用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 精确的图像变形配准技术是图像引导放射治疗（IGRT)的关键技术之一，任何层次 上的图像引导都是基于医学图像配准的结果。在多分次治疗中，病人内部器官组织的形变， 随着放疗的进行肿瘤体积的缩小等，都会引起摆位误差。而图像配准技术可以根据每个分 次治疗获得的图像来校正摆位误差，校正放疗计划，实现自适应放疗。此外，图像变形配准 技术还可以用于多分次放疗剂量的变形和累加，可以将患者每个分次实际照射的累积剂量 和计划剂量进行比较，调整后续分次的照射剂量，从而实现更精确的放疗。图像变形配准算 法的准确度会直接影响放疗的精确性，决定放疗的最终疗效。因此，有必要制作一个稳定、 可重复和高仿真的变形模体，以验证图像配准算法结果的准确性。用简单的材料组合成模 拟器官，再通过简单的变形运动模拟器官运动，再辅以剂量测定，则可以用于图像配准和剂 量学的验证。
[0003] 目前，已经有不少人在做变形模体的研究，大多数的研究以头颈部模体和肺部模 体为主，并以简单的随机运动来模拟人体器官的变形。Kirby(N.Kirby，MedPhys，38,4583 (2011)·)和Graves(Y.J.Graves，MedPhys, 42,1490 (2015)·)提出的头颈部体模都 是二维结构的，根据头颈部的一些解剖特点，把柱体形状的模拟器官和气囊放置在一个圆 盘，通过气囊的收缩膨胀导致模体的变形。Chang(J.Chang，JApplClinMedPhys，11， 3081 (2010).)等研究的变形肺部模体主要通过一个气囊模拟肺部，再通过气囊的收缩膨 胀导致模体的变形。这些二维头颈部模体和肺部模体都是通过在模体表面放置标记点来定 量评价变形配准算法的精确性。Hungr(N.Hungr，MedPhys，39,2031 (2012)·)研究的前 列腺模体是以PVC为主要材料，根据人体前列腺器官的大致形状制作模具，注塑到模具中， 在器官表面放置标记点，按照人体大概的解剖位置放置前列腺器官和直肠的位置，利用插 针的方式对前列腺器官进行变形。Kashani(R.Kashani，MedPhys，34，199 (2007)·)研 究的变形胸腹部模体是在泡沫中嵌入几个固体的模拟组织球体和几十个小的塑料球作为 标记点，通过电脑控制压缩机对模体在一维方向进行压缩，从而发生变形。配准前在图像上 去掉标记点，利用配准算法对模体变形前后的图像配准得到配准结果，标记点和配准后的 位置差异可以定量分析配准算法的精确性。
[0004] 目前，多数模体是二维结构的，不具备真实器官的三维解剖结构和三维结构变形 的复杂性。虽然也有一些模体是三维结构的，但其所构成的器官单一且不具备真实器官的 三维解剖结构，变形过于简单，如旋转或平移，很少有模体可将验证变形配准算法和验证剂 量叠加精度结合在一起。
[0005] 呼吸运动对器官的运动和变形影响比较大，在人体中，腹部是呼吸运动的主要区 域，且涉及的器官也比较多。因此，腹部肿瘤的放射治疗对图像变形配准的精确度有更高要 求，亟需构造一种高仿真人体腹部变形模体。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体 及其制备方法。
[0007] 本发明所采取的技术方案是： 用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体的制备方法，包括以下步骤： 1) 调整PVC树脂粉-增塑剂的混合比，制备不同混合比的PVC塑料样品，对各PVC塑料 样品进行CT扫描，测定CT值，绘制混合比与CT值的关系图； 2) 以腹部肿瘤病人的CT图像为模板，勾画出肝脏、脾脏、肾脏、胃和肿瘤的轮廓线，绘 制三维模具图，通过3D打印得到与人体器官外轮廓高度相似的三维模具； 3) 在步骤2)的三维模具内设置标记点，根据各器官的CT值选择相应的PVC聚合溶液， 注塑成型，得到仿真器官； 4) 用3D打印得到骨头模型，放入到PVC聚合溶液中制备PVC阴模，再在PVC阴模中注 入白水泥浆体，干燥固化，得到刚性骨头结构； 5) 组装模体：用3D打印得到腹部外轮廓模具，在模具内按照病人CT图像上各个器官 的解剖位置信息逐层放置制作好的器官和刚性骨头结构，注入PVC聚合溶液冷却固定，设 置好标记点和热释光剂量片，得到整体结构与真实病人结构高度相似的模体。
[0008] 步骤1)中PVC树脂粉-增塑剂的混合比范围为：8X10 2g/mL~23X10 2g/mL，以 间隔lX102g/mL变化。
[0009] 步骤1)所述的增塑剂为对苯二甲酸二辛酯、丁酰柠檬酸三正己酯、偏苯三酸三辛 酯中的至少一种。
[0010] 步骤3)和5)中所述的标记点为直径1~2mm的金属球。
[0011] 步骤3)和5)中设置标记点的具体操作为：先往模具内注塑一层PVC聚合溶液，停 止注塑，待熔融的PVC聚合溶液表面固化撑起标记点不下沉，再在PVC塑料表面均匀放置标 记点，放置好标记点后继续注塑，重复上述步骤，直至PVC聚合溶液注满模具。
[0012] 步骤2)、4)、5)中所述3D打印所采用的原料为ABS塑料。
[0013] 所述PVC聚合溶液的CT值为：-10HU~100HU。
[0014] 步骤5)中所述的热释光剂量片为表面包覆有聚乙烯薄膜的经退火处理过的热释 光剂量片。
[0015] 本发明的有益效果是：本发明构造了一个高仿真人体腹部变形模体，所构造的变 形模体内部主要器官跟人体器官具有相似的CT值、解剖结构和3D空间位置关系，可较为真 实的模拟腹部器官的变形，通过在器官内部与各器官之间植入标记点和热释光剂量片，可 进行自适应放射治疗中变形配准算法的几何精度验证以及剂量叠加精度验证。
[0016] 1)本发明的材料为简单、易得、安全的PVC塑料，可通过调节PVC树脂粉-增塑剂 的混合比制备不同CT值和弹性模量的PVC塑料，也可以通过采用不同型号的PVC树脂粉和 增塑剂制备不同CT值和弹性模量的PVC塑料，可以根据实际需求来制备PVC塑料； 2)本发明采用3D打印技术，利用真实器官轮廓线通过3D打印得到跟真实人体高度相 似的三维模具，注塑入模具可以得到跟真实器官高度相似的仿真器官，并利用热PVC聚合 溶液快速固化的特点，采用分层的方法在模拟器官内部放置标记点，保证了模拟器官内的 标记点分布均匀，提高了模拟的准确度； 3) 本发明的模体内各器官之间放置有小且容易识别的标记点，并放置有经退火处理过 的热释光剂量片，可用于自适应放射治疗中变形配准算法的几何精度验证和剂量叠加精度 验证； 4) 本发明把和真实人体CT值和解剖结构高度相似的模拟器官根据病人CT图像上各个 器官的解剖位置信息进行摆放，使模体里各器官的CT图像跟真实人体的CT图像相似，可用 于放疗中的多个领域； 5) 本发明的模体不仅可以研究单个器官的变形，还可以研究腹部各器官之间相互作用 下的变形，该模体具有三维结构，能更真实的模拟腹部各器官的变形，提高了验证变形算法 的几何精度； 6) 本发明的模体具有良好的恢复性，变形后具有再现性，在验证图像配准算法的同时， 可以把呼吸运动纳入剂量计算。
【附图说明】
[0017] 图1为PVC树脂粉-增塑剂混合比和CT值之间的关系图。
[0018] 图2为实施例中的模拟器官的制备流程图。
[0019] 图3为实施例中的腹部肿瘤病人的腹部器官轮廓线图、腹部器官的网格图、3D打 印的模具图和构造成型的器官图。
[0020] 图4为实施例中的刚性椎骨模型的阴阳模和模拟的刚性椎骨骨头图。
[0021] 图5为不同混合比的PVC塑料的下压位移和应力之间的关系图。
[0022] 图6为PVC塑料的弹性模量再现性测试结果图。
[0023] 图7为实施例中的高仿真腹部变形模体的正面图、侧面图和背面图。
[0024] 图8为腹部肿瘤病人的CT图像与实施例中的高仿真腹部变形模体的CT图像的对 比图。
【具体实施方式】
[0025] 用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体的制备方法，包括以下步骤： 1) 调整PVC树脂粉-增塑剂的混合比，制备不同混合比的PVC塑料样品，对各PVC塑料 样品进行CT扫描，测定CT值，绘制混合比与CT值的关系图； 2) 以腹部肿瘤病人的CT图像为模板，勾画出肝脏、脾脏、肾脏、胃和肿瘤的轮廓线，按 1:1的比例绘制三维模具图，通过3D打印得到与人体器官外轮廓高度相似的三维模具； 3) 在步骤2)的三维模具内设置标记点，根据各器官的CT值选择相应的PVC聚合溶液， 注塑成型，得到仿真器官； 4) 用3D打印得到骨头模型，放入到PVC聚合溶液中制备PVC阴模，再在PVC阴模中注 入白水泥浆体，干燥固化，得到刚性骨头结构； 5) 组装模体：用3D打印得到腹部外轮廓模具，在模具内按照病人CT图像上各个器官 的解剖位置信息逐层放置制作好的器官和刚性骨头结构，注入PVC聚合溶液冷却固定，设 置好标记点和热释光剂量片，得到整体结构与真实病人结构高度相似的模体。
[0026]优选的，步骤1)中PVC树脂粉-增塑剂的混合比范围为：8X10 2g/mL~23X10 2g/mL，以间隔1X10 2g/mL变化。
[0027] 优选的，步骤1)所述的PVC树脂粉为台塑工业(宁波)有限公司的聚氯乙烯均一粉 S-