基于光子计数CT的新型3D打印小儿腹部仿体验证研究：为辐射剂量优化提供新工具

《Scientific Reports》：Validation of a novel 3D-printed anthropomorphic pediatric abdomen phantom using photon-counting CT

本研究针对儿科CT扫描辐射剂量优化缺乏可重复验证工具的问题，开发了一种基于真实患者数据的新型3D打印小儿腹部仿体，并在光子计数CT(PCCT)上验证其图像质量。研究结果表明，该仿体在70 kV扫描条件下能够准确再现器官、肌肉和血管的CT值(p=0.019)，噪声水平与真实患者扫描等效(p=0.027)，主观图像质量评分达到临床适用水平(中位数4分)。这一成果为未来开展儿科CT剂量优化研究提供了重要的实验工具，有望推动ALARA原则在儿科影像中的实践应用。

　　

在当今医学影像领域，计算机断层扫描(CT)已成为疾病诊断和治疗规划不可或缺的工具。然而，CT扫描带来的辐射暴露问题始终是悬在医患双方头上的"达摩克利斯之剑"，特别是对于儿童患者而言。孩子们不仅对辐射更为敏感，其更长的预期寿命也意味着辐射诱发癌症的累积风险更高。尽管医学界早已提出"尽可能低"的ALARA原则，但在实际临床工作中，如何在降低辐射剂量与保证图像质量之间找到最佳平衡点，仍是一个巨大挑战。

传统的剂量优化研究面临伦理困境——我们显然不能对同一患者进行多次不同剂量的CT扫描。这就是为什么科学家们将目光投向了3D打印仿体技术。想象一下，如果能够制作出与真实患者解剖结构完全一致的仿体，研究人员就可以自由调整扫描参数，探索剂量与图像质量的关系，而无需让任何患者承受额外辐射。本研究正是基于这一理念，开发了一种创新的小儿腹部3D打印仿体，并在最先进的光子计数CT技术上验证其性能。

研究人员采用了一项关键技术方法：首先从一名5岁患儿的临床PCCT扫描中获取DICOM数据，通过原型迭代重建算法进行极致去噪处理；然后利用多材料PolyJetTM 3D打印技术，使用三种具有不同辐射不透性的光敏聚合物材料(TissueMatrix?、Vero?ClearB、RadioMatrixTM)，通过像素到像素的映射过程制作出解剖结构高度真实的腹部仿体；最后在相同PCCT扫描仪上对仿体进行多次扫描，系统比较其与原始患者扫描在客观CT值、图像噪声、对比噪声比(CNR)以及主观图像质量等方面的差异。

客观图像质量评估

研究结果显示，在70 kV管电压、Br40重建内核条件下，仿体扫描与患者扫描在器官、肌肉组织和血管的CT值方面表现出统计学等效性(p=0.019)。

然而，在脂肪和肋骨这两种极端密度组织的再现上存在显著差异：仿体中脂肪的平均CT值明显高于患者(-48.3 HU vs. -124.5 HU)，而肋骨则较低(842.5 HU vs. 1059.5 HU)。这种差异主要归因于打印材料的物理特性限制——最低密度材料TissueMatrix?的校准CT值为-30 HU，无法准确再现人体脂肪的更低CT值。

在图像噪声方面，仿体扫描与患者扫描在所有分析器官中均显示等效(p=0.027)。

值得注意的是，当使用更锐利的Br44重建内核时，图像噪声显著增加(p<0.001)，这表明Br40重建能更好地模拟患者扫描的噪声特性。对比噪声比分析显示，仿体扫描的CNR²甚至高于患者扫描，这可能得益于制作过程中采用的去噪处理消除了原始图像中的噪声纹理。

主观图像质量评估

三位放射学专家采用5分制Likert量表对八项靶区结构进行盲法评估，结果显示组内相关系数(ICC)达0.84，表明评分者间一致性极佳。患者扫描的中位数评分为5分(完美)，而仿体扫描为4分(良好)，差异具有统计学意义(p<0.001)。

具体而言，仿体在软组织结构如肾脏皮质髓质分界、门静脉分支等方面表现良好，但在骨结构再现上明显较差。使用更锐利的Br44重建内核或90 kV管电压并未显著改善主观评分。

仿体形态学特征

视觉比较显示，仿体成功再现了患者腹部的精细解剖结构，包括外周门静脉分支等微小结构。仿体表面的空气显示准确，但内部空腔(如结肠、胃)中的空气大多被打印为固体支撑材料。整体而言，仿体扫描图像略显模糊，细微结构和器官边界不如患者扫描清晰。

研究结论强调，这种基于3D打印的儿科腹部仿体在主要腹部结构的CT值再现和图像噪声方面与真实患者扫描具有高度可比性，为未来开展系统性的剂量优化研究奠定了坚实基础。尽管在极端密度组织(脂肪和骨骼)的CT值再现以及内部空腔的模拟方面存在局限，但该仿体已能够满足多数临床相关图像质量评估的需求。

这项研究的创新之处在于首次将多材料3D打印技术应用于儿科腹部仿体的制作，并系统验证了其在最先进光子计数CT上的性能。与以往基于纸质层叠或有限解剖区域的仿体相比，该方法提供了更高的机械稳定性、更好的CT值准确性以及更完整的解剖真实性。未来，这种仿体不仅可用于CT剂量优化研究，还有望在介入训练、人工智能噪声减少算法开发以及新型CT技术验证等领域发挥重要作用。

尽管该研究存在一些局限性(如仅基于单一儿科患者数据、仅使用一台PCCT扫描仪验证)，但它无疑为儿科放射学领域提供了一种强大的新工具。随着打印材料技术的进步和校准方法的优化，我们有理由相信，这种仿体技术将在推动儿科低剂量CT成像发展中扮演越来越重要的角色，最终实现既保证诊断质量又最大限度保护儿童患者的目标。