CN207489317U - 一种动态胸腔体模系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种动态胸腔体模系统，包括胸腔体模和两部电机，所述的胸腔体模预留有胸腔孔，胸腔孔内插入有内容物，所述内容物为圆柱体，圆柱体内置有肿瘤模拟物，所述肿瘤模拟物为内部灌注FDG溶液的圆球，所述的两部电机，一部与胸腔体模相连，用于控制胸腔体模的升降，另一部与圆柱体相连，用于控制圆柱体在胸腔体模内的旋转与进出。该动态胸腔体模系统结构简单且易于操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及医学模型，具体是指一种动态胸腔体模系统。
背景技术
临床上，PET/CT(Positron Emission Tomography/Computed Tomography)设备是筛查肺癌等恶性肿瘤的重要手段之一，有着其他常规检查手段不可比拟的优势。但PET和CT扫描速度的差异，导致PET/CT设备在胸腹部肿瘤诊断和治疗方案制定的应用上存在明显的局限性，这主要是指患者的呼吸造成PET图像出现伪影，称为呼吸运动伪影。成年人的呼吸周期为3～5s，在PET/CT临床应用中，进行CT 全身扫描时间约为0.15～5s，受呼吸运动影响不大，PET扫描部分用时在2min以上，并且受成像原理的制约，得到的是多个呼吸周期的平均图像，期间肺部呼吸运动将带动患者的心、肝、胰等各个器官不同幅度的运动(幅度最大可达4cm，纵轴和矢状轴方向速度最大可达13.3mm/s)，伴随着注射到其中的放射源的扩张和弥散运动使得PET图像不可避免要产生运动模糊。CT衰减校正伪影也是PET/CT图像呼吸运动伪影的另一个来源。
在PET/CT设备中，CT扫描得到的组织密度图像是进行PET/CT图像衰减校正的基础，用近似实时成像的CT去对平均后的PET图像做衰减校正必然会产生误差。 PET图像的呼吸运动伪影，严重影响胸腹部肿瘤的准确诊断与治疗计划的制定。蒙特卡罗仿真研究表明呼吸运动的伪影使图像的信噪比和对比度下降可达80％。此外，体模研究和临床数据显示，幅度在2cm左右时，呼吸运动造成的伪影将导致肿瘤组织放射性浓度下降25％～45％。
相应的为了减少由于呼吸运动造成的对放射治疗的影响，临床上发展了多种减少影响的方法，总的可以分成五大类：1、运动包围法(motion-encompassing methods)；2、呼吸门控技术(respiratory-gating techniques)；3、屏气呼吸技术 (breath-holdtechniques)；4、被动浅呼吸方法(forced shallow-breathing techniques)；5、呼吸同步技术(respiration-synchronized techniques)，这几种方法运行效果各不相同，目前对其进行效果评估的方法主要是通过临床病例收集，再进行统计分析来进行的。但这种方式存在以下缺点：
1、为了获取具有统计学意义的结果，需要收集大量临床病例，通常需要持续数月甚至数年的研究，时间成本较高；
2、临床病例存在个体差异，即每个病人的呼吸模式均不完全相同，对实验结果的影响较大；
3、临床试验不具备重复性，不利于各呼吸伪影校正方法之间的横向比较；
4、临床试验不具备复现性，对结果存疑时，无法查证影响因素。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种动态胸腔体模系统，该动态胸腔体模系统结构简单且易于操作。
本实用新型的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种动态胸腔体模系统，其特征在于：所述系统包括胸腔体模和两部电机，所述的胸腔体模预留有胸腔孔，胸腔孔内插入有内容物，所述内容物为圆柱体，圆柱体内置有肿瘤模拟物，所述肿瘤模拟物为内部灌注FDG溶液的圆球，所述的两部电机，一部与胸腔体模相连，用于控制胸腔体模的升降，另一部与圆柱体相连，用于控制圆柱体在胸腔体模内的旋转与进出。
本实用新型的动态胸腔体模系统通过在可升降的胸腔体模内插装内置肿瘤模拟物的可移动的圆柱体来模拟肿瘤在胸腔内的运动，可以用来评估PET/CT设备的呼吸运动伪影校正性能。
本实用新型中，所述圆球为直径为10mm、13mm、17mm、22mm、28mm、 35mm中的任意一种的一个或者任意一种的两个或两个以上的多个、或者任意两种或两种以上的多种的任意组合。
当圆球为一个时，圆球在圆柱体内的位置与圆柱体同心；当圆球为多个时，部分圆球在圆柱体内的位置与圆柱体同心，部分圆球在圆柱体内的位置与圆柱体非同心，在胸腔体模和圆柱体运动时，多个圆球具有不同的运动轨迹。
本实用新型中，所述胸腔体模、圆柱体和圆球的材质均为丙烯。FDG溶液即为氟代脱氧葡萄糖溶液。
本实用新型的动态胸腔体模系统通过模拟肺部肿瘤随人体呼吸而产生的运动，定性评价各方法呼吸伪影的校正效果，这种检测体模具有很好的通用性。在临床PET/CT检查中，PET主要是依据CT图像来提供解剖学信息，本实用新型选择和人体组织CT值相近的丙烯(Acrylic，CT值为120)作为体模制作材料，胸腔体模上预留了贯通的孔径用来插入内容物。内容物是一个内部包含不同直径的圆球的圆柱体。圆球内部灌注FDG溶液，用来模拟肺部不同大小的肿瘤。与胸腔体模类似，圆柱体和圆球都是由丙烯材料制作的。圆球在圆柱体中的位置有两种，一种与圆柱体为同心结构，一种为非同心结构，随着圆柱体运动时肿瘤模拟物的运动轨迹也不相同，运动方式和幅度都有区别。在实际检测中，根据检测目的的不同，可以选择在模体孔径中插入一个或多个不同的圆柱体。
肿瘤模拟物直径大小的范围为10mm～35mm，即：10mm、13mm、17mm、 22mm、28mm、35mm。临床研究表明，病灶大小在10mm以下时，恶性肿瘤所占比例小于35％，此时容积效应产生的影响远大于呼吸运动伪影产生的影响，PET/CT 的诊断结果较差，且UICC(国际抗癌联合会)和AJCC(美国癌症联合委员会)颁布的第七版肺癌分期手册中规定了同机平扫CT判断纵膈淋巴结转移的公认标准为最大短径≥10mm。同时，当病灶大小在35mm以上时，呼吸运动伪影对诊断结果的影响较小。
对于呼吸运动的模拟，本实用新型将呼吸周期分为三个阶段：呼气(exhale， EX)，呼气末(end-of-exhale，EOE)和吸气(inhale，IN)。典型的呼吸运动模式如图3所示，这个模型被证实可以准确地描述各类病人的呼吸模式。
该呼吸运动的模型基于大量临床数据收集，存在如下规律：
1，运动周期：整个呼吸周期持续的时长4-10s，约70％处于3-5S的范围内，其中EX、IN阶段的平均周期约为1s，EOE阶段持续时间较长，约1.5-6.5s，平均时长为4s；
2，运动距离：呼吸运动运行的距离处在5-25mm的范围，平均为14.6mm。其中EX阶段运行的平均距离是5.9mm，标准方差是1.7毫米，IN阶段运行的平均距离为7.3mm，标准方差为1.8mm，EOE阶段运行的平均距离为1.3mm，标准方差为 0.7mm，在此阶段99％的运行距离小于2mm，并且三个阶段的运行距离大致存在这样的关系，即IN阶段的运行距离约等于EX阶段和EOE阶段的总和；
3，运动速度：EX阶段器官的运行速度为0.6-28mm/s，平均值为14.5mm/s， EOE阶段器官的平均运行速度为2.8mm/s，在此阶段93％的运行速度小于5mm/s，在IN阶段器官的平均运行速度为2.5-22.6mm/s，平均值为9.9mm/s。整个呼吸周期的平均速度约为13.2mm/s。
通过一部高精度电机控制胸腔模体的升降，模拟人体呼吸时胸腔的扩张与收缩，通过另一部高精度电机控制肿瘤模拟物的旋转与进出，模拟肺部肿瘤随胸腔呼吸的运动轨迹。由于胸腔模体和肿瘤模拟物的运动都为刚性运动，且运动的模式(比如速度、幅度、周期等)精确可控，所以该检测能够重复和复现，有效的弥补了临床数据采集方案的不足。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。
图1为本实用新型动态胸腔体模系统的结构示意图；
图2为本实用新型动态胸腔体模系统中肿瘤模拟物在圆柱体内的位置示意图；
图3为一种典型的呼吸运动模式；
图4为采用本实用新型的动态胸腔体模系统对PET/CT设备呼吸运动伪影校正性能进行定性评估的方法的流程框图；
图5为本实用新型动态胸腔体模系统在PET/CT设备中的摆位示意图；
图6为采用本实用新型的动态胸腔体模系统对PET/CT设备呼吸运动伪影校正性能进行定性评估的方法获得的静态CT扫描图像；
图7为采用本实用新型的动态胸腔体模系统对PET/CT设备呼吸运动伪影校正性能进行定性评估的方法获得的静态PET/CT融合图像，即标准图像；
图8为采用本实用新型的动态胸腔体模系统对PET/CT设备呼吸运动伪影校正性能进行定性评估的方法获得的动态PET/CT融合图像，即评估图像。
附图标记说明
1、胸腔体模；2、圆柱体；3、肿瘤模拟物；4、电机。
具体实施方式
如图1、图2所示的动态胸腔体模系统，包括胸腔体模1和两部电机4，胸腔体模1预留有胸腔孔，胸腔孔内插入有内容物，内容物为圆柱体2，圆柱体2内置有肿瘤模拟物3，肿瘤模拟物3为内部灌注FDG溶液的圆球，胸腔体模1、圆柱体2和圆球的材质均为丙烯，两部电机4，一部与胸腔体模1相连，用于控制胸腔体模1的升降，另一部与圆柱体2相连，用于控制圆柱体2在胸腔体模1内的旋转与进出。
通过在可升降的胸腔体模1内插装内置肿瘤模拟物3的可移动的圆柱体2来模拟肿瘤在胸腔内的运动，来评估PET/CT设备的呼吸运动伪影校正性能。
本实施例中，圆球为直径为10mm、13mm、17mm、22mm、28mm、35mm中的任意一种的一个或者任意一种的两个或两个以上的多个、或者任意两种或两种以上的多种的任意组合。
当圆球为一个时，圆球在圆柱体2内的位置与圆柱体2同心；当圆球为多个时，部分圆球在圆柱体2内的位置与圆柱体2同心，部分圆球在圆柱体2内的位置与圆柱体2非同心，在胸腔体模1和圆柱体2运动时，多个圆球具有不同的运动轨迹。
采用本实用新型的动态胸腔体模系统对PET/CT设备呼吸运动伪影校正性能进行定性评估的方法的流程图如图4所示，该方法具体步骤和过程如下。
使用本实用新型的动态胸腔体模系统测试一台西门子PET/CT设备的呼吸运动控制性能，该PET/CT设备的型号Biograph 16HR，晶体材料为硅酸镥，晶体总数为24336块，探测器环数为39环，孔径70cm，CT排数为16。该机未配备第三方厂商的呼吸控制设备。使用的正电子放射药物为18F-FDG，采用德国西门子公司的 RDS111型回旋加速器及Explora FDG4化学合成模块，利用酸水解方法合成，放射化学纯度大于98％。
1.实验操作过程
1.1实验前准备
为了减少试验时不必要的辐射损害，可以根据肿瘤模拟物容积提前配备好所需的18F-FDG溶液备用。值得注意的是，需要提前预估体模摆位等实验的准备时间，根据18F的半衰期(6586.2s)，计算其衰减量，确保测试实验开始时肿瘤模拟物的放射性活度达到测试需求。
本研究使用的肿瘤模拟物的直径分别为10mm、13mm、17mm、22mm、28 mm和35mm，对应的容积分别为0.52ml、1.15ml、2.57ml、5.57ml、11.49ml 和22.45ml。临床病人注射的18F-FDG放射性比活度一般为0.1mCi/kg-0.15mCi/kg (即3.7MBq/kg-5.55MBq/kg)，由于动态体模不存在生物体内葡萄糖(放射性药物)在肿瘤部位聚集的情况，本次实验设定值为0.15mCi/kg(5.55MBq/kg)，由于FDG溶液与纯净水的比重相当，所以设定的放射比活度可以表示为0.15mCi/L (5.55MBq/L)，再根据预留的实验准备时间推算初始18F-FDG溶液的放射比活度(预留准备时长30min，则原始放射比活度应为0.181mCi/L；预留准备时长60 min，则原始放射比活度应为0.219mCi/L)，最后可以求得所需的放射药物的总量。
1.2体模摆位
将胸腔体模与驱动单元组合完成后，摆放在PET/CT视野的中心，如图5所示。动态体模的横切面与扫描床保持垂直，使所有肿瘤模拟物中心保持在同一个扫描平面，且体模中心轴(即体模最中心孔径处)与探头中心轴重合。用十字激光灯将模型的中心定位在扫描中心。为便于后文表述，将扫描视野左右方向定为LR方向，上下方向定为AP方向，扫描轴方向为SI方向。
1.3FDG溶液灌注
以直径为10mm的肿瘤模拟物为例，使用注射器将0.52ml放射性比活度为0.15mCi/kg(5.55MBq/kg)的18F-FDG溶液经管道注入肿瘤模拟物的球内。为防止18F-FDG溶液在运动时溢出球外对最终成像造成影响，在注射管道的上端增加了一个止溢装置。
止溢装置实质上是一个橡胶垫，当18F-FDG溶液将小球充满后，封闭注射管道，并使管道内保持一定的气压，使小球内溶液保持一定的稳定。
18F-FDG溶液注射完成后，根据需要，可以将肿瘤模拟物插入胸腔底座不同的孔径内，本例插入胸腔底座位置，模拟位于右肺尖段的肿瘤的运动情况。
1.4静态扫描
静态扫描采用与临床扫描病人时同等的条件。其中CT扫描管电压为120kV，管电流为120mAs，扫描层厚为5mm，图像重建层厚为4mm；PET扫描模式为常态扫描，采集床位数为2，SI方向每个床位长度为15.5cm，每个床位采集时间为3min，采集模式为三维采集。
图像重建方法采用最大期望值法(OSEM)，迭代次数为4，迭代子集为8，图像缩放比例为1.0，重建视野大小为700mm，矩阵大小为168×168，像素大小为 4mm×4mm×4mm，采用Gausian过滤，半高宽(Full Width at HalfMaximum，以下简称为FWHM)为5mm。
静态CT扫描图像如图6所示，静态PET/CT融合图像，即标准图像如图7所示，扫描结束后经融合得到的PET/CT图像作为呼吸运动控制性能检测的标准图像。
1.5动态扫描
在检测开始之前，启动微控制器，开启两部电机，设置不同的呼吸运动模式，两部驱动电机分别带动胸腔体模和肿瘤模拟物模拟不同的肺部肿瘤呼吸运动，本次检测SI方向的运动模式为EX阶段运行时长为1.02s，运行幅度为5.9mm，运行方向为SI方向正方向，EOE阶段运行时长为2.40s，运行幅度为1.3mm，方向与EX阶段相同，IN阶段运行时长为0.94s，运行幅度为7.2mm，方向为SI方向负方向。LR方向和AP方向运动模式为顺时针旋转，周期为4.36s，半径为5mm。
PET/CT设备采用与静态扫描相同的参数和过程对肿瘤模拟物进行动态扫描，扫描结束后经融合得到的PET/CT图像作为呼吸运动伪影校正性能评估的评估图像，如图8所示。
1.6获得偏差值
将得到的评估图像与标准图像对比，判断肿瘤模拟物在SI方向、LR方向和 AP方向三个维度上的相对偏差值，该相对偏差值即为最后的偏移量，其中，
SI方向的相对偏差值的计算公式如下：
式中，RSI为肿瘤模拟物在SI方向的相对偏差值；
DSI为动态扫描时肿瘤模拟物在SI方向上的最大径；
LSI为静态扫描时肿瘤模拟物在SI方向上的最大径；
LR方向的相对偏差值的计算公式如下：
式中，RLR为肿瘤模拟物在LR方向的相对偏差值；
DLR为动态扫描时肿瘤模拟物在LR方向上的最大径；
LLR为静态扫描时肿瘤模拟物在LR方向上的最大径；
AP方向的相对偏差值的计算公式如下：
式中，RAP为肿瘤模拟物在AP方向的相对偏差值；
DAP为动态扫描时肿瘤模拟物在AP方向上的最大径；
LAP为静态扫描时肿瘤模拟物在AP方向上的最大径。
1.7性能评估
对不同的PET/CT设备按照上述试验操作过程进行操作，获得每台PET/CT设备在SI方向的相对偏差值，相对偏差值较小的PET/CT设备伪影校正性能较好，相对偏差值较大的PET/CT设备伪影校正性能较差，从而对不同PET/CT设备呼吸运动伪影校正性能进行定性评估。
通常肿瘤模拟物在SI方向、LR方向和AP方向三个维度上的相对偏差值呈线性关系，即同一台PET/CT设备如果在SI方向上的上的相对偏差值较大，则该设备在LR方向和AP方向两个维度上的相对偏差值也较大。因此，可以仅以SI方向的相对偏差值来对不同PET/CT设备呼吸运动伪影校正性能进行定性评估。
2.实验结果及分析
2.1不同尺寸肿瘤模拟物运动对结果的影响
为便于对比，分别将不同尺寸的肿瘤模拟物插入胸腔体模的相同位置处，模拟位于右肺尖段的不同尺寸的肿瘤运动情况。除肿瘤模拟物尺寸不同外，放射性药物浓度、静态扫描和动态扫描条件、预设的运动模式完全相同。按照上述步骤 1.1至步骤1.6的试验过程进行，采用步骤1.1至步骤1.6相同的试验参数，最后得到的结果如表1所示。
表1：不同尺寸肿瘤模拟物的测试结果
由以上结果可知，对于各种尺寸的肿瘤模拟物的测试结果，在SI方向上的偏差值都要大于LR方向和AP方向。这是因为在设计实验时，为了模拟人体肺部肿瘤运动的实际情况，SI方向上的肿瘤模拟物的运动幅度和运动速度的设定值都大于其他两个方向。实验的结果很好的契合了这种设定。
相同的运动模式、相同的胸腔位置，相同的扫描条件，不同尺寸的肿瘤模拟物在SI方向上的偏差值，与其尺寸大小成反比。即同样的运动幅度，会对尺寸较小的肿瘤模拟物造成更大的影响。分析其原因，一是设备使用科室通过点源测试该PET/CT，在1mm处的空间分辨率(FWHM)分别为4.1mm(横向)和4.6mm (轴向)，有研究表明当肿瘤病灶小于三倍的FWHM时，部分容积效应对成像质量的影响较大；二是对于小体积的肿瘤模拟物来说，PET扫描得到的图像和CT扫描得到的图像体积偏差较大(可高达32.92％)，相应的在进行PET/CT图像融合时，肿瘤模拟物的尺寸必将产生较大的偏差。所以，根据PET/CT设备扫描动态体模后的成像质量就可以定性评价该设备在减小部分容积效应和降低图像融合偏差上的能力。
本次实验除了验证了呼吸运动对不同尺寸肿瘤模拟物成像结果的影响，也从侧面证明了该动态体模能够较为真实的反映出临床肺部肿瘤的运动规律和 PET/CT设备的临床诊断性能。
2.2不同PET/CT的测试结果对比
为便于对比，我们使用动态体模测试了一台西门子公司同系列的机器型号为Biograph mCT S64的PET/CT设备，同上文测试的Biograph 16HR相比， Biograph mCT S64的晶体材料同样为硅酸镥(LSO)，晶体总数上升到32449块， PET探测器环数为52环，CT排数为64，孔径达到了78cm。该机未配备第三方厂商的呼吸控制设备。测试采用的正电子放射药物为18F-FDG，采用德国西门子公司的RDS111型回旋加速器及Explora FDG4化学合成模块，利用酸水解方法合成，放射化学纯度大于98％。
将不同尺寸的肿瘤模拟物插入胸腔体模的相同位置处，模拟位于右肺尖段的不同尺寸的肿瘤运动情况。同上文测试的Biograph 16HR的条件一样，放射性药物浓度、静态扫描和动态扫描条件、预设的运动模式完全相同。按照上述步骤1.1至步骤1.6的试验过程进行，采用步骤1.1至步骤1.6相同的试验参数。最后得到的两台不同型号的PET/CT设备在SI方向的相对偏差值的比对结果如表2所示。
表2：两台不同型号的PET/CT设备在SI方向上的偏差值比对结果
由以上结果可知，在该运动模式下，Biograph mCT S64对在胸腔体模的位置处不同尺寸肿瘤模拟物的成像结果SI方向上的偏差均小于Biograph 16HR。因此可以定性得出，相对于型号为Biograph 16HR的PET/CT设备来说，型号为 Biograph mCT S64的PET/CT设备的伪影校正性能较好，而Biograph 16HR的 PET/CT设备的伪影校正性能较差。这是由于前者具有更高的系统分辨率，更小的像素尺寸，并且在数据采集和重建中使用飞行时间技术，这些都被证明有助于降低呼吸运动对肺部肿瘤诊断结果的影响。
该结果也证明了不同的PET/CT呼吸运动控制能力存在差异，而本设计的动态体模能够定性的检测这种差异。
本实用新型的上述实施例并不是对本实用新型保护范围的限定，本实用新型的实施方式不限于此，凡此种种根据本实用新型的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，对本实用新型上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种动态胸腔体模系统，其特征在于：所述系统包括胸腔体模和两部电机，所述的胸腔体模预留有胸腔孔，胸腔孔内插入有内容物，所述内容物为圆柱体，圆柱体内置有肿瘤模拟物，所述肿瘤模拟物为内部灌注FDG溶液的圆球，所述的两部电机，一部与胸腔体模相连，用于控制胸腔体模的升降，另一部与圆柱体相连，用于控制圆柱体在胸腔体模内的旋转与进出。
2.根据权利要求1所述的动态胸腔体模系统，其特征在于：所述圆球为直径为10mm、13mm、17mm、22mm、28mm、35mm中的任意一种的一个或者任意一种的两个或两个以上的多个、或者任意两种或两种以上的多种的任意组合。
3.根据权利要求2所述的动态胸腔体模系统，其特征在于：当圆球为一个时，圆球在圆柱体内的位置与圆柱体同心；当圆球为多个时，部分圆球在圆柱体内的位置与圆柱体同心，部分圆球在圆柱体内的位置与圆柱体非同心，在胸腔体模和圆柱体运动时，多个圆球具有不同的运动轨迹。
4.根据权利要求3所述的动态胸腔体模系统，其特征在于：所述胸腔体模、圆柱体和圆球的材质均为丙烯。
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