适用于CT标准值检测的体模材料、制备方法及应用

摘要

本公开属于CT体模技术领域，具体涉及一种适用于CT标准值检测的体模材料、制备方法及应用。介于医学成像技术的快速发展，放射治疗领域的个性化及个体化需求日益明显，开展快速设计‑快速制作的体模加工技术和手段有利于制作出更为灵活和具有个体适应性的体模产品。本公开提供了一种用于体模制备的组合物，包括琼脂糖、含钙无机盐、氯化钠、氯化镁及磁共振造影剂，可以通过调节原料中含钙无机盐的配比实现CT值的连续变化。另外，该组合物在体模制备的过程中也具有更好的溶解效果，能够有效缩短体模制备时间，制备获得的体模密度更均匀，并且在某些配比之下具有与内脏和肌肉更为接近的CT值和驰豫时间，可同时适应CT和MRI的检测。

权利要求

1.一种组合物，其特征在于，所述组合物为琼脂糖、含钙无机盐、氯化钠、氯化镁及磁共振造影剂，所述含钙无机盐为碳酸钙及磷酸钙；具体含量为：琼脂糖0.8～3.8份、含钙无机盐0～2份、氯化钠0.03～1.2份、氯化镁0.01～0.03份；所述碳酸钙与磷酸钙的重量份数比为2～3:1。

2.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物中还包括叠氮钠及角叉菜胶，所述叠氮化钠及角叉菜胶的重量份比分别为0.02～0.03份及0.01～0.05份。

3.如权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物中磁共振造影剂为钆喷酸葡甲胺、锰福地吡三钠和超顺磁性氧化铁颗粒中的任一种，所述磁共振造影剂的使用浓度为

0.1mmol/L～5.0mmol/L。

4.权利要求1-3任一项所述的组合物在制备CT体模材料中的应用。

5.一种CT体模，其特征在于，所述CT体模的制备原料包括权利要求1-3任一项所述的组合物，除所述组合物外，所述体模的原料中至少包括水。

6.权利要求5所述的体模的一种制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)通过读取原始DICOM图像，得到要模拟对象的平均CT值及其三维轮廓；

(2)根据步骤(1)所述模拟对象的CT值计算原料的用量；

(3)将称量好用量的各原料混合加热条件使其完全溶解，将溶解后的溶液加入模具中，所述模具依照步骤(1)中所述三维轮廓制作而成；

所述步骤(3)中原料混合加热的具体操作如下：将称量好的琼脂糖、氯化钠、氯化镁、磷酸钙及碳酸钙混合后在研钵中进行研磨，研磨的同时少量多次加水使原料混合均匀；将剩余的水加入混均的原料中，控制升温速度为8～15℃/min加热混合溶液至90℃，待溶液均一透明即可。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述模具通过3D打印的方式制作。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述模具为PMMA有机玻璃或ABS/PLA材料制成。

说明书

适用于CT标准值检测的体模材料、制备方法及应用

技术领域

[0001] 本公开属于CT体模技术领域，具体涉及一种适用于CT标准值检测的体模材料、制备方法及应用。

背景技术

[0002] 公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本公开的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

[0003] 医学成像与放射物理的质量控制(Quality Control,QC)是确保医学影像符合诊断和治疗标准，保障医疗和辐射安全的重要工作。体模作为医学成像和放射物理治疗的重要质控工具，通常作为标准器进行使用，可用于实际人体或信号(外观形态或物理参数)的模拟，用于对设备的校准、代替人体参与成像技术的研究，可减少人体对辐射的吸收剂量，对提高检测精度也具有重要的意义。

[0004] 体模的制备通常采用人体组织等效材料的基质进行制作，在不同的能量的X线辐照下具有与人体组织相似的散射和吸收效果，与人体组织有相近的质量密度、电子密度和有效原子序数。另外，体模材料应当无毒，具有一定的化学惰性，不会因X线辐射导致性状改变，还应具有较好的力学特性、热塑性能和加工性能。常用的体模制备材料包括环氧树脂、异氰酸盐橡胶、加入无机盐进行调节的泡沫化聚氨、聚乙烯及聚苯乙烯等。

[0005] 随着医学成像技术的发展，三维图像导向治疗、磁共振动态显影引导放疗、可视辐射技术等的发展，面向三维空间、对于个性化质控的要求也越发迫切。发明人认为，为了应对放射物理治疗领域的快速发展，满足对放射治疗研究个性化和个体化需求，迫切需要本领域推出快速设计-快速制作的体模加工技术和手段，以便制作出灵活多变、高度个体化和适应性的体模产品。

[0006] 发明人对可快速制备的体模材料进行了针对性的研究，通过扩展体模制备材料提供了更为丰富的CT值体模材料。发明人在先申请CN108523917A、CN108618798A、CN108888283A中提供了多种材质的体模材料，可作为不同CT值的标准材料。该研究中提出的体模材料可实现一定线性范围内的变化，模拟多种脏器的CT值，还可以通过灌入体模装置实现对人体结构的模拟。

发明内容

[0007] 针对上述在先研究，发明人提供了一种可适用于多成像模态的体模，采用琼脂糖粉、碳酸钙粉及磁共振造影剂混合制备体模材料，在该体系中，通过改变碳酸钙粉的比例能够获得接近线性变化的CT数值，可根据模拟脏器的CT值计算上述原料的比例从而获取相应的脏器模拟体模。

[0008] 发明人在后续研究中，针对该技术方案进行了进一步的优化，向原料中加入了磷酸钙及氯化镁，优化后的体模材料通过改变碳酸钙和磷酸钙的比例实现CT值的调节，可建立线性更加良好的(碳酸钙+磷酸钙)-CT值变化曲线。另外，发明人针对碳酸钙粉末在琼脂糖凝胶中溶解不均匀的问题，提供了更为良好的制备方法。

[0009] 本公开提供以下技术方案：

[0010] 本公开第一方面，提供一种组合物，所述组合物为琼脂糖、含钙无机盐、氯化钠、氯化镁及磁共振造影剂，所述含钙无机盐为碳酸钙及磷酸钙。

[0011] 本领域公知，CT扫描是一种断层式扫描，通过计算出射和入射光线的能量差值获得材料对X照射光的吸收率。为了对体模材料的制备原料进行了进一步的优化，通过不断筛选和调整，发明人发现采用磷酸钙与碳酸钙复合的形式，改变钙含量的比例能够获得更为连续、线性更加良好的CT值。另外，上述组合物在制备过程中，溶解性能也具有提升，更容易获取一种质地均匀的凝胶，降低体模制备的难度。

[0012] 优选的，所述组合物中以下原料及配比如下：琼脂糖0.8～3.8份、含钙无机盐0～2份、氯化钠0.03～1.2份、氯化镁0.01～0.03份。

[0013] 优选的，所述碳酸钙与磷酸钙的重量份数比为2～3:1。

[0014] 在上述剂量范围内，技术人员可以通过调整含钙无机盐的比例获取7～60Hu数值范围内的CT值体模材料。并且，调整后的体模材料具有与真实肌肉和脏器组织更为贴近的材料吸收率。

[0015] 优选的，所述组合物中还包括叠氮钠及角叉菜胶，所述叠氮化钠及角叉菜胶的重量份比分别为0.02～0.03份及0.01～0.05份。

[0016] 叠氮钠作为防腐剂可以有效延长体模的使用时间，当技术人员需要对同一体模展开较长时间的研究工作时，加入叠氮钠可以有效地维持体模材料的CT值的稳定，减小测量误差。

[0017] 角叉菜胶可用于增加材料的粘稠度，同样可以实现长期研究工作中体模材料稳定性的保持。加热溶解后凝固的角叉菜胶内部可以提供丰富的离子结合位点，使体模材料能够在一个较大温度变化范围内保持稳定，降低凝胶腐坏、水解的概率。

[0018] 优选的，所述组合物中磁共振造影剂为钆喷酸葡甲胺、锰福地吡三钠和超顺磁性氧化铁颗粒中的任一种，所述磁共振造影剂的使用浓度为0.1mmol/L～5.0mmol/L。

[0019] 在体模中加入磁共振造影剂，可以有效地缩短组织T1时间，使信号增强。上述剂量范围内的磁共振造影剂可以为CT扫描提供合适的成像时间。另外，采用本公开中组合物制备的体模材料能够使造影剂分布更加均匀，更适合模拟脏器及肌肉组织。

[0020] 本公开第二方面，提供第一方面所述组合物在制备CT体模材料中的应用。

[0021] 本公开第三方面，提供一种CT体模，所述CT体模的制备原料包括第一方面所述组合物，除第一方面所述组合物外，体模的原料中至少包括水。

[0022] 本公开第四方面，提供第三方面所述CT体模的一种制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0023] (1)通过读取原始DICOM图像，得到要模拟对象的平均CT值及其三维轮廓；

[0024] (2)根据步骤(1)所述模拟对象的CT值计算原料的用量；

[0025] (3)将称量好用量的各原料混合加热条件使其完全溶解，将溶解后的溶液加入模具中，所述模具依照步骤(1)中所述三维轮廓制作而成。

[0026] 在先研究中，提供了一种将琼脂糖粉、碳酸钙、氯化钠及磁共振造影剂混合后加热搅拌的制备方法。琼脂糖粉在水中一般需要加热至90℃以上才能完全溶解，升温速度控制不得当会出现难溶的琼脂糖微粒，冷却后会出现密度不均匀的现象。本公开提供的制备方法中，将称量好的各原料首先经研磨的方式充分混均，通过控制加热升温速率，可以较为容易的获得均一的琼脂糖凝胶溶液。

[0027] 与现有技术相比，本公开的有益效果是：

[0028] 1.本公开提供了一种性能更为优异的体模材料组合物，通过调整含钙无机盐的配比，可以获得呈现良好线性变化的CT数值体模，应用于体模标准品的制备具有良好的效果。

[0029] 2.针对上述组合物在体模制备中的应用，本公开还提供了效果更好的制备方法，可以有效降低琼脂糖凝胶溶解过程中的出现的难溶微粒和密度不均现象。

附图说明

[0030] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

[0031] 图1为实施例1中不同含钙无机盐与体模CT值变化拟合效果图。

具体实施方式

[0032] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0033] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0034] 正如背景技术所介绍的，随着医学成像技术的日渐发展，为了满足对方式治疗研究个性化和个体化需求，迫切需要本领域推出快速设计-快速制作的体模加工技术和手段，以便制作出灵活多变、高度个体化和适应性的体模产品。针对该技术问题，本公开提供了一种用于制备体模材料的组合物，该组合物能够通过调节含钙无机盐含量的变化，获得良好线性变化的CT值材料。

[0035] 本公开第一方面，提供一种组合物，所述组合物为琼脂糖、含钙无机盐、氯化钠、氯化镁及磁共振造影剂，所述含钙无机盐为碳酸钙及磷酸钙。

[0036] 优选的，所述组合物中以下原料及配比如下：琼脂糖0.8～3.8份、含钙无机盐0～2份、氯化钠0.03～1.2份、氯化镁0.01～0.03份。

[0037] 在一些实施例中，所述琼脂糖为3.2份、氯化钠1.1份、氯化镁0.02份。该实施例制备的体模材料具有良好的凝固速度及导电速率，在CT值检测过程中具有良好的响应性。

[0038] 优选的，所述碳酸钙与磷酸钙的重量份数比为2～3:1。

[0039] 在一些实施例中，所述碳酸钙与磷酸钙的掺杂比例为2.5:1。该比例下的含钙无机盐与体模材料的CT值具有良好的线性关系，随着含钙无机盐在体模材料中的成比例增加，CT值也呈现同等程度的改变。另外，该比例时的磷酸钙掺杂可以有效地提高钙盐在凝胶中的溶解度，缩短制备时间。

[0040] 优选的，所述组合物中还包括叠氮钠及角叉菜胶，所述叠氮化钠及角叉菜胶的重量份比分别为0.02～0.03份及0.01～0.05份。

[0041] 优选的，所述组合物中磁共振造影剂为钆喷酸葡甲胺、锰福地吡三钠和超顺磁性氧化铁颗粒中的任一种，所述磁共振造影剂的使用浓度为0.1mmol/L～5.0mmol/L。

[0042] 在一些实施例中，采用钆喷酸葡甲胺作为磁共振造影剂，使用浓度为0.2mmol/L，该浓度时的造影剂与原料中其他成分混合，能够获得与脏器最为接近的驰豫时间。

[0043] 本公开第二方面，提供第一方面所述组合物在制备CT体模材料中的应用。

[0044] 本公开第三方面，提供一种CT体模，所述CT体模的制备原料包括第一方面所述组合物，除第一方面所述组合物外，原料中至少包括水。

[0045] 本公开第四方面，提供第三方面所述CT体模的一种制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0046] (1)通过读取原始DICOM图像，得到要模拟对象的平均CT值及其三维轮廓；

[0047] (2)根据步骤(1)所述模拟对象的CT值计算原料的用量；

[0048] (3)将称量好用量的各原料混合加热使其完全溶解，将溶解后的溶液加入模具中，所述模具依照步骤(1)中所述三维轮廓制作而成。

[0049] 在一些实施例中，上述步骤(3)中原料混合加热的具体操作如下：将称量好的琼脂糖、氯化钠、氯化镁、磷酸钙及碳酸钙混合后在研钵中进行研磨，研磨的同时少量多次加水使原料混合均匀；将剩余的水加入混均的原料中，控制升温速度为8～15℃/min加热混合溶液至90℃，待溶液均一透明即可。

[0050] 在一些实施例中，步骤(3)中所述模具通过3D打印的方式制作。

[0051] 在一些实施例中，步骤(3)中所述模具为PMMA有机玻璃或ABS/PLA材料制成。

[0052] 为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。

[0053] 以下实施例中的试剂为市售产品，本领域技术人员可自行购买实施下列方案。

[0054] 实施例1

[0055] 本实施例中，以1.5％琼脂糖，2％的含钙无机盐，0.95％NaCl，0.02％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，蒸馏水为基体制作测试样本，考察不同的成分及制备方法对体模的影响。

[0056] 实验组一：1.5％琼脂糖，2％的含钙无机盐(碳酸钙：磷酸钙＝2.5:1)，0.95％NaCl，0.02％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，余量为蒸馏水。

[0057] 实验组二：1.5％琼脂糖，2％的碳酸钙，0.95％NaCl，0.02％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，余量为蒸馏水。

[0058] 实验组三：1.5％琼脂糖，2％的含钙无机盐(碳酸钙：磷酸钙＝2.5:1)，0.97％NaCl，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，余量为蒸馏水。

[0059] 将上述三组称量好的原料加入水后通过加热溶解制备成为体模材料，至90℃后计时溶解所用时间，并通过扫描对各组体模材料的CT值进行测量，平均每组扫描5次。

[0060] 实验组四：1.5％琼脂糖，2％的含钙无机盐(碳酸钙：磷酸钙＝2.5:1)，0.95％NaCl，0.02％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，余量为蒸馏水。将称量好的琼脂糖、含钙无机盐、NaCl、MgCl2及钆喷酸葡甲胺混合后加入研钵中进行研磨，研磨过程中少量加入水使各原料均匀混悬后将剩余的水加入混悬液中，控制升温速率为12℃/min使混合溶液温度达到90℃以上，待溶液透明均已停止加热。

[0061] 以上各实验组体模扫描结果及溶解所用时间如下表1所示：

[0062] 表1各实验组体模CT值及溶解时间

[0063]组别 CT平均值(Hu) 溶解时间(min)
实验组一 68.15±4.95 3.6±1.1
实验组二 63.29±7.98 5.8±2.1
实验组三 65.74±6.95 6.4±1.9
实验组四 67.98±2.65 0.8±0.5

[0064] 依据表1结果可以清楚的看出，将实验组一与二、三进行对比，同等制备方法条件下，采用实验组一原料制备的体模在多次扫描和制备过程中所用溶解时间更短，制备得到的体模质地更均匀，CT值变化幅度更小。相比实验组一和四的结果，采用研磨后控温加热的方法可以更加显著的缩短溶解所用的时间，并且获得的CT体模更稳定。

[0065] 实施例2

[0066] 本实施例中，以1.5％琼脂糖，0.95％NaCl，0.02％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，蒸馏水为基体制作测试样本，通过改变含钙无机盐的比例，制作不同CT值的体模。本实施例中所使用的含钙无机盐，其中碳酸钙与磷酸钙的掺杂比例为2.5:1。

[0067] CT扫描：利用CT设备对所配制的多个样品进行扫描，并分别获得每个样品对应的CT值。

[0068] 表1的实验数据表明，随着含钙无机盐百分比的增加，材料的CT值呈现良好的线性变化。通过数据拟合，得到线性方程：y＝30.612*x+10.015，相关系数R2＝0.9897，如图1所示。

[0069] 表1不同含钙无机盐百分比检测得到的CT值

[0070]

[0071]

[0072] 结合表1及附图1可以看出，当含钙无机盐的配比按比例增加时，上述原料制备而成的体模CT值呈现良好的线性变化。本领域技术人员可以依据所需要的CT值计算得到原料的配比从而制作相应的体模，实现了个性化体模的快速制作。另外，该原料制备的体模材料，同时具有CT值等效特性和MRI弛豫时间等效特性——作为CT检测体模，可以提供与内脏、肌肉组织等相似的CT值；作为MRI检测体模，可以提供与脏器、肌肉组织等相似的弛豫时间。

[0073] 实施例3

[0074] 为了进一步开发该体模材料的应用，本实施例对该材料对不同器官的模拟应用进行了研究。以正常成人男性的平均脏器CT值作为参考，选取5个ROI测量的平均值，结果如表2所示。

[0075] 表2人体不同脏器CT值与不同配比体模材料CT值比较

[0076]

[0077]

[0078] 在表2中，在本实施例研究中，获得以下几组配方：

[0079] 第一组：1.5％琼脂糖，0.95％NaCl，0.02％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，1.6％含钙无机盐(其中，碳酸钙为1.14％，磷酸钙为0.46％)。该组别原料制备的CT体模扫描五次的平均结果为60.9±2.1Hu，可以很好的对肝脏进行模拟。

[0080] 第二组：1.4％琼脂糖、0.93％NaCl，0.03％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，1.1％含钙无机盐(其中，碳酸钙为0.74％，磷酸钙为0.36％)。该组别原料制备的CT体模扫描五次的平均结果为47.7±1.8Hu，可以很好的对脾脏进行模拟。

[0081] 第三组：1.4％琼脂糖、1.02％NaCl，0.02％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，1.1％含钙无机盐(其中，碳酸钙为0.74％，磷酸钙为0.36％)。该组别原料制备的CT体模扫描五次的平均结果为40.9±3.1Hu，可以很好的对肾脏进行模拟。

[0082] 第四组：1.5％琼脂糖、0.98％NaCl，0.03％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，0.22％含钙无机盐(其中，碳酸钙为0.15％，磷酸钙为0.07％)。该组别原料制备的CT体模扫描五次的平均结果为18.7±2.5Hu，可以很好的对胆囊进行模拟。

[0083] 第五组：1.5％琼脂糖、1.1％NaCl，0.03％MgCl2，0.2mmol/L的钆喷酸葡甲胺，2.1％含钙无机盐(其中，碳酸钙为1.5％，磷酸钙为0.6％)。该组别原料制备的CT体模扫描五次的平均结果为71.3±2.0Hu，可以很好的对椎间盘进行模拟。

[0084] 例如，当选择碳酸钙为0.93％、磷酸钙为0.37％，钆喷酸葡甲胺的添加量为0.2mmol/L时，所配制材料的CT值以及磁共振弛豫时间，分别与真实肌肉组织的CT值、弛豫时间近似等效，因此，该配比的材料可用于模拟肌肉组织，由该材料所制作的模拟肌肉组织的体模适用于CT成像和MRI成像。

[0085] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。