI采集參數(shù)如表1 所示。隨機選擇PVC 樣品圖像中的多組感興趣的區(qū)域，重復(fù)測量CT值和MRI弛豫時間。

1.4 X線衰減系數(shù)的測量

基于Lambert-Beer 定律和單能窄束X 線的衰減規(guī)律計算線性衰減系數(shù)（忽略散射和背景輻射）［9］，在不同電壓（40～120 kV）下，使用放射性測定掃描儀（X線機劑量檢測儀）先測量X 線初始強度（I0），再分別測量X 線透過5 組PVC 聚合物樣本之后的強度（I），基于單能窄束X 射線的衰減規(guī)律等式計算X 線衰減系數(shù)：

圖1 不同混合比PVC樣品Fig.1 Polyvinyl chloride(PVC)samples with different mixture ratios

表1 MRI采集參數(shù)Tab.1 MRI parameters in the study

其中，I0和I分別是X線入射到PVC樣本表面和到達厚度為d處的輻射強度，d為樣品厚度，通過等式計算PVC聚合物樣品在不同電壓下的衰減系數(shù)u。

2 結(jié)果

2.1 測量PVC樣品的CT值

根據(jù)11組樣品不同混合比與對應(yīng)的CT值數(shù)據(jù)，使用SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，建立回歸模型，如圖2所示。由圖2可知，在一定范圍內(nèi)，隨著混合比的增大，CT值也呈線性增大趨勢。由圖2可得，PVC 和DOTP 的混合比與CT 值曲線擬合呈線性相關(guān)，函數(shù)表達式：

2.2 測量PVC樣品的MRI弛豫時間

圖2 不同混合比PVC和DOTP與CT值的關(guān)系Fig.2 Relationship between CT number and different PVCDOTP mixture ratios

PVC 樣品的弛豫時間如圖3 和圖4 所示。由圖3 和圖4 可知，PVC 和DOTP 混合比在8.0×10-2～23.2×10-2g/mL 范圍內(nèi)，T1弛豫時間的波動較小，T1隨著混合比的增大而變大的趨勢不明顯；T2弛豫時間變化比較明顯，T2隨著PVC-DOTP 混合比的增大而減小。

圖3 PVC和DOTP在不同混合比下與弛豫時間常數(shù)T1的關(guān)系Fig.3 Relationship between T1 relaxation time and different PVC-DOTP mixture ratios

圖4 PVC和DOTP在不同混合比下與弛豫時間常數(shù)T2的關(guān)系Fig.4 Relationship between T2 relaxation time and different PVC-DOTP mixture ratios

2.3 測量PVC樣品X線衰減系數(shù)

5 組PVC 聚合物樣品在不同電壓下的X 線衰減系數(shù)如圖5 所示。由圖5 可知，在相同的低電壓（40～70 kV）下，同一能量級PVC 聚合物X 線衰減系數(shù)隨著PVC-DOTP混合比的增大而變大。但隨著電壓的增大（70～120 kV），不同混合比樣品的衰減系數(shù)無明顯變化。

圖5 PVC和DOTP在不同混合比下X線衰減系數(shù)與電壓的關(guān)系Fig.5 Relationship between X-ray attenuation coefficient and voltage in different PVC-DOTP mixture ratios

3 討論

等效組織材料是醫(yī)用體模的重要組成成分之一，廣泛應(yīng)用于臨床實驗?zāi)M操作和生物醫(yī)學研究［10-11］，有利于外科醫(yī)生、護士練習臨床技能和改進相關(guān)疾病治療手段［2,12］。如Singhrao等［13］構(gòu)造的三維頭頸體模有助于多模態(tài)驗證；Chang等［14］構(gòu)造的可形變肺部體模可模擬呼吸運動。同時，組織模擬材料可用于臨床工具的設(shè)計和性能的評估［5,15］，以及校準成像設(shè)備和新成像方法的開發(fā)［1］，如模擬人體組織介電特性的介電材料用于分析磁共振電特性斷層成像技術(shù)成像的清晰度和算法準確性［16］。醫(yī)用體模根據(jù)模擬真實組織的醫(yī)學成像特性（如X線衰減系數(shù)、CT值和MRI弛豫時間）選擇不同的等效組織材料，有助于體模提供與人體組織相同或相似、可調(diào)控的X射線衰減規(guī)律、CT值和MRI信號強度等。本研究基于不同PVC-DOTP混合比的PVC聚合物的醫(yī)學成像特性（X 線衰減系數(shù)、CT 值和MRI 弛豫時間）進行實驗探究。

基于生物大分子材料（如瓊脂糖）制作的體模，如Zhang等［17-18］基于瓊脂糖制作的3D打印胸部體模和多模態(tài)鼠模，保質(zhì)期短致使測量參數(shù)不穩(wěn)定，并且在圖像引導(dǎo)的穿刺摩擦力測量實驗中發(fā)現(xiàn)瓊脂糖和明膠材料具有脆性［2］。基于PVC的等效組織材料由PVC粉末和增塑劑合成［19］。通過調(diào)整PVC-增塑劑混合比可仿真不同的軟組織成像特性［2］。Li等［1］人報道PVC-增塑劑混合比極大地影響等效組織材料的醫(yī)學成像性能，但局限于3種不同PVC-增塑劑混合比例，且并未研究與不同PVC-增塑劑的混合比與CT值的關(guān)系。本實驗發(fā)現(xiàn)，在PVC和DOTP混合比為8.0×10-2～23.2×10-2g/mL的范圍內(nèi)，測量PVC樣品的CT值為-0.6～109.0 HU，此結(jié)果與Liao等人的研究相似［12］。不同混合比的PVC聚合物具有CT值可調(diào)控、可預(yù)測的優(yōu)點，且PVC的彈性和硬度與真實組織相近，適合作為等效組織材料。

在不同的PVC 和DOTP 混合比下，MRI 弛豫時間T1的波動較小（172.3～203.9 ms），變化約為18%，而T2相對更分散（13.7～32.1 ms），變化約為57%。Li等［1］發(fā)現(xiàn)PVC 和以鄰苯二甲酸酯（Phthalate Ester,PAEs）為增塑劑混合制成的軟PVC 樣品的T1弛豫時間為421～461 ms，T2弛豫時間為21～29 ms。這與本實驗結(jié)果有所不同，造成的原因可能包括：其一，增塑劑材料選擇的不同，本研究增塑劑為一種環(huán)保型材料DOTP，而Li 研究使用的是PAEs；其二，MRI 磁場強度的不同，本研究磁場強度為3.0 T，Li等研究磁場強度為7.0 T；其三，掃描序列和測量方法不同，本研究采用T1-mapping 和T2-mapping 技術(shù)采集原始數(shù)據(jù)，通過西門子后處理軟件直接測量T1和T2弛豫時間［20-21］，而Li等研究則需要進行公式換算。

探究X 線的衰減規(guī)律對X 線攝影、透視、造影檢查、CT 檢查和放射治療以及屏蔽防護設(shè)計有很大的幫助［22］。在電流和曝光時間一定的情況下，電壓越大X線的能量越大，射線的衰減量會隨著射線能量的增加而減少，增加被掃描物質(zhì)的密度卻會導(dǎo)致衰減量增加［22］，實驗探究的結(jié)果與前者相符，但當電壓比較大時，密度對衰減系數(shù)的影響不大。

已有研究選擇PVC 聚合物作為等效組織材料，例如：基于PVC 聚合物材料，Hungr 等［2］制作適用于超聲、CT 和MRI 成像的前列腺多模態(tài)體模；Liao等［12］構(gòu)造的仿真腹部體模可用于圖像配準精度評價；He等［23］研究適用于鉬靶、MRI成像和超聲的質(zhì)量控制乳腺體模。總之，該研究的重要性在于提供一種模擬人體組織體模材料的方法。通過調(diào)節(jié)PVCDOTP混合比可以實現(xiàn)CT值的可預(yù)測和可調(diào)控。然而，由于PVC聚合物內(nèi)部缺乏水分，因此基于PVC的等效組織材料的T1和T2弛豫時間比人體大多數(shù)組織的弛豫時間短［24］。后期需要進一步實驗改善PVC聚合物在MRI成像中組織弛豫時間的等效。

4 結(jié)論

通過不同PVC-DOTP混合比來探索PVC聚合物的醫(yī)學成像特性，包括X 線衰減系數(shù)、CT 值和MRI弛豫時間。基于PVC 的組織等效材料具有低成本、易于生產(chǎn)和耐用的優(yōu)點。同時，CT 值隨PVC-DOTP混合比的改變呈線性變化，具有可控性和可預(yù)測性。結(jié)合3D打印，有助于構(gòu)造具有組織等效性的仿真體模實現(xiàn)內(nèi)部醫(yī)學成像特征相似和外部結(jié)構(gòu)仿真。