一种用于小型动物PET扫描仪校准的3D打印动物模型原型

《Applied Surface Science Advances》：A Prototype of a 3D-Printed Zoomorphic Mouse Model for Small Animal PET Scanner Calibration

本研究开发了一种基于DM_BRA鼠模的3D打印小型动物PET幻影，用于评估其计数效率和计数率性能，并与NEMA标准圆柱形幻影对比。结果显示，该幻影解剖结构合理，适用于不同示踪剂和常规实验室检测。

　　
本研究聚焦于开发一种适用于小型动物PET扫描器校准的3D打印解剖结构模体，并系统评估其性能表现。当前小动物PET研究普遍采用圆柱体模体进行标准化校准，但这种几何简化可能无法准确反映实验动物的真实解剖特征。团队基于已有的DM_BRA小鼠三维像素数据（Mendes等，2017），通过计算机辅助建模技术重构了具有完整解剖结构的实体模体，为量化评估PET系统性能提供了更贴近实际的实验载体。

在建模过程中，研究团队创新性地将数字解剖模型与3D打印技术相结合。首先利用图像处理软件（如ImageJ和GIMP）对DM_BRA原始数据集进行结构化处理，提取出具有生物医学意义的解剖结构分层信息。打印材料选用环氧树脂与硅胶复合粘合剂，在保证结构强度的同时有效解决了传统多孔材料导致的放射性示踪剂泄漏问题。特别值得注意的是，模体内部设计了可拆卸的模块化结构，既保持了与真实小鼠的精确几何匹配（体重28g，各部位尺寸误差控制在2mm以内），又为后续的示踪剂装载和性能测试预留了操作空间。

实验验证环节采用GE Healthcare的LabPET4 Solo扫描系统，该设备具有0.25mm3微立方体分辨率和640×640矩阵的探测器阵列，其性能参数与当前主流的小动物PET设备基本一致。通过对比分析发现，当使用自主研发的解剖结构模体时，系统计数效率达到6.4kCPS·MBq?1，该数值与NEMA标准圆柱体模体的理论预期值存在约12%的偏差。深入分析发现这种差异主要源于两种模体在组织密度分布和散射特性上的本质区别：圆柱体模体具有均匀密度分布，而解剖模体根据真实小鼠的器官位置分布了不同密度的填充材料（如骨骼区域使用高密度树脂，软组织区域采用低密度缓冲材料）。

研究特别关注了模体在不同放射性同位素下的适应性表现。当使用1?F-FDG示踪剂时，解剖模体在衰减校正后的图像重建质量与圆柱体模体无显著差异（SUVmax值波动范围<5%）。但在131I标记物测试中，由于碘系同位素具有更强的组织穿透能力，解剖模体的散射校正因子（S scatter）较圆柱体模体高出约8%，这可能与模体内部复杂的多组织散射结构有关。值得注意的是，当测试剂量超过120MBq时，两种模体的计数率曲线均出现平台效应，这与PET探测器有限的能量分辨率和本底噪声密切相关。

对比分析显示，解剖结构模体在空间分辨率测试中表现出独特的优势。在5mm感兴趣区域（ROI）定位测试中，解剖模体的中心偏差（mean deviation）为0.8mm，而圆柱体模体因几何特征差异导致中心偏差扩大至1.5mm。这种差异主要源于探测器排列方式：圆柱体模体需要调整扫描角度以覆盖整个体积，而解剖模体可保持自然体位，减少了机械扫描带来的误差累积。

在实际应用场景中，研究团队发现解剖模体在动态扫描测试中具有显著优势。当模拟活体动物代谢过程时，圆柱体模体因几何特征固定，无法有效反映示踪剂在真实解剖结构中的动态分布差异。例如，在肝脾代谢对比测试中，解剖模体能准确模拟出这两个器官在PET图像中的信号衰减特征，而圆柱体模体因结构均匀性导致衰减校正系数偏差达15%。这种特性对于开发基于器官特异性分布的示踪剂剂量计算模型具有重要参考价值。

在实验实施过程中，研究团队建立了多维度质量控制体系。首先采用激光干涉仪对3D打印部件进行尺寸精度检测，确保各解剖结构（如头骨厚度、脏器间距等）误差不超过设计值的3%。其次开发了示踪剂装载的标准化操作流程，通过模体内置的精密注药孔（孔径误差<0.1mm）实现示踪剂在目标解剖区域的精准分布。此外，针对不同能量段（511keV-686keV）的γ射线，研究团队设计了多组测试方案，包括不同体位扫描（俯卧位、仰卧位）和运动状态模拟（如呼吸补偿算法测试）。

值得深入探讨的是该模体在辐射安全评估方面的创新应用。通过在模体内部嵌入多组剂量监测探针（空间分布密度为1探针/50mm3），研究首次获取了小动物PET系统在活体实验中的三维剂量分布数据。结果显示，在正常工作参数下（扫描时间15分钟，注射剂量200MBq），肝脏区域的有效剂量为0.87mSv，而骨骼肌区域仅为0.12mSv，这种剂量分布特征与真实小鼠的生理代谢规律高度吻合。研究建议后续实验可基于此数据建立剂量-图像质量预测模型，这对优化活体成像实验方案具有重要指导意义。

从技术发展角度分析，本研究突破了传统模体设计理念。现有文献中多数3D打印模体仍局限于简单几何结构（如Zhang等，2018年设计的多模态模体仅包含单一示踪剂注入点），而本研究的解剖结构模体实现了三个层面的创新：其一，通过分层打印技术（表层ABS树脂+中层生物凝胶+内层金属骨架）实现了密度分布的类组织特性；其二，引入了可编程示踪剂装载系统，支持不同代谢路径的示踪剂同步测试；其三，开发了基于机器学习的图像伪影校正算法，专门针对模体内部复杂散射结构带来的伪影问题。

在应用前景方面，该模体展现出多重拓展价值。对于新示踪剂研发，其模块化设计允许快速更换内部填充物，支持不同代谢路径示踪剂的测试（如葡萄糖类似物、氨基酸类标记物）。在方法学验证方面，可结合该模体开展PET/MRI多模态校准研究，特别是在图像配准精度测试中，解剖模体的天然结构特征为算法优化提供了理想的基准数据。此外，该模体可扩展至其他影像模态测试，例如在MRI校准中嵌入不同磁化率的材料层，实现T1/T2加权成像的标准化测试。

需要指出的是，研究团队在实验设计上规避了常见误区。例如在计数效率测试中，特别排除了环境本底干扰（采用铅屏蔽室隔离），并通过双盲测试确保数据可靠性。针对小动物PET特有的探测器运动机构，研究开发了定制化测试支架，同步记录机械运动参数与图像重建质量的关系，为设备维护提供了新思路。

当前研究仍存在若干改进空间。首先，模体内部未考虑真实组织的水含量差异，建议后续版本可集成湿度可控材料。其次，在极端剂量测试（>300MBq）时，需验证模体结构稳定性。此外，团队计划开发配套的软件平台，实现模体参数与PET系统性能的自动关联分析，这将进一步提升校准效率。

总体而言，本研究不仅填补了小动物PET解剖结构模体的技术空白，更在方法学层面推动了预临床影像设备的标准化进程。其成果对优化新药研发流程具有实际意义：通过建立解剖结构导向的校准体系，可使示踪剂剂量设计更贴近临床转化需求，从而减少重复实验次数达30%-40%（基于前期预实验数据估算）。这种技术突破有望促进更多创新示踪剂在肿瘤诊疗中的应用，并为人工智能辅助的影像设备质控提供新范式。