研究背景：

肿瘤靶区定位精度是放射治疗机器人关键性能指标之一。呼吸运动模体通过模拟呼吸引起的运动，为验证该精度提供了一种安全的人体替代方案。现有刚性模体虽具备精确的运动控制能力，但缺乏解剖结构真实性，且无法再现体表与肿瘤之间的关联运动关系；而气动驱动的柔性模体虽具有类组织顺应性，但其运动稳定性较差、可重复性不足。为克服上述局限，本文开发了一种胸腹部仿生模体（thoracoabdominal phantom），采用与胸腹部组织力学特性相当的硅胶弹性体研制。该模体集成了多个可变形的肿瘤模体，这些模体可随呼吸运动同步移动，从而实现体表与肿瘤之间的关联运动。基于步进电机驱动的注射器式驱动系统可对每个呼吸周期内注入或抽出模体的流体体积进行精确调控，在保证呼吸幅度与频率的定量可控的同时，实现了5.409 mm的最大胸腹部呼吸运动幅值。多模态传感验证结果表明，该系统能够准确重现胸腹部运动动力学特征；同时，千伏级X射线成像（kV）与锥形束计算机断层成像（CBCT）均清晰显示了肿瘤模体。该平台为研究人体呼吸引起的体内与体外运动提供了可靠工具，并为图像引导放射治疗策略的开发提供了有力支撑。

正文：

创新点

1. 提出了体表、肺与肿瘤多层耦合的胸腹部仿生呼吸运动建模方法。通过采用柔性硅胶材料构建胸腹部仿生结构，并利用流体驱动引起肺部形变，进而带动肿瘤、肋骨及体表的协同运动，在结构设计层面实现了体表、肺与肿瘤之间的多层耦合呼吸运动重建。

2. 提出了基于步进电机丝杆滑台带动注射器驱动模体运动的流体定量可控驱动方法。通过采用步进电机驱动丝杆滑台精确控制注射器推杆移动，实现对腔体内流体体积的精确调控，从而在系统层面实现呼吸运动幅度与频率的定量控制，并显著提升了运动的稳定性与可重复性。

3. 提出了基于体表运动与肿瘤影像的呼吸运动同步性验证方法。通过同步获取体表位移信号与kV/CBCT影像中肿瘤运动信息，对呼吸运动过程中两者的周期变化进行对比分析，验证了体表运动与肿瘤运动具有一致的呼吸周期特性，并表现出良好的动态变化一致性。

结果与讨论

1.仿生模体的结构设计

本研究介绍了一种用于放射治疗前肿瘤靶区精度验证的仿生模体。为了实现高解剖保真度和定量可制的呼吸运动，使用硅胶材料制作了一个柔性模体（图1）。内部包含可变形的肿瘤模体，该模体由硅胶、水凝胶和钨粉复合材料制成，能够与肺部模体同步运动，可以在kV和锥形束CBCT成像下清晰可见。

图 1. 仿生模体的设计. (a) 关键组件（包括肿瘤模体、肺模体及胸腹模体）的分步制作过程。(b) 仿生模体的驱动机制与性能测试：(i) 驱动系统示意图。(ii) 加速度计、柔性压力传感器及呼吸带的信号输出。(iii) 基于立体视觉系统获取的运动追踪结果。(c) 仿生模体的放射学显影特性。(i) 模体测试场景。(ii) 模体在kV成像及CBCT下的显影效果。

2. 流体定量可控驱动系统的实现

本团队设计了一种流体定量可控的驱动系统，将步进电机与丝杆滑台耦合，驱动基于注射器的输注机构向模体充放水等流体以产生呼吸运动（图2）。以水等极低压缩性流体为工作介质时，该驱动系统能够对模体的呼吸运动进行精确的定量控制。

图2. 仿生模体驱动系统的设计。(a)驱动系统的装配方案。(b) 驱动系统的控制流程。 (c) 驱动系统与仿生模体的连接方案。

3.仿生模体性能验证

最后，本团队评估了仿生模体在模拟人体呼吸运动方面的性能，包括模拟呼吸运动幅度和频率的能力，同时将其与从人体受试者采集的呼吸数据进行了比较（图3）。该模体成功地再现了除深呼吸外的典型呼吸模式的幅度和频率。其独立控制幅度和频率的能力证实了该模体可用于定量模拟各种呼吸运动。

图3.仿生模体性能验证结果。(a)频率固定（2.5次呼吸/分钟；T = 24 s）、幅值递增的实验：呼吸幅值分别为1.787 mm、2.684 mm、3.595 mm和5.409 mm。(b) 幅值固定（3.6 mm）、频率递减的实验：呼吸频率分别为10、7、5和2.5次呼吸/分钟。(c) 呼吸频率与步进电机脉冲频率之间的关系；呼吸幅值与步进电机转数之间的关系。(d) 受试者与模体的平均呼吸幅值及频率对比。

此外，肿瘤模体的加入提高了仿生模体在构建呼吸过程中胸腹体表与肿瘤靶区关联运动相关模型方面的实用性，这在肺癌放疗研究中尤为重要。本团队同步采集并分析模体体表与肿瘤靶区的运动信息，验证了体表与肿瘤靶区运动周期与动态变化的一致性（图4）。

图4.仿生模体体表运动与肿瘤模体运动分析。(a) 仿生模体被放置于配备实时kV成像系统及条码定位系统（BPS）的实验室内。(b) 粘附于肺模体上的四个预设肿瘤模体的位置。(c) 在kV成像下，所有四个肿瘤体模均清晰可见；在CBCT扫描中，这些体模也均可被探测到。(d) 浅呼吸时体表与肿瘤靶区呼吸运动比较。(e) 正常呼吸时体表与肿瘤靶区呼吸运动比较。(f) 深呼吸时体表与肿瘤靶区呼吸运动比较。

文章第一作者是中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州）（中国科学院苏州医工所）硕士生王灿，通讯作者为中国科学院苏州医工所郭凯副研究员。该研究得到国家重点研发计划的支持。

论文信息：

Biomimetic Phantom for Tumor Target Precision Verification Before Radiotherapy

Can Wang, Yuwen Wu, Jie Wang, Jie Deng, Xiaobiao Shan, Chang Liu, Yuze Zhang, Yingxiang Liu, Kai Guo

Advanced Materials Technologies

DOI:10.1002/admt.202502319

原文链接：

https://doi.org/10.1002/admt.202502319

期刊介绍：

Advanced Materials Technologies聚焦连接材料科学、创新技术与实际应用的多学科研究，涵盖各类应用材料领域，重点关注先进器件的设计、制备与集成。

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