一种用于图像引导和表面引导的自适应放射治疗中端到端测试的动态拟人化幻影

《MEDICAL PHYSICS》：A dynamic anthropomorphic phantom for end-to-end testing in image- and surface-guided adaptive radiotherapy

本研究开发了新型BRaVIDA呼吸放疗可视化、成像和剂量学人体模型 phantom，集成胸腹部解剖结构及运动模拟系统，兼容MRI和CT成像，支持自适应放疗全流程测试。通过液压系统模拟呼吸与消化运动，验证其影像对比度（CT/HU误差≤1.5%，MRI T1/T2时间误差≤12%）及剂量学精度（ photon RED和SPR误差≤7%），并实现表面引导放疗的实时监测。结论表明该 phantom可有效提升自适应放疗的质控精度，适用于临床验证及AI算法训练。

　　在现代放射治疗中，呼吸和消化系统运动对治疗精度和靶区定位提出了重大挑战。这些运动可能导致肿瘤位置的偏移，从而引发影像伪影，影响对肿瘤轨迹的评估，并可能对周围健康组织造成不必要的照射。对于位于肺部和肝脏的肿瘤而言，这种运动尤为显著，尤其是在治疗过程中，肿瘤可能在垂直方向上发生高达55毫米的位移。因此，发展一种能够模拟这些复杂运动的高质量放射治疗体模成为提升治疗精度和患者安全的重要方向。

当前的放射治疗体模在许多方面仍存在局限，它们往往无法全面模拟人体的解剖结构、运动模式和组织变形特性。此外，部分体模不兼容先进的影像技术，如磁共振成像（MRI）和4D计算机断层扫描（4DCT），这限制了它们在自适应放射治疗中的应用。为了解决这些问题，研究人员开发了一种新型的、具有人体解剖特征的体模，命名为BRaVIDA（Breathing Radiotherapy Visual monitoring, Imaging, and Dosimetric Anthropomorphic），其设计旨在更好地模拟呼吸和消化运动，同时支持多模态影像和剂量验证，从而提升自适应放射治疗的整体质量。

BRaVIDA体模的构建基于一个尺寸为38号的半身模型，采用透明聚苯乙烯塑料制造，以确保经济性和高仿真度。在该基础上，研究人员通过3D打印技术制作了包括骨骼、肝脏、胰腺、肾脏、脾脏、胃、小肠、十二指肠和膀胱等器官模型。为了使这些模型在CT和MRI中呈现出与人体组织相似的影像对比度，不同器官被填充了特定的材料，如对比凝胶、硅胶、水和乳胶。同时，为了模拟呼吸和消化运动，体模内部嵌入了可变形的组织结构，并结合了一套自主研发的液压系统。该系统能够根据预设的运动模式，模拟呼吸和消化过程中的器官运动，从而实现对治疗过程中动态变化的精确再现。

为了验证BRaVIDA体模的影像质量，研究人员采用了多种影像模态进行测试，包括CT、锥形束CT（CBCT）、以及T1和T2加权的MRI图像。这些测试不仅评估了体模的影像对比度，还验证了其在动态运动条件下的表现。通过分析不同影像模式下的组织对比度，研究发现体模的软组织Hounsfield单位（HU）值与人体组织的参考范围吻合，误差在3%至28%之间，处于可接受的范围内。对于MRI中的T1和T2弛豫时间，其与参考值的偏差也较小，最大值为24%，其中肝脏的差异最为显著。此外，研究人员还利用3D Slicer软件对影像数据进行了分析，进一步确认了体模在动态影像条件下的适用性。

在运动监测方面，BRaVIDA体模通过两种方式模拟呼吸运动：一种是通过气动系统间接驱动肺部模型，从而带动膈肌和腹部膜的运动；另一种是通过两个独立的驱动装置直接作用于膈肌和腹部膜，以模拟更复杂的运动模式。体模的运动范围和模式可以通过调整参数或使用患者实际的呼吸曲线进行控制，从而实现对呼吸和消化运动的精确再现。在测试过程中，体模的运动幅度和方向被测量，并与参考值进行对比。结果显示，胰腺、胃和肝脏模型在4DCT和4DMRI中的运动幅度与预期值高度一致，表明体模能够准确模拟人体器官的动态变化。

在剂量测量方面，BRaVIDA体模通过不同的材料模拟人体组织的电子密度和停止功率比（SPR），这些参数对于放射治疗计划系统的剂量计算至关重要。由于部分材料未被Eclipse治疗计划系统（TPS）的Hounsfield Look-Up Table（HLUT）所覆盖，研究人员通过测量这些材料的相对电子密度（RED）和停止功率比，并与TPS的参考值进行对比，以确保其在剂量验证中的准确性。结果显示，所有材料的RED和SPR值与TPS的参考值基本一致，最大偏差不超过7%和9%。对于光子束的衰减特性，体模的材料衰减值与水相比的偏差控制在1.5%以内，这表明其在剂量计算中的可靠性。因此，BRaVIDA体模不仅能够用于光子治疗的质量评估，也具备一定的离子束应用潜力，但需要对TPS中的停止功率比进行调整，以确保在离子治疗中的正确范围计算。

在临床和科研应用中，BRaVIDA体模的多功能性使其成为一种重要的工具。它不仅能够用于测试自适应放射治疗的全流程，包括患者定位、影像配准、治疗计划调整和照射，还能用于评估表面引导放射治疗（SGRT）的运动监测能力。此外，体模的可变形结构使得研究人员可以模拟多种生理状态，如肺部积液或胃肠道蠕动，从而为自动化分割、可变形影像配准以及合成影像数据集的生成提供支持。这种特性对于发展基于人工智能的影像处理和运动预测技术也具有重要意义，因为体模可以提供大量训练和验证数据。

尽管BRaVIDA体模在多个方面表现出色，但其在长期使用中的稳定性和耐用性仍需进一步验证。目前的研究仅覆盖了14个月的测试周期，未能全面评估其在重复使用过程中的性能变化。未来的研究需要关注体模在长时间使用中的耐久性，以确保其在临床和科研应用中的持续可靠性。此外，虽然体模在影像和剂量方面表现出良好的一致性，但其与人体组织在某些影像和运动特征上的差异仍可能影响AI模型在实际临床中的应用效果。

综上所述，BRaVIDA体模的引入为放射治疗的自适应流程提供了一种全新的测试工具。它不仅在影像对比度和运动模拟方面具有高度的真实性，还能够支持光子和离子束治疗的剂量验证，为提高治疗精度和安全性提供了坚实的基础。该体模的开发和应用，有助于推动放射治疗技术的发展，特别是在多模态影像融合、动态肿瘤跟踪和智能治疗计划调整等领域。未来，随着技术的不断进步和体模性能的进一步优化，BRaVIDA有望成为放射治疗领域不可或缺的重要资源。