Abdominalni fantom izrađen 3D printanjem: šta otkriva CT?

Istraživanje CT snimanja oslanja se na modele koji omogućavaju procjenu anatomije i kvaliteta snimka u kontrolisanim uslovima. Koristan fantom treba prikazivati relevantne strukture i imati rendgensko slabljenje slično tkivima koja se proučavaju. Ovaj rad opisuje abdominalni fantom izrađen od 3D printanih dijelova i lako dostupnih materijala te procjenjuje njegov izgled na CT snimcima, uključujući i simulaciju malog apendiksa.

Ključni nalazi

• Abdominalni fantom izrađen je kombinovanjem 3D printanog kalupa i dijelova s pčelinjim voskom, epoksidnom smolom i gipsom.
• Izmjerene CT vrijednosti iznosile su −115,41 ± 20,29 HU za masno tkivo, 65,61 ± 18,06 HU za mišiće i 510 ± 131,2 HU za kosti.
• Simulacija masnog tkiva nije se statistički značajno razlikovala od snimaka pacijenata (p = 0,428).
• Simulacije mišića i kostiju imale su više HU vrijednosti od odgovarajućih vrijednosti na snimcima pacijenata (p < 0,001).
• Simulacija kosti bila je statistički slična simulaciji kosti u komercijalno dostupnom fantomu (p = 0,063).
• Prosječni kontrast simulacije apendiksa iznosio je 818 HU pri 80 kV i 881 HU pri 120 kV.

Zašto razvijati fantom za snimanje abdomena?

Fantom je fizički model koji prikazuje odabrana svojstva ljudskog tijela i koristi se za testiranje snimanja, obuku ili istraživanje. Na CT snimcima vrijednosti slike izražavaju se CT brojevima, koji se obično mjere u Hounsfieldovim jedinicama (HU). Ove vrijednosti pomažu u razlikovanju materijala i tkiva, ali zavise i od faktora kao što su energija rendgenskog zračenja i postavke snimanja.

Anatomski fantom ima dva povezana projektna izazova: njegova geometrija treba prikazati anatomiju od interesa, a materijali trebaju približno odgovarati rendgenskom slabljenju ciljnih tkiva. Komercijalni fantomi predstavljaju ustanovljene referentne modele, ali prilagođeni model može biti osmišljen za određeno istraživačko pitanje. Aditivna proizvodnja, poznata i kao 3D printanje, omogućava izradu prilagođenih oblika i kalupa. Međutim, sama printana struktura možda neće oponašati slabljenje svih tkiva, zbog čega je u ovom istraživanju kombinovana s materijalima za livenje.

U radu se navodi cilj razvoja i karakterizacije kompozitnog abdominalnog fantoma od pčelinjeg voska i epoksidne smole, uz 3D printane dijelove i gips u konstrukciji. Jedna od navedenih svrha bila je analiza simulacije apendiksa i optimizacija parametara snimanja. Rad tako povezuje izbor dizajna i proizvodnih materijala s praktičnom procjenom CT snimaka.

Materijali i pristup izradi

Abdominalni kalup izrađen je prilagođenim 3D printerom, koristeći odabrani filament. U radu se navodi da su parametri printanja optimizirani radi dimenzijske tačnosti, kvaliteta površine i strukturnog integriteta.

Komercijalni peleti pčelinjeg voska korišteni su za simulaciju masnog tkiva. Vosak je rastopljen, izliven u predviđene šupljine printanog kalupa i ostavljen da se ohladi i stvrdne. Epoksidna smola pomiješana je s odabranom ispunom koja oponaša mišićno tkivo, a zatim izlivena u preostale šupljine. Nakon stvrdnjavanja tog dijela, unutar sastavljene abdominalne strukture napravljen je zaseban gipsani kalup za izradu simulacije kosti. U završni odljev od epoksidne smole dodano je kontrastno sredstvo čije su HU vrijednosti bliže vrijednostima kosti, a smjesa je izlivena u gipsani kalup. Stvrdnuti dijelovi zatim su sastavljeni u cijeli fantom.

Riječ je o pristupu s više materijala, a ne o modelu printanom od jednog materijala. Printani kalup omogućava željenu geometriju, dok se vosak, smola i gips koriste za različite regije. Procjena u radu usmjerena je na CT slabljenje i izgled na snimcima; ona ne pokazuje da materijali oponašaju sva mehanička ili biološka svojstva ljudskog tkiva.

Kako su procijenjeni CT snimci

Simulacija apendiksa procijenjena je pomoću tri parametra: kontrasta, vidljivog promjera i oštrine rubova. Kontrast predstavlja razliku između srednjeg CT broja objekta i pozadine. Promjer opisuje prividnu širinu objekta na snimku. Oštrina rubova prikazana je parametrom σ, procijenjenim prilagođavanjem krive prelazu između pozadine i objekta. Praktično, analiza je ispitivala koliko se jasno simulirana struktura vidi u odnosu na okolinu.

U istraživanju je korišteno 12 serija snimanja. Postavke napona cijevi bile su 80, 100, 120 i 135 kV, uz navedene struje cijevi od 300, 153, 87 i 80 mA za odgovarajuće serije. Debljina sloja bila je 0,5 ili 1,0 mm. Vrijednosti CTDI navedene u tabeli snimanja iznosile su 3,9, 4,9, 6,0 i 7,6 mGy. Upoređeni su rekonstrukcijski algoritmi FC18 i FC08. Korištena je automatska modulacija struje cijevi, s unaprijed postavljenom standardnom devijacijom od 12,5 i dinamičkim rasponom struje anode od 50 mA do 300 mA.

CT rezultati i njihovo značenje

CT brojevi za masno tkivo, mišiće i kosti u fantomu upoređeni su s vrijednostima sa snimaka pacijenata i komercijalno dostupnog fantoma. Za masno tkivo nije utvrđena statistički značajna razlika u odnosu na snimke pacijenata (p = 0,428). Nasuprot tome, simulacije mišića i kostiju u fantomu imale su više HU vrijednosti od odgovarajućih vrijednosti na snimcima pacijenata (p < 0,001). Simulacija kosti bila je statistički slična simulaciji kosti u komercijalnom fantomu (p = 0,063). Ovi nalazi pokazuju da su se rezultati razlikovali zavisno od vrste tkiva: istraživanje ne podržava zaključak da su sve tri simulacije podjednako bliske vrijednostima kod pacijenata.

Analiza apendiksa pokazala je da napon cijevi utiče na izmjereni kontrast. Prosječni kontrast iznosio je 818 HU pri 80 kV i 881 HU pri 120 kV. U pojedinačnim rezultatima kontrast pri 120 kV iznosio je 884 HU i 883 HU za navedene serije s debljinama sloja od 0,5 i 1,0 mm. U radu se navodi pozitivna korelacija između napona cijevi i kontrasta (p = 0,014). Ovo je važan detalj pri mjerenju: HU rezultat treba tumačiti zajedno s uslovima snimanja, a ne kao nepromjenjivo svojstvo materijala.

Poređenjem algoritama FC18 i FC08 nije utvrđena značajna razlika u kontrastu (p = 0,594). Nije bilo ni značajne razlike u oštrini rubova, opisanoj parametrom σ, između ovih algoritama (p = 1,000). Vidljivi promjer nije se značajno razlikovao između algoritama, a test korelacije između napona cijevi i promjera dao je p = 0,357. Ovi rezultati odnose se na proučavani fantom i postavke snimanja; oni ne dokazuju da će se svi CT skeneri ili protokoli ponašati jednako.

Značaj rada za inženjere i istraživače

Za mašinske inženjere i dizajnere proizvoda, istraživanje je primjer korištenja 3D printanja za izradu prilagođenog kalupa i geometrijski definiranih dijelova, uz materijale za livenje koji formiraju različite regije fantoma. U medicinskom snimanju fantom nudi testni objekt za proučavanje CT postavki i vidljivosti male strukture poput simulacije apendiksa. Studentima pokazuje kako se aditivna proizvodnja, izbor materijala, CT brojevi i analiza slike mogu objediniti u primijenjenom istraživačkom projektu.

Praktična pouka jeste da svaku zamjenu za tkivo treba procijeniti zasebno i dokumentirati postavke snimanja. Dobro podudaranje za masno tkivo ne znači da će isto važiti za mišiće ili kosti. Isto tako, kontrast apendiksa mijenjao se s naponom cijevi. Za druge namjene, uključujući edukaciju ili razvoj proizvoda, dizajn i materijali fantoma trebaju odgovarati konkretnom cilju testiranja.

Ograničenja i mogući naredni koraci

Izmjerene vrijednosti za mišiće i kosti bile su više od vrijednosti na snimcima pacijenata, što ukazuje na mogućnost daljnjeg ispitivanja formulacije materijala. Eksperimenti obuhvataju navedene CT postavke i poređenja HU vrijednosti; oni ne pokazuju da fantom oponaša sva svojstva živog tkiva ili sve kliničke uslove snimanja. Daljnji rad mogao bi ispitati kako promjene sastava materijala utiču na HU vrijednosti i koliko se dosljedno mjerenja mogu prenijeti na različite protokole snimanja. To su moguća pitanja za nastavak istraživanja, a ne rezultati koje ovaj rad navodi.

Zaključak

Ovo istraživanje opisuje prilagodljivi abdominalni fantom sastavljen od 3D printanih elemenata, pčelinjeg voska, epoksidne smole i gipsa. Simulacija masnog tkiva nije se značajno razlikovala od vrijednosti sa snimaka pacijenata, dok su simulacije mišića i kostiju imale više HU vrijednosti; rezultat simulacije kosti bio je statistički sličan rezultatu komercijalnog fantoma. Istraživanje predstavlja konkretan primjer kako 3D printanje i konvencionalni materijali za livenje mogu podržati abdominalna CT istraživanja, uz naglasak na potrebi da se svaki materijal i protokol snimanja provjere u odnosu na namjeravanu primjenu.

Česta pitanja

Autor: Doc. Dr. Adi Pandžić

Tekst je napisan na osnovu objavljenog naučnog rada; za detalje i citiranje koristite originalni rad. O autoru

← Svi blogovi