一种用于计算机断层扫描神经影像学研究的新型三维患者特异性儿科脑部体模的开发与验证

《Pediatric Radiology》：Development and validation of a novel three-dimensional patient-specific pediatric brain phantom for computed tomography neuroimaging research

　　**摘要****背景**儿科头部计算机断层扫描（CT）广泛应用于紧急神经影像学检查，但儿童对辐射更为敏感，使得扫描协议优化和定量验证变得尤为必要。目前许多可用的人体模型缺乏患者特异性的儿科解剖结构和真实的脑组织模拟衰减特性，限制了其在神经CT研究与基准测试中的相关性。**目的**开发并验证一种基于CT的患者特异性儿科脑模型，使其保留解剖学上忠实的几何形态，并能复现具有物理学验证的能量依赖性脑组织模拟软组织衰减特性。**材料与方法**对一例完全匿名化的5岁儿童头部CT在3-D Slicer软件中进行分割，导出为标准立体光刻语言（STL）格式，并分割为两个半球。通过三维打印聚乳酸（PLA）母模来制造增强硅胶模具。通过丙酮改性环氧体系制备均匀的脑组织模拟软组织替代材料。将组装完成后的人体模型分别在80、100、120和140千伏峰值（kVp）下进行扫描。测量两个半球中基于感兴趣区（ROI）的CT值。采用粒子与重离子输运代码系统（PHITS）进行蒙特卡洛模拟，使用单能透射法在15–150千电子伏特（keV）范围内完成计算衰减验证，并与PhyX-光子屏蔽与剂量学（PhyX-PSD）及美国国家标准与技术研究院XCOM数据库（NIST/XCOM）参考值进行比较。**结果**所制作的人体模型保留了主要的双侧形态，并保留了原始患者来源脑体积的96.85%，两半球体积分别为1,129.15 cm3和1,165.89 cm3。CT值和CT衍生的质量衰减系数以均值±标准误（SEM）报告。在匹配的管电压120 kVp下，人体模型的平均CT值为44.94±1.38亨氏单位（HU），源儿科脑实质的平均CT值为40.66±4.13 HU，绝对差值为4.28 HU。在整个扫描序列中，平均CT值从80 kVp时的18.55±1.14 HU增加至140 kVp时的51.04±0.93 HU。CT衍生的质量衰减系数在80–140 kVp范围内从0.1664±0.0002降至0.1445±0.0001 cm2·g?1。PHITS模拟得到的衰减系数与理论参考值高度吻合，在预定义的15–150 keV诊断光子能量范围内相对差异均在±5%以内。**结论**本研究证实了生产具有保留几何形态和临床相关整体CT衰减特性的三维患者特异性儿科脑组件的可行性，为后续将颅骨及其他结构整合至模块化完整头部人体模型提供了方法论基础。**图形摘要**（图形展示）