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仿真体模研制及在胸部CT应用的进展

更新时间 2011-9-21 12:52:15 点击数:

    *赵 峰综述,曾勇明△审校(重庆医科大学附属第一医院放射科 400016)
       关键词:体层摄影术,X线计算机;辐射剂量;仿真体模;胸部
    doi:10.3969/j.issn.1671-8348.2011.23.035文献标识码:A文章编号:1671-8348(2011)23-2371-03  仿真体模(anthropomorphic phantom)是根据人体参数,用与人体组织具有相同或相近散射和吸收系数相似的所谓“组织等效材料(tissue equivalent materials)”制成的具有骨骼、肌肉、脏器的人体模型。它具有外部形态相似性、组织辐射等效性、内部结构仿真性、辐射剂量可测试性4大特点。目前它已成为国内外放射防护、诊断、治疗、教学和辐射标准研究中作为“人体替身”和物质能量、信息传递的“稳定受体”,进行剂量可视化、定量化“模拟的工具”而广为应用[1]。现就仿真胸部体模研制及其在CT应用方面的新进展作一综述。
    1 仿真体模国内外研制的进展
    1.1 国外仿真体模研制的进展 体模发展可以追溯到20世纪初期,1906年奥地利放射物理学家Kienbock将水作为肌肉的替代物,用石蜡作为软组织的替代物研究射线对人体组织的作用。1949年Jones等在石蜡中掺入了氧化镁和二氧化钛等高原子的无机添加材料并开始应用于制作简单的仿真辐照体模及辐射剂量测量中。1956年有学者首次把合成高分子材料引入组织辐射等效材料的研究中,选用聚乙烯为原材料合成了世界上第一具聚乙烯仿真辐照体模。1961年Stacey等用橡胶作为组织辐射等效材料,制成Temes体模进行放射剂量测定。
    20世纪60年代中期,美国的Alderson实验室推出了改进型橡胶仿真辐照体模,同时开始了仿真辐照体模放射诊断、治疗、教育、研究系列体模的开发,成立了最早对外销售仿真辐照体模及组织辐射等效材料的公司,该公司的主要产品是RANDO仿真辐照体模,它含有真人骨骼、体腔和拟人肺。1984年美国Lawrence Livermore胸肺体模已有剂量测定、疾病模拟,检测机器和人员训练等10种功能。1985年Wielopolski等向聚丙烯酰胺中加入添加剂使得该材料的元素组成、比重、电子密度和形态上都与模拟组织更加相似,由于聚丙烯酰胺是一种可加工成各种复杂形状、并且易于制得、均一密度的材料,所以其在用于制造形状复杂的人体器官等效材料方面具有一定的优势。
    着现代科技进步和影像医学的迅速发展,体模材料和相关技术日趋完善,体模向系列化和商品化发展,其中CIRS及KYOTO KAGAKU等公司研制并销售多种应用于X线/CT、核磁共振、超声、放疗、乳腺等研究领域不同型号商用体模。
    KYOTO KAGAKU公司开发的胸部CT筛查仿真体模(LSCT001)包括了双臂上举的胸部仿真体模、模拟肿瘤和剂量测量装置3部分,开发用于肺癌筛查中优化放射剂量和其他扫描条件的CT体模,该体模设计可用于早期肺癌如磨玻璃密度影(ground glass opacity,GGO)的检测;胸部体模N1“LUNG-MAN”用于普通X线和CT扫描,体模内部由纵隔、肺血管和可拆分腹部组成,并可以嵌入模拟肿瘤或其他模拟病变,其三维肺血管模型可以提供真人化的X线和CT图像。2008年Yoon等[2]研制出一种用猪肺经塑化后制成的仿真肺部体模,用高分辨3D-CT对活猪体内肺及塑化肺体模扫描并三维重建,对比二者解剖特征、体积及CT值,经塑化的肺体模保持着其原有复杂的解剖结构。
    1.2 国内仿真体模研制的进展 国外多数体模的人体参数是按国际辐射防护委员会(international commission on radiologi-cal protection,ICRP)标准,根据欧美人种解剖参数确定的,与中国人体型、体质、辐射特征有显著差异。由于人体参数与国家、民族、出生地等有明显的相关性,因此中国的仿真人体模型必须符合中国人体的参数特性。我国于上世纪80年代初期开始相关研究,取得了较大进展。国内仿真辐照体模由当初单一组织辐射等效材料制成的均匀仿真体模发展为包括骨骼、肌肉和肺等多种组织辐射等效材料的非均匀体模,器官分布也基本按照真实人体分布,外形也由简单型向拟人化发展[3]。1980年以后,国内结合中国人特点开展了均匀体模、液体体模、非均匀体模的试制,并取得了较大进步。1986年,四川大学林大全教授成功制作了中国首具男性仿真辐照体模。该体模包含一具真人骨骼和多种人工组织辐射等效材料制成的人体模拟脏器,其中肺组织辐射等效材料由发泡型高分子材料制成[4]。
    2000年林大全教授研制出中国成人男性CDP-IC型高端仿真胸部体模(体模身高1.659 m,体质量57.5 kg),它根据中国成人男性的人体参数特性,利用组织等效材料制造而成,因其具有模拟胸壁、纵隔、脊柱、肋骨等结构和良好的等效性,有很好的临床运用前景。曾勇明等[5]研究认为该体模密度特征与实际的胸部有所不同,但对于不同数字X线成像系统用它来进行病变数量、图像质量及曝光剂量测量,效果是相同的。彭刚等[6]对该仿真胸部体模组织等效性的影像学研究表明仿真胸部体模的CT断层解剖图像与人体结构基本符合,该体模呈双臂平放状态,与实际胸部CT扫描时受检者双臂上举不一致及体模缺少气管、肺血管等解剖结构,该体模的改进研制正在进行中。
    2 仿真胸部体模在CT的应用进展2.1 模拟肺部结节胸部低剂量CT检出的应用研究 在世界范围内肺癌的发病率及病死率持续增高。当今应用螺旋CT扫描作为早期肺癌筛查方法被广泛关注。由于肺内有空气与肺实质的良好对比,因此肺部最适合于低剂量CT扫描。研究表明胸部低剂量CT对早期肺癌发现率是胸部平片的2.6~10倍[7-8]。肺部结节检出的影响因素很多,其中与扫描参数相关因素包括扫描层厚、重建间隔、螺距以及管电压、管电流;与非扫描参数相关因素的影响,包括结节位置、密度、大小、形状、边缘及图像显示方法等。
    朱天照等[9]的肺内模拟结节检出率研究发现低剂量组直径5 mm结节检出率为89.7%,与常规剂量组比较差异无统计学意义,直径10 mm的结节在低剂量组与常规剂量组均全部检出。Muramatsu等[10]应用仿真胸部体模获得与肺部筛查相似的图像,并可清晰显示肺部病变,该研究发现高对比度(ΔCT270)时直径6 mm模拟肿瘤在肺尖、支气管分叉和肺底水平检出率均为100%,与螺距及管电流无关;低对比度时(ΔCT100)在螺距2.5时模拟肿瘤图像对比度降低,影响了检出率;低剂量扫描时图像条状伪影轻度增加,但模拟结节检出无明显差异。Silverman等[11]研究320层容积CT仿真体模内模拟肺实性小结节的检出率,认为低剂量CT肺小结节检出的限制因素是图像噪声而不是空间分辨率,在低剂量时通过选择平滑重建可保证结节检出率,合理选择重建参数,在保证肺实性小结节检出率的同时,放射剂量可减少到低于目前的低剂量(5 mGy)的超低剂量(0.1 mGy)水平。
    Funama等[12]用多排螺旋CT对模拟肺部磨玻璃密度影的体模研究结果显示,低剂量(21 mA、45 mA)CT检查时CT值-800 HU或更低密度的GGO模拟结节漏检率约为60%、36%,CT值高于-650 HU的GGO结节在21 mA、45 mA时漏检率分别为17%、8%,因此在低管电流下磨玻璃密度影难以检出,低剂量CT应用于肺部磨玻璃密度影的检出有一定限度。Rusinek等[13]研究指出20 mA时虽然低剂量CT的图像噪声和伪影增多,未能检出磨玻璃影,在一定程度上降低了肺结节检出的敏感性和特异性,但能够可靠检出大于5 mm的肺结节,与标准剂量扫描相比差异无统计学意义。
    2.2 仿真胸部体模在低剂量CT扫描技术的优化中的应用 影响CT剂量的扫描参数包括管电流、电压、扫描方式及扫描范围,管电流是最常用的控制参数,在其他扫描参数相同的情况下放射剂量的多少与管电流呈线性

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