建立剂量学用精细乳腺物理模体的方法及装置

本技术涉及医疗器械，特别涉及一种建立剂量学用精细乳腺物理模体的方法及装置。

背景技术：

1、目前，乳腺癌已成为最常见的癌症之一，每年造成60多万人死亡。作为发现和诊断乳腺癌的最有效方法之一，乳腺x射线摄影(mammography，mg)具有筛查速度快、设备成本低等优点，广泛应用于乳腺癌筛查。然而，乳腺组织是对辐射致癌最敏感的组织之一。乳腺组织的辐射权重因子已从0.05调整至0.12，这意味着乳腺x射线摄影在诊断癌症的同时，也存在潜在的辐射致癌风险。为了准确评估乳腺x射线摄影所带来的辐射风险并开展辐射防护最优化，有必要对乳腺腺体剂量进行准确测量。为了模拟乳房组织内部的非均匀结构，乳腺物理模体已经取得了一系列发展，从均质简单模体逐步发展为由不同材料组成的非均质结构模体。近年来快速发展的3d打印技术为制造具有精细结构的乳腺物理模体带来了契机，基于高分辨率双材料增材的3d打印技术，可以使用两种3d打印材料分别表征乳房内部的脂肪组织和纤维腺体组织，从而制作出能够模拟人体乳房解剖学结构的乳腺物理模体。国外一些研究机构基于双材料3d打印方法制作了一些精细乳腺物理模体，包括duke模体、federico模体等，此类模体能够还原实际人体乳房中的精细化结构，但仍然存在很多局限性，现有物理模体打印所用乳腺数字模型的真实性仍有待提高。

2、相关技术中，在目前的国际质量保证(quality assurance，qa)协议中，主要使用由均质材料制成的简单物理模体模拟特定厚度与腺体含量的人体乳房，以测量乳腺x射线摄影所致平均腺体剂量，相关技术可以将pmma均质模体与pa均质模体堆叠以模拟相等厚度的乳房组织，或使用由pmma材料与蜡填充物组成的acr模体作为剂量学用物理模体。

3、然而，相关技术中，目前建立精细乳腺物理模体所需的乳腺学数字模型均为基于受检者临床数据建立的，难以调整乳房参数以建立不同腺体百分含量与压迫厚度的系列精细乳腺物理模体，且打印所用数字模型往往是基于单个病人的临床数据生成的，测得的平均腺体剂量及剂量分布并不具有说服力，实际mg所致剂量分布极其不均匀，难以准确反映辐射剂量三维空间分布，且所用3d打印材料的辐射组织等效性较差，会导致部分模型信息缺失，亟待改善。

技术实现思路

1、本技术提供一种建立剂量学用精细乳腺物理模体的方法及装置，以解决相关技术主要使用由均质材料制成的简单物理模体测量乳腺x射线摄影所致平均腺体剂量，导致其剂量测量结果并不准确，且无法模拟摄影设备在aec模式下的曝光参数，无法得到准确的三维剂量分布，难以准确评估辐射健康风险，且现有模体的乳房参数可变性较差，模体的参数代表性和真实性低，剂量测量单元的布放位置并不科学，所用3d打印材料的辐射组织等效性较差，易导致部分模型信息缺失等问题。

2、本技术第一方面实施例提供一种建立剂量学用精细乳腺物理模体的方法，包括以下步骤：测量多种熔融沉积成型3d打印材料和添加剂的元素组成与物理密度，根据所述元素组成与物理密度调节材料的混合比例和打印参数，并根据所述混合比例和所述打印参数分别设计脂肪组织和纤维腺体组织两类乳房组织的等效材料配方，使配方材料的质量衰减系数和物理密度与所述两类乳房组织达到预设接近条件，以得到筛选的组织等效材料；基于女性乳房代表性参数，建立不同腺体百分含量的女性常态乳腺数学模型和不同压迫厚度的系列乳腺压迫体素模型，根据所述女性常态乳腺数学模型和所述系列乳腺压迫体素模型，得到不同腺体百分含量和压迫厚度的系列精细乳腺数字模型；以及根据所述筛选的组织等效材料和所述系列精细乳腺数字模型生成熔融沉积成型3d打印机的通信协议，以使所述熔融沉积成型3d打印机支持体素模型进行3d打印，并使所述熔融沉积成型3d打印机根据所述体素模型生成喷头路径，以根据高分辨率双材料增材的熔融沉积成型3d打印技术得到剂量学用精细乳腺物理模体。

3、可选地，在本技术的一个实施例中，所述根据所述元素组成与物理密度调节材料的混合比例和打印参数，并根据所述混合比例和所述打印参数分别设计脂肪组织和纤维腺体组织两类乳房组织的等效材料配方，使配方材料的质量衰减系数和物理密度与所述两类乳房组织达到预设接近条件，以得到筛选的组织等效材料，包括：计算所述多种熔融沉积成型3d打印材料和添加剂以预设混合比例混合后的有效原子序数，使所述有效原子序数与所述两类乳房组织的有效原子序数达到所述预设接近条件，以确定材料混合配方；根据所述材料混合配方得到混合材料，以预设挤出速率或填充率对所述混合材料进行3d打印，使所述物理密度与所述两类乳房组织的物理密度达到所述预设接近条件；基于所述3d打印，测量所述材料的质量衰减系数与物理密度，并对所述质量衰减系数与物理密度和所述脂肪组织与所述纤维腺体组织切片的测量结果相对比，以得到对比结果；根据所述对比结果验证所述材料的辐射组织等效性，以得到所述组织等效材料。

4、可选地，在本技术的一个实施例中，所述有效原子序数的计算公式为：

5、

6、其中，αi为第i种元素电子占总数的比例，zi为第i种元素的原子序数，指数x与光子能量有关，反映了x射线与物质的反应截面随原子序数的变化规律。

7、可选地，在本技术的一个实施例中，所述基于女性乳房代表性参数，建立不同腺体百分含量的女性常态乳腺数学模型和不同压迫厚度的系列乳腺压迫体素模型，包括：获取受检者的临床图像，根据所述临床图像分析所述受检者的乳房解剖学结构，得到乳腺外形参数、精细化结构形状及分布中的至少一项所述女性乳房代表性参数，并根据所述女性乳房代表性参数对女性乳房外形进行建模，得到不同腺体百分含量的女性常态乳腺数学模型；确定所述女性常态乳腺数学模型的体素化范围，在所述体素化范围内对所述女性常态乳腺数学模型进行体素化操作，对于只包括所述脂肪组织与只包括所述纤维腺体组织的体素分别设置不同的体素值，对于所述脂肪组织与所述纤维腺体组织边界处的包含所述两类乳房组织的体素，根据所述体素的腺体百分含量使用线性插值方法设置相应的体素值；根据所述体素值表征所述脂肪组织和所述纤维腺体组织及两类乳房组织交界处的过渡区域，并根据所述脂肪组织、所述纤维腺体组织和皮肤组织的生物力学特性模拟精细乳腺常态体素模型的压迫过程，得到不同压迫厚度的系列乳腺压迫体素模型。

8、可选地，在本技术的一个实施例中，在根据所述筛选的组织等效材料和所述系列精细乳腺数字模型生成熔融沉积成型3d打印机的通信协议之前，还包括：模拟所述系列精细乳腺数字模型接受乳腺x射线摄影的过程，得到摄影过程中的剂量三维空间分布的模拟结果，根据所述模拟结果确定剂量测量方案；基于所述剂量测量方案，选择剂量测量单元的放置位置，将所述系列精细乳腺数字模型在所述剂量测量单元的厚度下分层，并设置所述放置位置的体素信息，以根据所述体素信息得到可容纳剂量测量元件的空腔。

9、可选地，在本技术的一个实施例中，所述使所述熔融沉积成型3d打印机根据所述体素模型生成喷头路径，以根据高分辨率双材料增材的熔融沉积成型3d打印技术得到剂量学用精细乳腺物理模体，包括：基于所述喷头路径，使用第一组织等效材料打印脂肪组织体素块，使用第二组织等效材料打印腺体组织体素块，并对所述脂肪组织与所述纤维腺体组织边界处的体素块以预设比例分别挤出两种打印材料；根据所述两种打印材料打印所述脂肪组织与所述纤维腺体组织边界处的体素块，并模拟所述脂肪组织和所述纤维腺体组织及所述脂肪组织与所述纤维腺体组织之间的过渡边界，以得到所述剂量学用精细乳腺物理模体。

10、本技术第二方面实施例提供一种建立剂量学用精细乳腺物理模体的装置，包括：测量模块，用于测量多种熔融沉积成型3d打印材料和添加剂的元素组成与物理密度，根据所述元素组成与物理密度调节材料的混合比例和打印参数，并根据所述混合比例和所述打印参数分别设计脂肪组织和纤维腺体组织两类乳房组织的等效材料配方，使配方材料的质量衰减系数和物理密度与脂肪组织和所述纤维腺体组织两类乳房组织达到预设接近条件，以得到筛选的组织等效材料；建立模块，用于基于女性乳房代表性参数，建立不同腺体百分含量的女性常态乳腺数学模型和不同压迫厚度的系列乳腺压迫体素模型，根据所述女性常态乳腺数学模型和所述系列乳腺压迫体素模型，得到不同腺体百分含量和压迫厚度的系列精细乳腺数字模型；以及生成模块，用于根据所述筛选的组织等效材料和所述系列精细乳腺数字模型生成熔融沉积成型3d打印机的通信协议，以使所述熔融沉积成型3d打印机支持体素模型进行3d打印，并使所述熔融沉积成型3d打印机根据所述体素模型生成喷头路径，以根据高分辨率双材料增材的熔融沉积成型3d打印技术得到剂量学用精细乳腺物理模体。

11、可选地，在本技术的一个实施例中，所述测量模块包括：计算单元，用于计算所述多种熔融沉积成型3d打印材料和添加剂以预设混合比例混合后的有效原子序数，使所述有效原子序数与所述两类乳房组织的有效原子序数达到预设接近条件，以确定材料混合配方；第一打印单元，用于根据所述材料混合配方得到混合材料，以预设挤出速率或填充率对所述混合材料进行3d打印，使所述物理密度与所述两类乳房组织的物理密度达到所述预设接近条件；对比单元，用于基于所述3d打印，测量所述材料的质量衰减系数与物理密度，并对所述质量衰减系数与物理密度和所述脂肪组织与所述纤维腺体组织切片的测量结果相对比，以得到对比结果；第一生成单元，用于根据所述对比结果验证所述材料的辐射组织等效性，以得到所述组织等效材料。

12、可选地，在本技术的一个实施例中，所述有效原子序数的计算公式为：

13、

14、其中，αi为第i种元素电子占总数的比例，zi为第i种元素的原子序数，指数x与光子能量有关，反映了x射线与物质的反应截面随原子序数的变化规律。

15、可选地，在本技术的一个实施例中，所述建立模块包括：第一建立单元，用于获取受检者的临床图像，根据所述临床图像分析所述受检者的乳房解剖学结构，得到乳腺外形参数、精细化结构形状及分布中的至少一项所述女性乳房代表性参数，并根据所述女性乳房代表性参数对女性乳房外形进行建模，得到不同腺体百分含量的女性常态乳腺数学模型；第二建立单元，用于确定所述女性常态乳腺数学模型的体素化范围，在所述体素化范围内对所述女性常态乳腺数学模型进行体素化操作，对于只包括所述脂肪组织与只包括所述纤维腺体组织的体素分别设置不同的体素值，对于所述脂肪组织与所述纤维腺体组织边界处的包含所述两类乳房组织的体素，根据所述体素的腺体百分含量使用线性插值方法设置相应的体素值；

16、模拟单元，用于根据所述体素值表征所述脂肪组织和所述纤维腺体组织及所述两类乳房组织交界处的过渡区域，并根据所述脂肪组织、所述纤维腺体组织和皮肤组织的生物力学特性模拟精细乳腺常态体素模型的压迫过程，得到不同压迫厚度的系列乳腺压迫体素模型。

17、可选地，在本技术的一个实施例中，还包括：模拟模块，用于在根据所述筛选的组织等效材料和所述系列精细乳腺数字模型生成熔融沉积成型3d打印机的通信协议之前，模拟所述系列精细乳腺数字模型接受乳腺x射线摄影的过程，得到摄影过程中的剂量三维空间分布的模拟结果，根据所述模拟结果确定剂量测量方案；选择模块，用于基于所述剂量测量方案，选择剂量测量单元的放置位置，将所述系列精细乳腺数字模型在所述剂量测量单元的厚度下分层，并设置所述放置位置的体素信息，以根据所述体素信息得到可容纳剂量测量元件的空腔。

18、可选地，在本技术的一个实施例中，所述生成模块包括：第二打印单元，用于基于所述喷头路径，使用第一组织等效材料打印脂肪组织体素块，使用第二组织等效材料打印腺体组织体素块，并对所述脂肪组织与所述纤维腺体组织边界处的体素块以预设比例分别挤出两种打印材料；第二生成单元，用于根据所述两种打印材料打印所述脂肪组织与所述纤维腺体组织边界处的体素块，并模拟所述脂肪组织和所述纤维腺体组织及所述脂肪组织与所述纤维腺体组织之间的过渡边界，以得到所述剂量学用精细乳腺物理模体。

19、本技术第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的建立剂量学用精细乳腺物理模体的方法。

20、本技术第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的建立剂量学用精细乳腺物理模体的方法。

21、本技术实施例可以基于数学方法建立表征女性典型乳房参数的系列精细乳腺数字模型，设计了组织等效性强的打印材料配方，优化了fdm双材料打印方法，制作可准确测量乳腺x射线摄影过程三维剂量分布的系列精细乳腺物理模体，并基于蒙卡模拟结果设置剂量测量方案，为乳腺x射线诊断剂量测量提供先进工具，准确评估辐射健康风险，对指导临床实践、降低公众的辐射健康风险具有重要意义。由此，解决了相关技术中均质物理模体对乳房内部结构做了极大简化，无法表征乳房的解剖学结构，简单物理模体仅可以用于粗略评估平均腺体剂量，无法得到准确的三维剂量分布，剂量学物理模体也往往应用于mg系统自动曝光控制(automatic exposure control，aec)模式下的曝光参数选取，但由于均质模体无法表征乳房内部的精细结构，基于其模拟得到的曝光参数并不准确，故现有的简单物理模体得到的测量结果难以准确评价乳腺成像所致腺体剂量等问题。

22、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。