在脑科学研究领域，使用某些非生物组织材料与数字模型来替代真实人脑组织可以帮助研究人员加快实验进程，这些非生物组织材料与数字模型统称为仿脑组织体模。仿脑组织体模是指可以有效模拟人脑组织形状、性质的等效材料组织或数字模型。它可以在实验中代表人脑组织的某些生理特性来达到特定的研究目标。随着脑科学的发展，仿脑组织体模也在朝着更加接近真实脑组织的生理特性方向发展。

仿脑组织体模分类

　　通常情况下，仿脑组织体模根据其形态分为固体、液体和数字体模三种。其中固体体模一般以明胶和琼脂作为主要原材料，并通过添加一些辅助材料来调整相关电学参数。在一些研究中，也有研究人员会加入氯化钠来改变体模的导电性，加入丙二醇来起到保湿和稳定的作用[1]。在液体体模中，生理盐水是最常见的材料。有的研究设计使用不同浓度不同厚度的盐水层来模拟头皮和脑组织[2-3]。随着计算机技术的兴起和发展，数字体模也随之发展起来。数字体模是基于电子成像技术，例如正电子发射断层扫描（positron emission tomography, PET）生成的一种数字模型。有研究在新生儿磁共振图像分析的基础上，建立了一套有别于成年人大脑的新生儿大脑数字体模，这对模拟新生儿脑部断层图像有着重要的参考价值[4]。

用于电磁波暴露研究的头部体模模型[5]

头部模型是半实体模型，外部容器是3D打印模型，材料是聚乳酸，内腔放入用于模拟硬脑膜、白质和脑脊液组成的仿脑组织体模。

仿脑组织体模物理特性

　　对于仿脑组织体模的物理特性研究主要关注于其电学、力学和声学方面的特性，这对于医学影像、脑部疾病研究等方面有着重要的参考价值。电学特性的研究多集中介电特性、人体头部电磁波吸收比值（specific absorption rate, SAR）和电磁特性上。对于力学特性的研究，主要关注其内部力的相互作用与形变。在声学研究中，研究人员主要关注于仿脑组织体模的超声特性，如超声声速和声衰减系数。同时，在声学领域的研究中，声电效应也是一个研究的重点，其对于生物电流源的准确定位有着重要意义。有研究使用质量分数为0.9%的氯化钠溶液作为均匀导电介质作为实验体模，在其内部模拟导联场并用不同脉冲重复频率（pluse repetition frequency, PRF）与不同超声信号振幅聚焦模拟电流源，可以有效地从声电信号中提取相应特征，同时也通过体模实验研究不同PRF下脉冲聚焦超声（pluse focused ultrasound, PFU）的生物电流源编码机制[6]。

用于声电效应成像的设备[6]

(a)电极位于样本槽下方，换能器位于下方。(b)超声换能器在ｘ-ｙ平面上移动，从样本槽底部发出脉冲。声电信号由铂丝电极检测，经数据采集系统放大滤波。

脑科学实验中的应用

　　在脑科学实验中，出于对受试者的安全、健康和权益的考虑，研究人员通常会选择动物组织进行实验。但由于动物实验存在着不便性及一定的动物实验伦理问题，研究人员更倾向于使用仿脑组织体模进行实验。在运动障碍疾病方面例如帕金森病（PD）、肌张力障碍、阿尔茨海默病（AD）、颅脑损伤和脑部肿瘤研究，仿脑组织体模都是良好的实验材料。

用于模拟AD的人脑体模

（a）用于实验的人脑模型。（b）模型的横截面视图，分别为外层的灰质，中间层的白质和受AD影响的脑组织。

　　此外，在医疗影像技术、脑卒中研究等领域中，仿脑组织体模也有良好的应用价值。在医疗影像领域，医师可以使用数字体模研究像素大小对CT影像组学特征的影响，也可以探究高级迭代重建算法对图像质量的影响[7-8]。在脑卒中领域，研究者则根据受损脑组织与正常脑组织的介电特性不同配置具有缺血性脑卒中和出血性脑卒中受损脑组织介电特性的仿脑组织体模用于微波脑中风成像实验，也可以将其用于脑卒中检测系统的测试与评估工作[9-10]。

小结与展望

　　总的来说，仿脑组织体模所需要的材料简单易得，配置方法也并不复杂。同时，使用仿脑组织体模可以提前对正式实验的安全性与可行性做出有效评估，加速实验进程的同时避免潜在的影响实验安全性的因素。与动物组织相比，仿脑组织体模可以重复制作、利用，使用方便，同时也不会增加研究者在动物脑组织实验上的心理压力。可见，仿脑组织体模是集经济、安全、高效等优点的优质实验材料。近年来兴起的声电脑成像技术能够同时利用经颅聚焦超声的高空间分辨率和脑电图的高时间分辨率进行大脑功能成像。多数研究使用仿脑组织体模来代替真实的人脑组织模拟多种脑部电生理活动，并以此为研究基础，探究声电成像技术在脑神经元异常放电疾病诊断及术前病灶定位上的应用。并且，仿脑组织体模的研究能够促进超声调制声电脑成像系统的搭建，为声电脑成像技术应用于临床提供了基础。总的来说，仿脑组织体模所需要的材料简单易得，配置方法也并不复杂。同时，使用仿脑组织体模可以提前对正式实验的安全性与可行性做出有效评估，加速实验进程的同时避免潜在的影响实验安全性的因素。与动物组织相比，仿脑组织体模可以重复制作、利用，使用方便，同时也不会增加研究者在动物脑组织实验上的心理压力。可见，仿脑组织体模是集经济、安全、高效等优点的优质实验材料。近年来兴起的声电脑成像技术能够同时利用经颅聚焦超声的高空间分辨率和脑电图的高时间分辨率进行大脑功能成像。多数研究使用仿脑组织体模来代替真实的人脑组织模拟多种脑部电生理活动，并以此为研究基础，探究声电成像技术在脑神经元异常放电疾病诊断及术前病灶定位上的应用。并且，仿脑组织体模的研究能够促进超声调制声电脑成像系统的搭建，为声电脑成像技术应用于临床提供了基础。（详情请点击阅读原文）

参考文献

　　[1] Mobashsher A T, Abbosh A M. Three-dimensional human head phantom with realistic electrical properties and anatomy. IEEE ANTENN WIREL PR, 2014, 13: 1401-1404

　　[2] Zhou Y, Song X, Wang Z,et al. Coding biological current source with pulsed ultrasound for acoustoelectric brain imaging: application to vivo rat brain. IEEE Access,2020,8: 29586-29594

　　[3] Shephard C, Jochum T, Abzug Z,et al. Planar saline bath phantom of the rush head model. IEEE EMBS, 2011

　　[4] Kazemi K, Grebe R, Moghaddam H A,et al. Design of a digital phantom of the neonatal brain. IEEE EMBS, 2007

　　[5] Septianto N R. Head phantom model for electromagnetic wave exposure study at 2.45 GHz. IEEE APMC, 2019

　　[6] Zhou Y, Song X, Wang Z,et al. Multisource acoustoelectric imaging with different current source features. IEEE T Instrum Meas, 2020, 70: 1-9

　　[7] Wang Y. Effect of advanced modeled iterative reconstruction in different strength levels on image quality under different noise: a phantom study. Chin J M Imaging Technol, 2019, 914-919

　　[8] Liu T. Impact of voxel size on CT radiomics features: a phantom study. Chin J M Imaging Technol, 2019, 1099-1102

　　[9] Joof S, Cansiz G, Ozgur S,et al. Tissue mimicking phantoms for microwave brain stroke imaging. IEEE MMS, 2018

　　[10] Tesarik J, Pokorny T, Vrba J. Dielectric sensitivity of different antennas types for microwave-based head imaging: numerical study and experimental verification. INT J MICROW WIREL T, 2020, 12(10): 982-995

作者简介

王学：天津大学医学工程与转化医学研究院硕士，研究方向为经颅聚焦超声与声电脑成像技术。

张宸：天津大学医学工程与转化医学研究院硕士，研究方向为声电脑成像技术与神经调控。

（作者：王学、张宸）

（本文来源于公众号：生物化学与生物物理进展）