3D printanje fantoma: CT protokol s manjom dozom za dojenčad

CT snimanje glave može biti potrebno i najmlađim pacijentima, ali djeca su osjetljivija na jonizirajuće zračenje nego odrasli. Zato CT protokol treba prilagoditi veličini pacijenta, a da slika i dalje pruži dovoljno informacija za dijagnostičku procjenu.

Rad Dr. Adija Pandžića, objavljen u časopisu Diagnostics 2023. godine, opisuje izradu 3D printanog antropomorfnog fantoma glave dojenčeta i njegovu upotrebu za optimizaciju CT protokola.

Ključni nalazi

• Za izradu fantoma korišteni su 3D model napravljen iz DICOM snimaka, SLA 3D printanje, gips i epoksidna smola.
• U optimiziranom protokolu primijenjeni su napon od 100 kV, struja od 170 mA i vrijeme rotacije od 0,75 s.
• Srednji CTDIvol iznosio je 27 mGy za neoptimizirani, a 21 mGy za optimizirani protokol; razlika je bila statistički značajna (p = 0,021).
• U analizi kvaliteta slike nije utvrđena statistički značajna razlika između protokola (p = 0,379).
• Optimizirani protokol dao je prihvatljiv kvalitet slike prema subjektivnoj procjeni, ali fantom ne predstavlja sve strukture ljudskog mozga.

Zašto je važno prilagoditi CT dozi za djecu

CT koristi rendgensko zračenje kako bi prikazao unutrašnju anatomiju tijela. U dječijoj radiologiji protokol za odrasle nije automatski odgovarajući: tijelo i anatomske strukture djeteta manji su, a dječija tkiva osjetljivija su na zračenje. Zbog dužeg očekivanog životnog vijeka važna je i pažljiva primjena principa optimizacije, odnosno održavanje doze što nižom uz očuvanje kvaliteta slike potrebnog za medicinsku svrhu.

U opisanom kliničkom okruženju isti protokol za CT glave koristio se za djecu različitih uzrasta, od 0 do 16 godina. Rad se usmjerio na dojenčad uzrasta 0–1 godinu kao prvi korak u optimizaciji protokola za dječiju populaciju. Za provjeru promjena protokola bio je potreban model na kojem se mogu obaviti snimanja i mjerenja osobina slike, a koji je oblikom i radiološkim karakteristikama bliži glavi dojenčeta nego komercijalni fantom za odrasle.

Kako je napravljen 3D printani fantom glave

Fantomi su fizički modeli koji oponašaju određene osobine tijela. U CT-u se koriste za procjenu prikaza različitih tkiva i provjeru postavki snimanja. Kao referenca je korišten komercijalni ATOM Max fantom glave za odrasle. Njegovi materijali imaju osobine slabljenja rendgenskog zračenja slične normalnom tkivu, ali njegova veličina i ujednačena simulacija moždanog tkiva ograničavaju upotrebu za procjenu dječije anatomije.

Za izradu dječijeg modela korišteni su DICOM podaci CT snimaka. DICOM je format za pohranu medicinskih slika. Podaci su obrađeni u programu 3D Slicer: određen je prag za koštano tkivo, ono je izdvojeno segmentacijom i formiran je trodimenzionalni model. Podaci koji mogu identificirati pacijenta uklonjeni su iz DICOM skupa.

Model je izvezen kao STL datoteka i pripremljen za printanje u programu PreForm. Korištena je SLA tehnologija, odnosno stereolitografija, i materijal Grey V4 kompanije Formlabs za printanje strukture lobanje i kalupa. Nakon printanja, kalup je ispunjen gipsom i epoksidnom smolom te učvršćen prije CT snimanja. Gips je odabran za simulaciju kostiju, a CT vrijednosti korištenog gipsa odgovarale su vrijednostima izmjerenim u dječijim kostima.

U radu se naglašava da su ranije ispitivane radiografske karakteristike materijala za 3D printanje, uključujući CT brojeve i ujednačenost gustine. Ovaj rad oslanja se na taj razvoj materijala, a zatim opisuje primjenu fantoma u optimizaciji protokola.

Šta su mjerili i kako je protokol podešen

Ispitivanja su provedena na 16-slojnom Toshiba Astelion CT uređaju. Protokol za odrasle, korišten kao referenca, uključivao je napon od 120 kV, struju od 200 mA i vrijeme rotacije od 750 ms. U CT-u se napon cijevi izražava u kilovoltima, a struja i vrijeme zajedno određuju količinu zračenja koju uređaj koristi tokom snimanja.

Mjerili su se CT broj i šum u fantomu. CT broj izražava se u Hounsfieldovim jedinicama (HU) i opisuje kako materijal slabi rendgensko zračenje u poređenju s vodom. Šum je slučajna varijacija vrijednosti piksela koja utiče na izgled slike. Mjerenja su obavljena u kružnoj regiji interesa površine 500 mm². Praćeni su i CTDIvol, indeks doze za volumen CT snimanja, i PKL,CT, proizvod doze i dužine skeniranja.

Na osnovu mjerenja fantoma odabran je protokol za dojenčad s naponom od 100 kV, strujom od 170 mA i vremenom rotacije od 0,75 s. Za kliničku procjenu upoređeno je 12 pregleda prema neoptimiziranom protokolu i 30 pregleda prema optimiziranom protokolu. Subjektivno je procijenjeno pet kriterija kvaliteta slike, uključujući šum i prihvatljivost slike, razlikovanje sive i bijele mase, prikaz subarahnoidalnog prostora i zadnje lobanjske jame te prisustvo pruga.

Rezultati: doza i kvalitet slike

Srednji CTDIvol u grupi s neoptimiziranim protokolom bio je 27 mGy, uz standardnu devijaciju od 14 mGy. U grupi s optimiziranim protokolom srednja vrijednost iznosila je 21 mGy, uz standardnu devijaciju od 0 mGy. Razlika u CTDIvol bila je statistički značajna (p = 0,021). U radu se ističe da je doza u optimiziranoj grupi bila stabilnija, dok je veća raspršenost neoptimiziranih vrijednosti mogla biti povezana s proizvoljnim odabirom postavki snimanja.

Srednji PKL,CT iznosio je 432 mGycm uz neoptimizirani protokol i 365 mGycm uz optimizirani protokol. Vrijednosti su varirale i zbog različite dužine skeniranja. Za subjektivnu procjenu kvaliteta slike nije nađena statistički značajna razlika između grupa (p = 0,379). Srednje ocjene za svih pet kriterija bile su iznad 2, što je u radu opisano kao prihvatljiv ili dobar kvalitet slike.

Šta nalazi znače u praksi

Za radiološku praksu, studija pokazuje kako mjerenja na fantomu mogu biti dio procesa prilagođavanja CT protokola uzrastu pacijenta. Fantom omogućava ispitivanje parametara i kvaliteta slike bez oslanjanja samo na preglede pacijenata. Rezultati ovog istraživanja odnose se na konkretni uređaj, materijale i klinički protokol u KCUS-u; ne predstavljaju univerzalnu postavku za svaki CT skener ili ustanovu.

Za inženjere i istraživače, rad prikazuje cijeli proizvodni tok: obradu DICOM podataka, segmentaciju anatomije, pripremu STL modela, SLA printanje i kombinovanje materijala radi simulacije kosti i mekog tkiva. To je primjer primjene aditivne proizvodnje u medicinskoj dijagnostici i razvoja fantoma prema određenoj anatomiji. Rad povezuje mašinsko inženjerstvo, medicinsku fiziku i radiologiju.

Ograničenja i naredni koraci

Fantomski model ima ograničenu strukturnu složenost, pa u ovoj studiji nije bilo moguće provesti analizu kontrasta. U radu se također navodi da epoksidna smola nema iste HU vrijednosti kao ljudsko moždano tkivo. Zbog toga fantom nije namijenjen za upotrebu u radioterapiji. Osim toga, prikaz moždanog tkiva u komercijalnom fantomu za odrasle je homogen i ne razlikuje sivu i bijelu masu niti cerebrospinalnu tečnost u moždanim komorama.

Ovi nedostaci ograničavaju zaključke koji se mogu izvesti iz mjerenja fantoma. Rezultati podržavaju upotrebu opisanog modela za optimizaciju CT parametara u datom kontekstu, ali ne znače da isti materijali ili postavke mogu zamijeniti kliničku provjeru u drugim ustanovama. Dalji razvoj realističnijih fizičkih fantoma mogao bi omogućiti potpuniju procjenu anatomskih detalja i kontrasta.

Zaključak

Rad pokazuje da SLA 3D printanje i kombinacija komercijalnih materijala mogu poslužiti za izradu antropomorfnog fantoma glave dojenčeta. U konkretnom ispitivanju, optimizirani CT protokol imao je niži srednji CTDIvol nego neoptimizirani protokol, dok subjektivna procjena nije pokazala značajnu razliku u kvalitetu slike. Fantom je tako poslužio kao alat za optimizaciju, uz jasno navedena ograničenja u simulaciji moždanog tkiva i složenosti anatomije.

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