Thalia的开发与验证：10月龄婴儿高分辨率儿科计算模型

《NeuroImage》：Development and Validation of Thalia: A High-Resolution Pediatric Computational Model of a 10-Month-Old Infant

　　

基于MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）数据开发的10个月龄儿童高分辨率模型。分割出442个组织，以精确捕捉早期解剖发育特征。模型经专家评审及年龄匹配解剖数据验证。提供了儿科经颅磁刺激（TMS，Transcranial Magnetic Stimulation）应用案例的示例性展示。

计算建模已成为生物医学科学与工程领域不可或缺的工具，能够为复杂生物系统提供机制性见解，并支持新兴医疗技术的设计、优化与安全性评估。计算体模经历了从早期MIRD、ICRP等程式化几何模型，到基于CT/MRI的体素模型，再到基于NURBS和多边形网格的边界表示（BREP）与混合模型的演变。尽管儿科体模反映了年龄相关的解剖变异，但现有模型存在明显局限：Nina模型（3岁女性）由5岁Roberta模型变形而来，可能引入解剖误差；Charlie模型（8周龄）仅含45个分割组织且验证有限；Martin模型（29个月龄）和Athena模型（3.5岁）虽提供了更详细的幼儿表征，但约1岁龄婴儿的高分辨率全身模型仍然稀缺。为填补该空白，研究人员基于高分辨率MRI数据开发了Thalia模型——一个10个月龄女性全身计算模型，旨在提供前所未有的解剖细节并支持儿科计算建模中的性别特异性表征。

本研究利用一名10个月龄女性受试者的多种MRI序列，通过自动、半自动和手动分割技术，构建了包含442个独立组织的全身解剖模型。模型经两名资深神经放射学专家（P.E.G.和M.H.L.）逐结构审查，并与年龄匹配的文献参考数据（如脑脊液体积、脑重、器官体积和骨骼比例）进行定量验证，结果均落在文献报告范围内。作为示例应用，研究人员在Sim4Life中利用低频磁准静态有限元方法模拟了六种TMS线圈设计，展示了该模型在研究婴儿脑中线圈依赖性刺激特性方面的应用价值。该论文发表在《NeuroImage》。

图像数据来源于波士顿儿童医院（BCH）图片归档与通信系统（PACS）数据库，包含覆盖全身的T1w MPRAGE、T2w FLAIR、IR、T2 HASTE等多种MRI序列。所有图像重采样至0.5×0.5×0.5 mm³，并以全身冠状位T1w图像为参考进行六自由度刚性配准。脑分割采用Infant FreeSurfer自动框架结合半自动/手动修正；非脑组织在3D Slicer中通过区域生长、种子生长、平滑等半自动工具完成，并由神经放射学专家迭代审查。TMS模拟采用Sim4Life低频磁准静态模块（版本7.2，网格1.5×1.5×1.5 mm³），六种线圈均在5 kA、2.5 kHz统一激励条件下进行仿真。

3.1 分割结果：分割过程产生了覆盖全身的442个不同组织标签。脑组织被分割为36个实质结构，包括皮质灰质、白质、小脑成分、深部灰质核团和脑干结构；另分割了脑膜、脉络丛及五个CSF腔室（双侧侧脑室、第三脑室、第四脑室及剩余颅内CSF）。眼与视系统被分割为21个结构，涵盖巩膜、晶状体、视网膜、玻璃体、眼外肌及视通路。脊柱被分割为67个结构，胸廓被分割为50个节段，29个内脏组织被分割。所有骨骼元素均将密质骨（CB）和骨髓（BM）分开分割，以支持精确的组织特异性材料属性赋值。

3.2 验证结果：通过专家评审与文献定量对比验证模型准确性。颅内总CSF体积为93.57 cm³，与Matsuzawa方程估算的93.89 cm³高度一致；脑重量899.36 g在文献报告范围（800–900 g）内；肺、心脏、肝、肾、胰腺、脾、胸腺及卵巢等器官重量/体积均与文献值一致（如右肺112.5 g vs 文献70–180 g，心脏48.3 g vs 25–50 g）；桡骨/肱骨、胫骨/股骨等骨骼比例接近规范值，确认了重建模型的解剖学合理性。

3.3 组织特性：为考虑年龄相关组织组成差异，研究人员基于Peyman等人大鼠数据外推，计算了年龄依赖性介电特性缩放比率并用于敏感性分析。颅骨（皮质骨）缩放比率最高（相对介电常数比2.04、电导率比3.50），皮肤和脑的转换比率分别为介电常数1.67/1.43、电导率1.94/1.65；排除皮肤和颅骨后的软组织平均缩放比率为介电常数1.32、电导率1.55。

3.4 TMS模拟结果：比较了三种"8"字形线圈和三种圆形线圈。圆形线圈采用中半径对齐策略（距离最短）。所有配置的峰值电场幅度‖E_max‖在标准条件下均超过300 V/m。25 mm"8"字形线圈产生高度聚焦刺激但峰值较低；90 mm圆形线圈产生更高E_max及更广泛的刺激灰质体积（V_1/2）；50 mm"8"字形线圈兼具较高峰值电场和较小刺激体积。年龄调整介电特性模拟显示更高峰值电场（约400–900 V/m），与颅骨电导率增加导致的衰减减少一致。

讨论部分指出Thalia模型的主要优势：基于单一个体体内MRI成像而非变形方法（区别于Nina和Charlie模型）；442个组织的分辨率高于Martin模型（114个组织）和Athena模型（267个组织）。局限性包括：部分MRI序列原始分辨率不足（如全身扫描层厚5.0 mm）、多序列配准挑战、仅依赖MRI（无CT）导致的空间分辨率限制、以及年龄依赖性介电特性缩放基于文献推导而非直接测量。与成人TMS模拟研究（峰值电场约100–300 V/m）相比，本研究电场幅度较高，但该比较仅为间接背景参考，不应直接归因于发育解剖差异，也不应视为临床安全性或耐受性的直接指标。

结论：本研究提出Thalia——一个经验证的10个月龄女性高分辨率计算模型，包含442个不同组织，解决了儿科解剖体模领域的关键空白。该模型完全基于单一受试者的体内MRI数据、以非变形方式构建，确保了全身解剖一致性。定量验证确认了重建解剖结构的准确性与可靠性。Thalia支持多尺度、多器官计算研究，适用于