醫學影像仿真人體模型及其臨床應用

薛瑩，王瑞，李進丹，李志林，廖承德

云南省腫瘤醫院（昆明醫科大學第三附屬醫院）放射科，云南昆明650118

前言

隨著醫學影像技術學的迅猛發展，有關設備性能評價改進和輻射劑量的研究刻不容緩，為了避免危險實驗對人類生命和健康的威脅，仿真人體模型（Anthropomorphic Phantom）應運而生。體模由類似人體輻射衰減系數的材料制成，其一般作用是模擬輻射與全身組織或器官的相互作用［1］，經過結果的評估分析［2］，可用作醫學成像設備或應用程序的性能評價工具［3］。醫學影像仿真體模在臨床中的應用主要有以下4個方面：CT掃描方式及最佳掃描方案的確定；患者劑量優化；設備評價及質量控制；血管成像及對比劑注射方案研究。時至今日，各種類型的影像體模已被廣泛應用于放射診斷、核醫學和放射治療領域。

1 仿真人體模型原理

仿真體模之所以能夠近似地模擬在放射成像中真實人體，是因為仿真體模是根據人體自身參數，利用與人體組織散射和吸收系數相似的組織等效材料制成具有骨骼、肌肉、臟器的人體模型，因而實現了幾何形體仿生、材料仿生、內部結構仿生、物理能量傳遞過程仿生和生物信息傳感仿生［4-5］。

2 仿真人體模型的分類

仿真人體模型包括數字化虛擬人體模型、物理實體模型和二者結合的物理數學模型。

2.1 數字化虛擬人體模型

數字化虛擬人體模型是一種用于數字化分析的人體模型，能夠模擬人體主要組織器官［6］，建立數學模型，以便在醫療照射中對腫瘤靶體積和人體重要器官所接受劑量進行估算，是人體解剖學的簡單化和數字化，便于實現輻射劑量的測量和計算的標準化，已經成為放射治療和輻射防護醫學成像和劑量學的重要研究工具［7］。這種模型逐漸提高了對人體內部解剖結構的仿真度，并且種類繁多，從兒童到青年再到成人，無論男性、女性，甚至是孕婦，數字體模大大促進了人體輻射劑量的數字化運算［8］。有學者提出放射治療計劃采集的圖像僅需覆蓋目標體積，而在臨床實踐中醫生感興趣的可能是掃描范圍之外的正常組織，為解決這一問題而開發了一種與患者身高、體質量相匹配的5種體型的數字化人體模型［9］。這些全身模型是基于患者的CT圖像開發制作的，包含多個不同的器官和組織。使用多邊形網格體素，體素化的體模轉換成三維立體圖像，包含器官輪廓的三維立體結構文件。此方法結合患者和體模的圖像，提高了擬人模型的真實感，且提供了器官接受輻射劑量的數據［10-11］。但稍顯不足的是，數字化仿真體模和真實患者之間存在不可避免的差異。

2.2 物理實體模型

在醫學影像領域中應用最為廣泛的當屬輻照仿真人體模型，在放射診斷、放射治療、核醫學技術等領域中發揮重要作用。QRM公司制造的LIVERPHANTOMTM肝臟體模實現了基本的幾何形體仿生及物理能量傳遞的仿生，它由3個可調節部分組成：仿真人體腹部、肝臟嵌入體和脾臟嵌入體。其中肝臟嵌入體中包含了尺寸、形態、密度各不相同的球形病變結節，可用于CT檢查中對肝臟部分低對比度細節的顯示，也可用于對測試電腦輔助診斷程序。Koivisto等［12］設計出一個具有呼吸運動的擬人化聚乙烯醇（PVA）肝臟模型，允許應用不同的運動模式和形狀/大小，因此能夠模擬患者的適當呼吸運動和針頭偏轉［11］。KOYOTO KAGAKU公司研究并銷售各種應用于超聲、放療、乳腺、X線、CT、核磁共振等領域不同型號的商用仿真體模［12-14］。如型號為PH-4的用于X線和CT成像的CTU41仿真軀干體模，由聚氨酯樹脂構成軟組織和器官，由環氧基樹脂構成骨骼，包含了人造骨骼、腦室、眼球、肺血管、心臟、氣管、肺、腎、膽囊、胰腺、脾臟、輸尿管、膀胱、前列腺、直腸、乙狀結腸等模擬器官，甚至能夠顯示氣管的全部分支、肺血管的4級分支以及肝門靜脈，是一個能夠用于CT螺旋掃描、包含完整軀干解剖結構的“一體化”仿真模型。每一個器官都有特定的原始CT值，與臨床中人體吸收輻射劑量近似，能夠得到仿真度極高“人體”CT圖像，是目前臨床應用最廣泛的輻照仿真人體模型之一。

近年來，隨著3D打印技術的快速發展，物理實體仿真體模的應用更加廣泛［15-16］。打印仿真體模最大的挑戰是圖像噪聲，如果體模中噪聲較大將大大降低體模的可用性，因此必須找到殘余噪聲含量與細節結構之間的平衡。美國食品與藥品管理局曾為評估乳腺DBT成像系統對微鈣化的檢測性能，用羊皮紙和碘摻雜墨水，通過3D打印而創建逼真人乳房體模，通過6個月的多次試驗，模體的再現性和穩定性極強，實現了對FFDM、DBT、SM 3種成像方法的對比評估［17］。物理模型的設計在過去幾年中已經發展到用電磁設備驗證真實患者和環境的模擬，以便最小化物理實驗建模中的誤差［18］。

2.3 二者結合的物理數學模型

將物理實體模型和數字化虛擬模型相結合的“物理數學模型”具有形態參數、遺傳參數、組織等效參數、結構功能參數，是一種對外界有反應特性的信息化、數字化、智能化的“仿生假人”，體現出虛擬人體模型和仿真人體模型的結合和發展趨勢。虛擬人體模型是通過圖像的虛擬重建獲得可視化的生理解剖信息，而仿真人體模型是描述治療過程的物理模型，具有視覺真實性、可觸摸性、可試驗性［19］。因此，將實物物理模型、計算機圖形仿真和數字化仿真三者結合后，仿真人體模型的真實性、可測試性正好彌補了虛擬人體模型的不足（虛擬性、不可測試性），其置信度達到95%，能為臨床所接受并進入實用階段［20］。

3 仿真體模臨床應用

3.1 確定CT掃描方式及最佳掃描方案

臨床為提高影像質量并滿足日益增多的工作量，需要針對不同的掃描部位制定出最佳的CT掃描方案。仿真體模高度擬人化并且可重復使用，可作為患者的“替身”進行掃描方式、最佳掃描方案的測試［21］。Kadesj?等［22］使用二維檢查（全景和根尖片）和錐形束計算機斷層掃描（CBCT），比較兒童受檢阻生犬齒的輻射劑量，所使用的就是擬人化的10歲兒童模型。2016年，日本學者Shohji等［23］依照2014年影像學指南腹部掃描協議，對與日本人體型相似的仿真體模進行掃描，分析CTDIvol（容積劑量指數）-CT值曲線，通過分析腹部圖像質量，制定出適合日本人的腹部掃描協議。臨床CT技師以此為基礎對患者進行檢查，不但圖像質量好，也能切實降低患者所接受的輻射劑量。美國學者Cannella等［24］為探討單源雙能量CT預測非尿酸結石分類的準確性，將經皮腎鏡取石術后回收的結石置于擬人全身體模中，分別使用40、70、140 keV掃描，用紅外光譜法測定結石成分，驗證了單源雙能量CT對分析結石成分的獨特價值。

3.2 患者劑量優化

隨著CT技術的不斷發展，臨床X線影像檢查頻率和總輻射劑量都有較大增加。美國醫學會統計顯示1980年全美CT檢查人數為360萬，到1998年增至3 300萬。在英國CT檢查人次僅為總人數的4%，但輻射劑量卻占到受檢者總輻射劑量的40%。我國CT設備絕對數量已達世界第3，較高的輻射劑量可能產生確定效應（組織反應），并增加隨機效應發生的概率。CT醫療輻射已成為重要公共衛生領域關注的話題。近年來世界范圍內，提倡在保證診斷前提下盡量降低輻射劑量。仿真人體模型模擬了正常人體形態及解剖，包括腰腹部的脊椎弧度，組織和皮膚的厚度、位置等，所以CT輻射對體模的影響更加接近真實人體情況。應用仿真體模，避免了在系統校驗以及模擬實驗過程中給患者帶來的輻射效應，可以準確、有效地實現劑量優化［25］。Elter等［26］在磁共振引導放射治療研究中開發了一種可反復調節的仿真體模，在磁共振和CT掃描中使用擬人化對比材料填充，在三維劑量測量中則使用聚合物劑量測定凝膠填充。可在該模型中設置模擬患者體內部分解剖變異，包括代表腫瘤和周圍危險器官的2個PG結構和另外5個結構。隨后進行輻射實驗，得到相應的劑量檢測結果。美國得克薩斯大學Matveev［27］構建了另一種組織劑量等效、CT和磁共振均可用的、可運動的擬人化胸部體模模擬肺癌患者，動態模型的外殼由可充水丙烯酸構成，包含幾個胸部區域內輻射敏感器官，腫瘤結構由液體聚氯乙烯塑料制成，周圍肺組織由凡士林和微型泡沫聚苯乙烯球的混合物組成。

3.3 設備評價及質量控制

CT ACR 46TM體模實現了對物理能量傳遞的仿生，由空氣、水、骨骼以及丙烯酸和聚乙烯材料構成，內含有多種模塊，其中一種模塊通過設置不同尺寸且與背景材料僅相差6 HU的結節實現低對比度研究，其優勢在于僅用單一體模就能夠實現多種參數的測試，如空間分辨率、CT值準度、層厚、圖像均一性、噪聲等，在CT日常質量評價（Quality Assessment）中不可或缺，可用于放射科日常設備評價和設備維修［28］。

2014年，塞奎拉和瑪雅制作了兩個擬人化的甲狀腺模型，分別為OSCT和OSAP。OSCT是一個模擬人體甲狀腺、由聚甲基丙烯酸甲酯制作而成的模型。OSAP使用聚合丙烯酸樹脂作為等效材料，模擬人體頸部和甲狀腺的形狀，包括氣管、食管和頸椎。兩個模型的大小和形狀對照50歲婦女甲狀腺制作，均含有可分離的甲狀腺功能亢進、甲狀腺功能減退以及正常甲狀腺模塊。此甲狀腺擬人模型可用作SPECT和γ相機的設備校準和圖像質量控制［1］。美國Genetech公司使用胸部腫瘤模型評估了7臺PET掃描儀，該模型具有9個直徑7～20 mm的球形病變模塊，評估了設備的圖像重建、病變檢測和恢復系數，其中兩臺設備不符合質控標準，確定了其他5臺掃描儀能充分檢出病變并且有可靠可量化的重建算法［29］。也有學者使用具有不規則形狀和不均勻放射示蹤劑攝取的合成損傷的擬人模型，用于評價使用不同體積分割方法和重建設置對放射特征的再現性和穩定性的影響［30］。

3.4 血管成像及對比劑注射方案研究

隨著仿真體模技術的發展，已不僅應用于CT平掃，在CT增強甚至是血管成像中也初現優勢。近年來CTA仿真體模在血管成像領域得到廣泛應用，利用在CTA仿真體模內注射碘對比劑，模擬血管成像過程，并調整對比劑注射方案（如更改對比劑注射速率、對比劑注射用量或使用雙流注射方案等），最終依據血管成像質量確定最佳的對比劑注射方案。這樣的實驗研究規避了人體發生對比劑過敏反應的風險，能夠測試出最佳的對比劑注射方案。

4 小結

仿真體模在醫院設備評價、CT檢查質量控制和劑量管理中應用最為廣泛，對日常工作、科學研究、提高圖像質量都是不可或缺的，有效避免了對患者的輻射損害［31］。但仿真體模也有其局限性：首先，對于腫瘤及動態血管成像還存在困難，不能夠實現對腫瘤血供的動態顯示；其次體模無法模擬人體脈搏和呼吸情況；而且體模價格昂貴，不能夠實現在放射影像領域的全面應用。隨著研制仿真體模的材料和技術日趨完善，仿真體模將受到更多的認識和關注。