醫(yī)學(xué)影像仿真人體模型及其臨床應(yīng)用

薛瑩，王瑞，李進(jìn)丹，李志林，廖承德

云南省腫瘤醫(yī)院（昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院）放射科，云南昆明650118

前言

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)學(xué)的迅猛發(fā)展，有關(guān)設(shè)備性能評(píng)價(jià)改進(jìn)和輻射劑量的研究刻不容緩，為了避免危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)人類生命和健康的威脅，仿真人體模型（Anthropomorphic Phantom）應(yīng)運(yùn)而生。體模由類似人體輻射衰減系數(shù)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(jīng)過結(jié)果的評(píng)估分析［2］，可用作醫(yī)學(xué)成像設(shè)備或應(yīng)用程序的性能評(píng)價(jià)工具［3］。醫(yī)學(xué)影像仿真體模在臨床中的應(yīng)用主要有以下4個(gè)方面：CT掃描方式及最佳掃描方案的確定；患者劑量優(yōu)化；設(shè)備評(píng)價(jià)及質(zhì)量控制；血管成像及對(duì)比劑注射方案研究。時(shí)至今日，各種類型的影像體模已被廣泛應(yīng)用于放射診斷、核醫(yī)學(xué)和放射治療領(lǐng)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(shí)人體，是因?yàn)榉抡骟w模是根據(jù)人體自身參數(shù)，利用與人體組織散射和吸收系數(shù)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(shí)現(xiàn)了幾何形體仿生、材料仿生、內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)字化虛擬人體模型、物理實(shí)體模型和二者結(jié)合的物理數(shù)學(xué)模型。

2.1 數(shù)字化虛擬人體模型

數(shù)字化虛擬人體模型是一種用于數(shù)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(shù)學(xué)模型，以便在醫(yī)療照射中對(duì)腫瘤靶體積和人體重要器官所接受劑量進(jìn)行估算，是人體解剖學(xué)的簡單化和數(shù)字化，便于實(shí)現(xiàn)輻射劑量的測量和計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化，已經(jīng)成為放射治療和輻射防護(hù)醫(yī)學(xué)成像和劑量學(xué)的重要研究工具［7］。這種模型逐漸提高了對(duì)人體內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)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(shù)字體模大大促進(jìn)了人體輻射劑量的數(shù)字化運(yùn)算［8］。有學(xué)者提出放射治療計(jì)劃采集的圖像僅需覆蓋目標(biāo)體積，而在臨床實(shí)踐中醫(yī)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(fā)了一種與患者身高、體質(zhì)量相匹配的5種體型的數(shù)字化人體模型［9］。這些全身模型是基于患者的CT圖像開發(fā)制作的，包含多個(gè)不同的器官和組織。使用多邊形網(wǎng)格體素，體素化的體模轉(zhuǎn)換成三維立體圖像，包含器官輪廓的三維立體結(jié)構(gòu)文件。此方法結(jié)合患者和體模的圖像，提高了擬人模型的真實(shí)感，且提供了器官接受輻射劑量的數(shù)據(jù)［10-11］。但稍顯不足的是，數(shù)字化仿真體模和真實(shí)患者之間存在不可避免的差異。

2.2 物理實(shí)體模型

在醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬輻照仿真人體模型，在放射診斷、放射治療、核醫(yī)學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。QRM公司制造的LIVERPHANTOMTM肝臟體模實(shí)現(xiàn)了基本的幾何形體仿生及物理能量傳遞的仿生，它由3個(gè)可調(diào)節(jié)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(tài)、密度各不相同的球形病變結(jié)節(jié)，可用于CT檢查中對(duì)肝臟部分低對(duì)比度細(xì)節(jié)的顯示，也可用于對(duì)測試電腦輔助診斷程序。Koivisto等［12］設(shè)計(jì)出一個(gè)具有呼吸運(yùn)動(dòng)的擬人化聚乙烯醇（PVA）肝臟模型，允許應(yīng)用不同的運(yùn)動(dòng)模式和形狀/大小，因此能夠模擬患者的適當(dāng)呼吸運(yùn)動(dòng)和針頭偏轉(zhuǎn)［11］。KOYOTO KAGAKU公司研究并銷售各種應(yīng)用于超聲、放療、乳腺、X線、CT、核磁共振等領(lǐng)域不同型號(hào)的商用仿真體模［12-14］。如型號(hào)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(gòu)成軟組織和器官，由環(huán)氧基樹脂構(gòu)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(jié)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(jí)分支以及肝門靜脈，是一個(gè)能夠用于CT螺旋掃描、包含完整軀干解剖結(jié)構(gòu)的“一體化”仿真模型。每一個(gè)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(yīng)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(shù)的快速發(fā)展，物理實(shí)體仿真體模的應(yīng)用更加廣泛［15-16］。打印仿真體模最大的挑戰(zhàn)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(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)之間的平衡。美國食品與藥品管理局曾為評(píng)估乳腺DBT成像系統(tǒng)對(duì)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(chuàng)建逼真人乳房體模，通過6個(gè)月的多次試驗(yàn)，模體的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性極強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FFDM、DBT、SM 3種成像方法的對(duì)比評(píng)估［17］。物理模型的設(shè)計(jì)在過去幾年中已經(jīng)發(fā)展到用電磁設(shè)備驗(yàn)證真實(shí)患者和環(huán)境的模擬，以便最小化物理實(shí)驗(yàn)建模中的誤差［18］。

2.3 二者結(jié)合的物理數(shù)學(xué)模型

將物理實(shí)體模型和數(shù)字化虛擬模型相結(jié)合的“物理數(shù)學(xué)模型”具有形態(tài)參數(shù)、遺傳參數(shù)、組織等效參數(shù)、結(jié)構(gòu)功能參數(shù)，是一種對(duì)外界有反應(yīng)特性的信息化、數(shù)字化、智能化的“仿生假人”，體現(xiàn)出虛擬人體模型和仿真人體模型的結(jié)合和發(fā)展趨勢(shì)。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(shí)性、可觸摸性、可試驗(yàn)性［19］。因此，將實(shí)物物理模型、計(jì)算機(jī)圖形仿真和數(shù)字化仿真三者結(jié)合后，仿真人體模型的真實(shí)性、可測試性正好彌補(bǔ)了虛擬人體模型的不足（虛擬性、不可測試性），其置信度達(dá)到95%，能為臨床所接受并進(jìn)入實(shí)用階段［20］。

3 仿真體模臨床應(yīng)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(zhì)量并滿足日益增多的工作量，需要針對(duì)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(fù)使用，可作為患者的“替身”進(jìn)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(jì)算機(jī)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(xué)者Shohji等［23］依照2014年影像學(xué)指南腹部掃描協(xié)議，對(duì)與日本人體型相似的仿真體模進(jìn)行掃描，分析CTDIvol（容積劑量指數(shù)）-CT值曲線，通過分析腹部圖像質(zhì)量，制定出適合日本人的腹部掃描協(xié)議。臨床CT技師以此為基礎(chǔ)對(duì)患者進(jìn)行檢查，不但圖像質(zhì)量好，也能切實(shí)降低患者所接受的輻射劑量。美國學(xué)者Cannella等［24］為探討單源雙能量CT預(yù)測非尿酸結(jié)石分類的準(zhǔn)確性，將經(jīng)皮腎鏡取石術(shù)后回收的結(jié)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(jié)石成分，驗(yàn)證了單源雙能量CT對(duì)分析結(jié)石成分的獨(dú)特價(jià)值。

3.2 患者劑量優(yōu)化

隨著CT技術(shù)的不斷發(fā)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(yī)學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)顯示1980年全美CT檢查人數(shù)為360萬，到1998年增至3 300萬。在英國CT檢查人次僅為總?cè)藬?shù)的4%，但輻射劑量卻占到受檢者總輻射劑量的40%。我國CT設(shè)備絕對(duì)數(shù)量已達(dá)世界第3，較高的輻射劑量可能產(chǎn)生確定效應(yīng)（組織反應(yīng)），并增加隨機(jī)效應(yīng)發(fā)生的概率。CT醫(yī)療輻射已成為重要公共衛(wèi)生領(lǐng)域關(guān)注的話題。近年來世界范圍內(nèi)，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(tài)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(duì)體模的影響更加接近真實(shí)人體情況。應(yīng)用仿真體模，避免了在系統(tǒng)校驗(yàn)以及模擬實(shí)驗(yàn)過程中給患者帶來的輻射效應(yīng)，可以準(zhǔn)確、有效地實(shí)現(xiàn)劑量優(yōu)化［25］。Elter等［26］在磁共振引導(dǎo)放射治療研究中開發(fā)了一種可反復(fù)調(diào)節(jié)的仿真體模，在磁共振和CT掃描中使用擬人化對(duì)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(shè)置模擬患者體內(nèi)部分解剖變異，包括代表腫瘤和周圍危險(xiǎn)器官的2個(gè)PG結(jié)構(gòu)和另外5個(gè)結(jié)構(gòu)。隨后進(jìn)行輻射實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)的劑量檢測結(jié)果。美國得克薩斯大學(xué)Matveev［27］構(gòu)建了另一種組織劑量等效、CT和磁共振均可用的、可運(yùn)動(dòng)的擬人化胸部體模模擬肺癌患者，動(dòng)態(tài)模型的外殼由可充水丙烯酸構(gòu)成，包含幾個(gè)胸部區(qū)域內(nèi)輻射敏感器官，腫瘤結(jié)構(gòu)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(shè)備評(píng)價(jià)及質(zhì)量控制

CT ACR 46TM體模實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(gòu)成，內(nèi)含有多種模塊，其中一種模塊通過設(shè)置不同尺寸且與背景材料僅相差6 HU的結(jié)節(jié)實(shí)現(xiàn)低對(duì)比度研究，其優(yōu)勢(shì)在于僅用單一體模就能夠?qū)崿F(xiàn)多種參數(shù)的測試，如空間分辨率、CT值準(zhǔn)度、層厚、圖像均一性、噪聲等，在CT日常質(zhì)量評(píng)價(jià)（Quality Assessment）中不可或缺，可用于放射科日常設(shè)備評(píng)價(jià)和設(shè)備維修［28］。

2014年，塞奎拉和瑪雅制作了兩個(gè)擬人化的甲狀腺模型，分別為OSCT和OSAP。OSCT是一個(gè)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(gè)模型的大小和形狀對(duì)照50歲婦女甲狀腺制作，均含有可分離的甲狀腺功能亢進(jìn)、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(jī)的設(shè)備校準(zhǔn)和圖像質(zhì)量控制［1］。美國Genetech公司使用胸部腫瘤模型評(píng)估了7臺(tái)PET掃描儀，該模型具有9個(gè)直徑7～20 mm的球形病變模塊，評(píng)估了設(shè)備的圖像重建、病變檢測和恢復(fù)系數(shù)，其中兩臺(tái)設(shè)備不符合質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)，確定了其他5臺(tái)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(xué)者使用具有不規(guī)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(píng)價(jià)使用不同體積分割方法和重建設(shè)置對(duì)放射特征的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性的影響［30］。

3.4 血管成像及對(duì)比劑注射方案研究

隨著仿真體模技術(shù)的發(fā)展，已不僅應(yīng)用于CT平掃，在CT增強(qiáng)甚至是血管成像中也初現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。近年來CTA仿真體模在血管成像領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，利用在CTA仿真體模內(nèi)注射碘對(duì)比劑，模擬血管成像過程，并調(diào)整對(duì)比劑注射方案（如更改對(duì)比劑注射速率、對(duì)比劑注射用量或使用雙流注射方案等），最終依據(jù)血管成像質(zhì)量確定最佳的對(duì)比劑注射方案。這樣的實(shí)驗(yàn)研究規(guī)避了人體發(fā)生對(duì)比劑過敏反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，能夠測試出最佳的對(duì)比劑注射方案。

4 小結(jié)

仿真體模在醫(yī)院設(shè)備評(píng)價(jià)、CT檢查質(zhì)量控制和劑量管理中應(yīng)用最為廣泛，對(duì)日常工作、科學(xué)研究、提高圖像質(zhì)量都是不可或缺的，有效避免了對(duì)患者的輻射損害［31］。但仿真體模也有其局限性：首先，對(duì)于腫瘤及動(dòng)態(tài)血管成像還存在困難，不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)腫瘤血供的動(dòng)態(tài)顯示；其次體模無法模擬人體脈搏和呼吸情況；而且體模價(jià)格昂貴，不能夠?qū)崿F(xiàn)在放射影像領(lǐng)域的全面應(yīng)用。隨著研制仿真體模的材料和技術(shù)日趨完善，仿真體模將受到更多的認(rèn)識(shí)和關(guān)注。