《Physical and Engineering Sciences in Medicine》：Development and validation of a 3D-printed dosimetry phantom for paediatric radiology
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为应对商业剂量体模价格高昂且解剖结构可能与计算模型不符的问题，本研究开发并验证了一种经济、3D打印的新生儿等效剂量体模。研究人员筛选了聚乳酸(PLA)基材质的填充密度以模拟软组织、肺和骨骼，使用MATLAB建模并打印了基于改良Cristy和 Eckerman新生儿设计的体模。体模内部嵌入热释光剂量计(TLD)进行测量，并与蒙特卡洛(PCXMC 2.0)模拟结果对比验证。结果显示，该体模测量的平均器官剂量与模拟值高度吻合，有效剂量(ICRP 103)差异在2%以内，打印耗时135小时，材料成本仅165澳元。这项工作成功为儿科X射线成像提供了一种成本效益高的精准剂量测量工具。
当我们带孩子去医院拍X光片时，你是否想过，医生如何确保每次检查的辐射剂量是安全且最优化的？尤其是对于新生儿和婴幼儿这些对辐射更为敏感的人群，精准的剂量评估至关重要。在医疗影像领域，辐射剂量测定是优化和证明成像程序合理性的基础。然而，现代成像设备的复杂性常常超出了标准剂量计算软件的能力，这迫使研究人员和物理师不得不依赖于商业化的剂量体模来进行实际的剂量测量。但问题来了：这些商业体模往往价格极其昂贵，动辄数万乃至数十万美元，并且其解剖结构和组织成分可能与广泛使用的计算模型存在差异。在儿科领域，问题尤为突出，因为需要一系列不同尺寸的体模来代表从新生儿到青少年的广泛患者群体，这使得成本更加难以承受。
面对这一困境，近年兴起的3D打印技术（特别是熔丝沉积成型技术）带来了新的希望。这项技术能够以相对低廉的成本，定制化地制造出具有解剖学精度、并能模拟不同组织（如软组织、肺、骨骼）X射线衰减特性的物理模型。那么，能否利用这项“平民化”的技术，打造一款既精准又经济的儿科剂量体模呢？发表在《Physical and Engineering Sciences in Medicine》上的一项研究给出了肯定的答案。该研究旨在设计、构建并验证一款基于3D打印技术、成本效益高的新生儿等效剂量体模，用于测量器官和全身有效剂量。
为了达成目标，研究人员采用了几个关键的技术方法。首先，他们通过微CT（40–70 kVp）和临床CT（70–140 kVp）的亨氏单位分析，系统研究了多种聚乳酸(PLA)基线材的组织等效性。其次，他们基于改良的Cristy和 Eckerman新生儿模型，使用MATLAB生成了包含21个切片的体模3D模型，并在Bambu Lab X1 Carbon 3D打印机上完成打印。在验证环节，研究人员在体模内嵌入了186个热释光剂量计(TLD)胶囊，对体模进行全身60 kVp X线摄影曝光，并将TLD测量结果与PCXMC 2.0蒙特卡洛模拟结果进行对比，以评估体模的剂量测定准确性。
研究结果部分揭示了以下几个主要发现：
1. PLA基材质的表征
通过分析亨氏单位与填充密度的关系，研究人员发现标准白色PLA和StoneFil PLA的X射线衰减特性在诊断束质范围内与填充密度呈线性相关。他们计算出了最能匹配PCXMC定义的新生儿组织理论衰减值的最优填充密度：标准PLA在93%填充密度（ρ = 1.14 g/cm3）时模拟软组织，在26%填充密度（ρ = 0.41 g/cm3）时模拟肺组织；而StoneFil复合PLA在81%填充密度（ρ = 1.21 g/cm3）时模拟骨骼。尽管所选材料的物理密度与理论组织密度存在差异（如PLA密度略高，StoneFil密度略低），但其衰减特性在广泛的X射线束质范围内实现了良好的组织等效性折衷。
2. 儿科体模设计与构建
研究成功构建了一个基于改良Cristy和 Eckerman设计的3D打印新生儿体模。体模被分成21个25毫米厚的切片，总共包含242个孔洞，其中186个用于放置TLD剂量计，覆盖了45个器官和骨骼区域。打印总耗时135小时，材料成本仅为165澳元（约合人民币780元），与价格高达数万澳元的商用新生儿体模（如ATOM Newborn）相比，成本效益显著。
3. 剂量测定验证
将填充了TLD的体模进行60 kVp的全身X线摄影曝光后，研究人员将测量的器官吸收剂量与PCXMC 2.0模拟结果进行了对比。结果显示，物理测量与模拟值高度吻合。在测量的45个器官/组织区域中，有39个的剂量测量值落在模拟值的±25%范围内，平均相对剂量差异为3.98%。根据ICRP 103标准计算的全身体模有效剂量，物理测量结果为19.62-0.29+0.40mSv（20次曝光总和），与模拟值19.25 ± 0.12 mSv的差异小于2%，进一步证实了打印体模的剂量测定准确性。
结论与讨论部分强调了这项研究的成功与意义。本研究成功开发并验证了一款经济高效的3D打印新生儿剂量体模。该体模在全身X线摄影曝光中表现出准确的剂量测定能力，其测量的平均器官剂量和有效剂量与广泛使用的PCXMC蒙特卡洛模拟软件的结果高度一致。这证明了利用消费级3D打印机和常见线材（PLA）制造可用于精准放射剂量学的物理体模的可行性。
这项工作的重要意义主要体现在三个方面：首先是成本革命，它将儿科剂量体模的制造成本降低了两个数量级，使得更多医疗机构和研究人员能够负担得起这类必要的剂量测量工具。其次是可定制性与可扩展性，基于MATLAB的设计和3D打印制造工艺使得快速生成不同年龄（如1岁、5岁、10岁儿童）和体型的体模成为可能，更好地覆盖了儿科患者群体的多样性。最后是直接可比性，该体模的设计直接基于PCXMC等常用剂量模拟软件所采用的模型，使得物理测量结果能够与计算结果进行直接、有意义的对比，这对于验证和优化复杂的成像技术（如锥形束CT、槽式扫描等）的剂量模型尤为重要。
尽管在验证中观察到一些剂量差异（如上躯干器官剂量测量值相对模拟值偏低，下躯干偏高），研究人员分析这可能与X射线管的阳极跟效应有关，而PCXMC软件可能未完全模拟此效应。此外，研究也指出了所用StoneFil线材在不同批次间可能存在成分差异等局限性。未来的工作将探索该体模在其他X射线成像模式（如CT）中的应用，并致力于打印更大尺寸的、代表年长儿童的体模。
总而言之，这项研究为儿科放射剂量学提供了一把既精准又实惠的“标尺”。它不仅解决了商业体模价格高昂的痛点，更通过开源、可定制化的设计，为个性化、精准化的辐射安全评估打开了新的大门，有望推动儿科影像检查的辐射防护水平迈向新的台阶。
