CN105390056A - 用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体及其制备方法。本发明的模体的制备方法包括以下步骤：1）依据腹部肿瘤病人的CT图像制备与人体腹部器官外轮廓高度相似的三维模具；2）制备和各器官CT值相近的仿真器官；3）制备仿真的刚性骨头；4）制备腹部外轮廓模具，在模具内放置仿真器官和仿真刚性骨头，注入PVC聚合溶液注塑，设置标记点和热释光剂量片。本发明的模体内各主要器官与人体器官具有相似的CT值，可较为真实的模拟腹部器官的变形，通过在器官内部与各器官之间植入标记点和热释光剂量片，可进行自适应放射治疗中变形配准算法的几何精度验证以及剂量叠加精度验证，模体的恢复性和变形后的再现性良好。

Description

用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体及其制备方法。
背景技术
精确的图像变形配准技术是图像引导放射治疗（IGRT）的关键技术之一，任何层次上的图像引导都是基于医学图像配准的结果。在多分次治疗中，病人内部器官组织的形变，随着放疗的进行肿瘤体积的缩小等，都会引起摆位误差。而图像配准技术可以根据每个分次治疗获得的图像来校正摆位误差，校正放疗计划，实现自适应放疗。此外，图像变形配准技术还可以用于多分次放疗剂量的变形和累加，可以将患者每个分次实际照射的累积剂量和计划剂量进行比较，调整后续分次的照射剂量，从而实现更精确的放疗。图像变形配准算法的准确度会直接影响放疗的精确性，决定放疗的最终疗效。因此，有必要制作一个稳定、可重复和高仿真的变形模体，以验证图像配准算法结果的准确性。用简单的材料组合成模拟器官，再通过简单的变形运动模拟器官运动，再辅以剂量测定，则可以用于图像配准和剂量学的验证。
目前，已经有不少人在做变形模体的研究，大多数的研究以头颈部模体和肺部模体为主，并以简单的随机运动来模拟人体器官的变形。Kirby（N.Kirby，MedPhys，38，4583（2011）.）和Graves（Y.J.Graves，MedPhys,42，1490（2015）.）提出的头颈部体模都是二维结构的，根据头颈部的一些解剖特点，把柱体形状的模拟器官和气囊放置在一个圆盘，通过气囊的收缩膨胀导致模体的变形。Chang（J.Chang，JApplClinMedPhys，11，3081（2010）.）等研究的变形肺部模体主要通过一个气囊模拟肺部，再通过气囊的收缩膨胀导致模体的变形。这些二维头颈部模体和肺部模体都是通过在模体表面放置标记点来定量评价变形配准算法的精确性。Hungr（N.Hungr，MedPhys，39，2031（2012）.）研究的前列腺模体是以PVC为主要材料，根据人体前列腺器官的大致形状制作模具，注塑到模具中，在器官表面放置标记点，按照人体大概的解剖位置放置前列腺器官和直肠的位置，利用插针的方式对前列腺器官进行变形。Kashani（R.Kashani，MedPhys，34，199（2007）.）研究的变形胸腹部模体是在泡沫中嵌入几个固体的模拟组织球体和几十个小的塑料球作为标记点，通过电脑控制压缩机对模体在一维方向进行压缩，从而发生变形。配准前在图像上去掉标记点，利用配准算法对模体变形前后的图像配准得到配准结果，标记点和配准后的位置差异可以定量分析配准算法的精确性。
目前，多数模体是二维结构的，不具备真实器官的三维解剖结构和三维结构变形的复杂性。虽然也有一些模体是三维结构的，但其所构成的器官单一且不具备真实器官的三维解剖结构，变形过于简单，如旋转或平移，很少有模体可将验证变形配准算法和验证剂量叠加精度结合在一起。
呼吸运动对器官的运动和变形影响比较大，在人体中，腹部是呼吸运动的主要区域，且涉及的器官也比较多。因此，腹部肿瘤的放射治疗对图像变形配准的精确度有更高要求，亟需构造一种高仿真人体腹部变形模体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体及其制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体的制备方法，包括以下步骤：
1)调整PVC树脂粉-增塑剂的混合比，制备不同混合比的PVC塑料样品，对各PVC塑料样品进行CT扫描，测定CT值，绘制混合比与CT值的关系图；
2)以腹部肿瘤病人的CT图像为模板，勾画出肝脏、脾脏、肾脏、胃和肿瘤的轮廓线，绘制三维模具图，通过3D打印得到与人体器官外轮廓高度相似的三维模具；
3)在步骤2）的三维模具内设置标记点，根据各器官的CT值选择相应的PVC聚合溶液，注塑成型，得到仿真器官；
4)用3D打印得到骨头模型，放入到PVC聚合溶液中制备PVC阴模，再在PVC阴模中注入白水泥浆体，干燥固化，得到刚性骨头结构；
5)组装模体：用3D打印得到腹部外轮廓模具，在模具内按照病人CT图像上各个器官的解剖位置信息逐层放置制作好的器官和刚性骨头结构，注入PVC聚合溶液冷却固定，设置好标记点和热释光剂量片，得到整体结构与真实病人结构高度相似的模体。
步骤1）中PVC树脂粉-增塑剂的混合比范围为：8×10-2g/mL～23×10-2g/mL，以间隔1×10-2g/mL变化。
步骤1）所述的增塑剂为对苯二甲酸二辛酯、丁酰柠檬酸三正己酯、偏苯三酸三辛酯中的至少一种。
步骤3）和5）中所述的标记点为直径1～2mm的金属球。
步骤3）和5）中设置标记点的具体操作为：先往模具内注塑一层PVC聚合溶液，停止注塑，待熔融的PVC聚合溶液表面固化撑起标记点不下沉，再在PVC塑料表面均匀放置标记点，放置好标记点后继续注塑，重复上述步骤，直至PVC聚合溶液注满模具。
步骤2）、4）、5）中所述3D打印所采用的原料为ABS塑料。
所述PVC聚合溶液的CT值为：-10HU～100HU。
步骤5）中所述的热释光剂量片为表面包覆有聚乙烯薄膜的经退火处理过的热释光剂量片。
本发明的有益效果是：本发明构造了一个高仿真人体腹部变形模体，所构造的变形模体内部主要器官跟人体器官具有相似的CT值、解剖结构和3D空间位置关系，可较为真实的模拟腹部器官的变形，通过在器官内部与各器官之间植入标记点和热释光剂量片，可进行自适应放射治疗中变形配准算法的几何精度验证以及剂量叠加精度验证。
1)本发明的材料为简单、易得、安全的PVC塑料，可通过调节PVC树脂粉-增塑剂的混合比制备不同CT值和弹性模量的PVC塑料，也可以通过采用不同型号的PVC树脂粉和增塑剂制备不同CT值和弹性模量的PVC塑料，可以根据实际需求来制备PVC塑料；
2)本发明采用3D打印技术，利用真实器官轮廓线通过3D打印得到跟真实人体高度相似的三维模具，注塑入模具可以得到跟真实器官高度相似的仿真器官，并利用热PVC聚合溶液快速固化的特点，采用分层的方法在模拟器官内部放置标记点，保证了模拟器官内的标记点分布均匀，提高了模拟的准确度；
3)本发明的模体内各器官之间放置有小且容易识别的标记点，并放置有经退火处理过的热释光剂量片，可用于自适应放射治疗中变形配准算法的几何精度验证和剂量叠加精度验证；
4)本发明把和真实人体CT值和解剖结构高度相似的模拟器官根据病人CT图像上各个器官的解剖位置信息进行摆放，使模体里各器官的CT图像跟真实人体的CT图像相似，可用于放疗中的多个领域；
5)本发明的模体不仅可以研究单个器官的变形，还可以研究腹部各器官之间相互作用下的变形，该模体具有三维结构，能更真实的模拟腹部各器官的变形，提高了验证变形算法的几何精度；
6)本发明的模体具有良好的恢复性，变形后具有再现性，在验证图像配准算法的同时，可以把呼吸运动纳入剂量计算。
附图说明
图1为PVC树脂粉-增塑剂混合比和CT值之间的关系图。
图2为实施例中的模拟器官的制备流程图。
图3为实施例中的腹部肿瘤病人的腹部器官轮廓线图、腹部器官的网格图、3D打印的模具图和构造成型的器官图。
图4为实施例中的刚性椎骨模型的阴阳模和模拟的刚性椎骨骨头图。
图5为不同混合比的PVC塑料的下压位移和应力之间的关系图。
图6为PVC塑料的弹性模量再现性测试结果图。
图7为实施例中的高仿真腹部变形模体的正面图、侧面图和背面图。
图8为腹部肿瘤病人的CT图像与实施例中的高仿真腹部变形模体的CT图像的对比图。
具体实施方式
用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体的制备方法，包括以下步骤：
1)调整PVC树脂粉-增塑剂的混合比，制备不同混合比的PVC塑料样品，对各PVC塑料样品进行CT扫描，测定CT值，绘制混合比与CT值的关系图；
2)以腹部肿瘤病人的CT图像为模板，勾画出肝脏、脾脏、肾脏、胃和肿瘤的轮廓线，按1:1的比例绘制三维模具图，通过3D打印得到与人体器官外轮廓高度相似的三维模具；
3)在步骤2）的三维模具内设置标记点，根据各器官的CT值选择相应的PVC聚合溶液，注塑成型，得到仿真器官；
4)用3D打印得到骨头模型，放入到PVC聚合溶液中制备PVC阴模，再在PVC阴模中注入白水泥浆体，干燥固化，得到刚性骨头结构；
5)组装模体：用3D打印得到腹部外轮廓模具，在模具内按照病人CT图像上各个器官的解剖位置信息逐层放置制作好的器官和刚性骨头结构，注入PVC聚合溶液冷却固定，设置好标记点和热释光剂量片，得到整体结构与真实病人结构高度相似的模体。
优选的，步骤1）中PVC树脂粉-增塑剂的混合比范围为：8×10-2g/mL～23×10-2g/mL，以间隔1×10-2g/mL变化。
优选的，步骤1）所述的PVC树脂粉为台塑工业（宁波）有限公司的聚氯乙烯均一粉S-65（聚合度：1000）或S-70（聚合度：1300）。
优选的，步骤1）所述的增塑剂为对苯二甲酸二辛酯、丁酰柠檬酸三正己酯、偏苯三酸三辛酯中的至少一种。
进一步优选的，步骤1）所述的增塑剂为对苯二甲酸二辛酯。
优选的，步骤3）和5）中所述的标记点为直径1～2mm的金属球。
优选的，步骤3）和5）中设置标记点的具体操作为：先往模具内注塑一层PVC聚合溶液，停止注塑，待熔融的PVC聚合溶液表面固化撑起标记点不下沉，再在PVC塑料表面均匀放置标记点，放置好标记点后继续注塑，重复上述步骤，直至PVC聚合溶液注满模具。
优选的，步骤2）、4）、5）中所述3D打印所采用的原料为ABS塑料。
优选的，所述PVC聚合溶液的CT值为：-10HU～100HU。
优选的，步骤5）中所述的热释光剂量片为表面包覆有聚乙烯薄膜的经退火处理过的热释光剂量片。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例：
用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体的制备方法，包括以下步骤：
1）调整PVC树脂粉（S-65）-增塑剂（对苯二甲酸二辛酯）的混合比，制作16块不同混合比的PVC塑料，混合比的范围为8×10-2g/mL～23×10-2g/mL，以间隔1×10-2g/mL变化，对16块PVC塑料样品进行CT扫描，测定每块PVC塑料样品的平均CT值，并记录好数据；
2）以PVC树脂粉-增塑剂的混合比（10-2g/mL）为横坐标，CT值（HU）为纵坐标，绘制混合比和CT值之间的关系图（如图1所示）；
3）以腹部肿瘤病人的CT图像为模板，勾画出肝脏、脾脏、肾脏、胃和肿瘤的轮廓线，然后以1:1比例导出勾画好的器官的掩膜图像，并将其转化为三维网格图，然后通过工程制图软件将三维网格图转换成为具有注塑入口的三维模具图，以透明的ABS塑料为主要材料，通过3D打印得到与人体器官外轮廓高度相似的三维模具；
4）根据各器官的CT值选择对应的PVC树脂粉-增塑剂的混合比，配制PVC聚合溶液；
5）用边长大概2mm的正方形双面胶在三维模具内壁均匀粘上直径为1mm的金属球标记点，然后刷上脱模剂，待步骤4）中的PVC聚合溶液中的气泡完全脱出后，降温至220℃，开始注塑；
6）先往模具注塑一层一定高度的塑料，再停止注塑2分钟，待熔融的PVC塑料表面固化可以撑起金属球不下沉后，再在PVC塑料表面按一定间隔均匀放置直径为1mm的金属球标记点，放置好标记点后继续注塑，重复以上步骤，直至PVC聚合溶液注满模具停止注塑，得到仿真器官，各模拟器官的PVC树脂粉-增塑剂混合比、平均CT值、目标CT值数据如表1所示；
7）以透明的ABS塑料为主要材料，通过3D打印得到椎骨模型，利用制作阴阳模的原理将刷有脱模剂的椎骨模型（阳模）放入烧杯内，倒入PVC聚合溶液直至漫过模型，室温冷却1小时后取出模型与PVC塑料的结合体，将结合体沿模型中线切开两半取出椎骨模型，剩下两半的PVC塑料作为阴模，然后将白水泥浆体注入两块阴模，最后合上干燥固化两天，即可得到CT值较高的刚性椎骨结构（如图4所示）；
8）组装模体：以透明的ABS塑料为主要材料，通过3D打印得到腹部外轮廓模具，然后在模具里根据腹部肿瘤病人的CT图像上各个器官的解剖位置信息逐层放置制作好的器官和椎骨，注入较低CT值（15HU～25HU）的PVC聚合溶液，并在PVC塑料表面均匀放置直径为1mm的金属球作为标记点，待PVC聚合溶液冷却固化，将聚乙烯薄膜包裹的经退火处理过的热释光剂量片均匀放置在模体内预留的空隙中，用于照射点剂量的测定，得到整体结构与真实病人腹部结构高度相似的模体。
表1各模拟器官的PVC树脂粉-增塑剂混合比、CT值和目标CT值数据。
由图1可知：PVC树脂粉-增塑剂的混合比与CT值之间存在明显的线性关系，用线性拟合把线性关系式计算出来，得到如下线性关系：y=6.9083x-65.5645，其中y为CT值，x为PVC树脂粉-增塑剂的混合比，相关系数R2=0.9913，CT值范围是-10HU～100HU，腹部绝大多数软组织和器官的CT值均在该范围内。
由图2可知：（a）为PVC树脂粉和增塑剂的称量；（b）为PVC树脂粉和增塑剂的加热混合；（c）为放置标记点；（d）为把剩余的PVC聚合溶液倒入模具覆盖标记点；（e）为冷却后卸去模具；（f）为构造完成的模拟器官（箭头指示的是标记点的位置）。
由图3可知：（a）为腹部肿瘤病人的CT图像及主要器官的轮廊线图，包括横断面、冠状面和矢状面图。（b）～（g）为模拟器官的网格图(左上)，3D打印的模具图(左下)和构造成型的器官(右)，其中箭头表示模具注塑的入口。
由图4可知：（a）为刚性椎骨模型的阴阳模；（b）为构造的模拟刚性椎骨骨头。
由图5可知：PVC塑料在相同的下压位移下，随着PVC树脂粉和增塑剂混合比的增加应力也相应增加。
由图6可知：进行过应力测试的PVC塑料一分钟后再进行应力测试，两条下压位移-应力拟合曲线重合度高，说明PVC塑料弹性具有很高的再现性。
由图7可知：（a）为高仿真腹部变形模体的正面图；（b）为高仿真腹部变形模体的侧面图；（c）为高仿真腹部变形模体的背面图。
由图8可知：（a）为构造的模体的CT图像；（b）为腹部肿瘤病人的CT图像。腹部肿瘤病人的CT图像与构造的模体的CT图像高度相似，而且对比度明显。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）调整PVC树脂粉-增塑剂的混合比，制备不同混合比的PVC塑料样品，对各PVC塑料样品进行CT扫描，测定CT值，绘制PVC树脂粉-增塑剂混合比与CT值的关系图；
2）以腹部肿瘤病人的CT图像为模板，勾画出肝脏、脾脏、肾脏、胃和肿瘤的轮廓线，绘制三维模具图，通过3D打印得到与人体器官外轮廓高度相似的三维模具；
3）在步骤2）的三维模具内设置标记点，根据各器官的CT值选择相应的PVC聚合溶液，注塑成型，得到仿真器官；
4）用3D打印得到骨头模型，放入到PVC聚合溶液中制备PVC阴模，再在PVC阴模中注入白水泥浆体，干燥固化，得到刚性骨头结构；
5）组装模体：用3D打印得到腹部外轮廓模具，在模具内按照病人CT图像上各个器官的解剖位置信息逐层放置制作好的器官和刚性骨头结构，注入PVC聚合溶液冷却固定，设置好标记点和热释光剂量片，得到整体结构与真实病人结构高度相似的模体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）中PVC树脂粉-增塑剂的混合比范围为：8×10-2g/mL～23×10-2g/mL，以间隔1×10-2g/mL变化。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1）所述的增塑剂为对苯二甲酸二辛酯、丁酰柠檬酸三正己酯、偏苯三酸三辛酯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）和5）中所述的标记点为直径1～2mm的金属球。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）和5）中设置标记点的具体操作为：先往模具内注塑一层PVC聚合溶液，停止注塑，待熔融的PVC聚合溶液表面固化能够撑起标记点不下沉，在PVC塑料表面均匀放置标记点，放置好标记点后继续注塑，重复上述步骤，直至PVC聚合溶液注满模具。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2）、4）、5）中所述3D打印所采用的原料为ABS塑料。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述PVC聚合溶液的CT值为：-10HU～100HU。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤5）中所述的热释光剂量片为表面包覆有聚乙烯薄膜的经退火处理过的热释光剂量片。
9.权利要求1～8中任意一项所制备的用于变形配准算法精度验证的高仿真腹部变形模体。
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