СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАНТОМА ПЛОДА ДЛЯ ФЕТАЛЬНОЙ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2024 года по МПК G09B23/28 

Изобретение относится к области медицинского моделирования, в частности - к методам создания антропоморфных фантомов для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Для специалистов, работа которых связана с проведением МР-исследований, необходимы объекты для тестирования и проверки функционирования аппаратного и программного обеспечения формирования изображений. Поэтому возникает потребность в изготовлении анатомически и функционально точных фантомов органов человека. Данные тест-объекты используются в качестве инструментов для оценки работоспособности оборудования и настройки протоколов сканирования в повседневной клинической практике. Материалы, имитирующие биологические ткани, на заданных режимах визуализации должны иметь определенные значения времен релаксации и отображать картину, характерную для реальных человеческих органов. Использование фантомов позволяет производить продолжительную рутинную настройку оборудования без необходимости присутствия пациентов, что особенно важно при сканировании беременных женщин. Проведение исследований у данной категории пациентов требует создания анатомически и функционально точных тест-объектов. Для решения данной проблемы представляется перспективным использование технологии трехмерной печати, которая позволяет в короткие сроки создавать реалистичные объекты сложной анатомической формы, сокращая цикл разработки продукта и снижая производственные затраты.

Из уровня техники известен способ изготовления фантома [1], согласно которому для создания анатомически реалистичного фантома мозга, имитирующего проводимость и механическую прочность, используют комбинацию 3d-печати и литья. После печати оболочки из ABS-пластика в нее заливают проводящий материал (например, полидиметилсилоксан или кремний с добавками). После того, как проводящий материал затвердеет, изделие помещают в химическую ванну (например, с ацетоном) для растворения материала оболочки. Процедура может повторяться для создания нескольких тканевых структур. Недостатком указанного способа является необходимость использования химических ванн с агрессивными растворителями.

В патенте [2] описан способ 3d-печати фантомов тела человека, основанный на данных медицинской визуализации. Технология позволяет быстро получить сложные контурные структуры в соответствии с потребностями пользователя, однако способ ориентирован на изготовлении твердых материалов (например, корпус фантома) и не обеспечивает возможности имитирования мягких тканей. Данный способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.

Техническая задача заявленного изобретения состоит в создании антропоморфного фантома плода, имеющего показатели релаксации мягких тканей аналогичные тем, что наблюдаются при фетальной МРТ, что делает фантом пригодным для стандартизации сбора данных, настройки и оптимизации протоколов сканирования плода, а также для калибровки томографа, тренировки врачей и операторов МРТ.

Технический результат заявленного изобретения состоит в:

- расширении спектра имитируемых тканей;

- повышении точности изготовления модели плода;

- учете анатомических особенностей за счет построения объемной модели матки и плода на основе МР-изображений;

- сокращение времени изготовления фантома сложной геометрической формы.

Основа процесса изготовления фантома заключается в том, что с помощью трехмерной печати производят корпус фантома матки и плода со всеми внутренними структурами и дополнительной секцией для контроля качества изображения, изготавливают полимерные композиций для имитации релаксационных характеристик биологических тканей с последующими заполнением ими корпуса, готовят вставки методом стереолитографии для контроля высококонтрастного пространственного разрешения и помещают ее в предназначенную секцию, герметизируют корпус фантома с помощью крышки.

Существенным отличительным признаком заявляемого технического решения является:

- использование полимерных составов для имитации различных типов мягких тканей (легкие, мочевой пузырь, желудок, печень, мышцы, формирующееся белое вещество мозга плода, мышцы матери);

- использование стереолитографии для изготовления вставки, обеспечивающей контроль высококонтрастного пространственного разрешения.

На Фиг. 1 показан пример корпуса фантома, напечатанного на 3d-принтере из фотополимерной смолы.

Измерение высоконтрастного пространственного разрешения проводится на основе оценки профиля интенсивности, построенного вдоль высококонтрастных объектов установленных размеров. Для этого на стериолитографе изготавливается круглая вставка из MP-неконтрастного материала с отверстиями и зазорами между ними известных размеров, которые впоследствии будут заполнены изотоническим раствором. 3d-модель и готовая вставка представлены на Фиг. 2.

На Фиг. 3 представлен пример изображения, полученного в результате сканирования изготовленного фантома.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ изготовления фантома плода для фетальной магнитно-резонансной томографии.

Согласно разработанному способу, DICOM-файлы с МР-изображениями среднестатистического плода без патологий (срок беременности 20 недель 3 дня) импортируют в программное обеспечение 3D Slicer версии 5.2.1 для сегментации матки, плода и его внутренних органов. Полученная сегментация используется для создания объемной модели корпуса в программе Компас-3D v21. 3d-модель переносится в программу CHITUBOX VI.9.5, финально обрабатывается и печатается на 3d-принтере из фотополимерной смолы. После завершения печати корпус очищается от излишков смолы, обрабатывается изопропиловым спиртом и помещается в ультрафиолетовую камеру Wanhao Boxman 1 на одну минуту для завершения процесса полимеризации смолы.

Для имитации мягких тканей готовятся полимерные композиции:

Для имитации легких - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1 - 1% с добавлением 10-20 мкл Gadovist®.

Для имитации мочевого пузыря - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1 - 1% с добавлением 1-5 мкл Gadovist®.

Для имитации мышц плода - смесь из гидрогеля каппа-каррагинана с концентрацией 0,5 - 3% с гидрогелем агарозы с концентрацией 0,3 - 1,5% с добавлением 3-10 мкл Gadovist®.

Для имитации желудка - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1 -1% с добавлением 1-5 мкл Gadovist®.

Для имитации мышц матери - смесь из гидрогеля каппа-каррагинана с концентрацией 0,5 - 3% с гидрогелем агарозы с концентрацией 0,3 -1,8% с добавлением 6 -15 мкл Gadovist®.

Для имитации печени - гидрогель агарозы с концентрацией 0,3 - 1% с добавлением 1 - 5 мкл Gadovist®.

Гидрогели готовятся путем растворения навесок в дистиллированной воде при перемешивании и постоянном нагревании (температура 60 - 75°С) на магнитной мешалке. После частичного остывания раствора в композицию добавляется контрастное вещество и снова перемешивается на магнитной мешалке без нагревания.

Для имитации формирующегося белого вещества мозга готовится эмульсия типа «масло в воде» на основе подсолнечного масла с долей жировой фазы в интервале 35-60%. Для поддержания стабильности эмульсий применяется эмульгатор Behentrimonium Methosulfate. Эмульгатор нагревается, смешивается с растительным маслом и диспергируется с помощью гомогенизатора.

Амниотическая жидкость имитируется водным раствором хлорида натрия с массовой долей о (NaCl) 0,9% (изотонический раствор).

Заполняемость корпуса проходит поэтапно: сначала заливаются более вязкие структуры - смеси каррагинана с агарозой, затем - гидрогели агарозы, эмульсия и в конце - изотонический раствор.

В нижнюю секцию для контроля качества изображения помещается вставка для оценки высококонтрастного пространственного разрешения и заполняется изотоническим раствором, в верхнюю секцию заливается растительное масло.

Области желудка, мочевого пузыря и мозга дополнительно изолируются влагостойкой эластичной пленкой во избежание перемешивания жидкостей. Корпус с собранным фантомом закрывается сверху крышкой.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения:

- для трехмерного моделирования и прототипирования используют программы Компас-3D v21 и CHITUBOX V1.9.5 и принтер Anycubic Photon М3;

- в качестве материалов для имитации матки и внутренних органов плода используют гидрогели из 0,1 - 1,8% агарозы и ее смеси с 0,5 - 3% каппа-каррагинаном с добавлением 1-15 мкл контрастного вещества, предпочтительно, Gadovis®;

- в качестве материала, имитирующего формирующееся белое вещество мозга, используют эмульсию типа «масло в воде» на основе подсолнечного масла с долей жировой фазы в интервале 35 - 60%.

Работа с фантомом, изготовленным предлагаемым способом, обеспечит получение основных навыков настройки и отработки протокола сканирования для оптимизации длительности импульсных последовательностей и качества полученных изображений фетальной МРТ.

Список литературы

1. Патент US11373552B2 - Hamzah Magsood, Ciro Н. Alcoba Serrate, Ahmed A. El-Gendy, Ravi L. Hadimani. Anatomically accurate brain phantoms and methods for making and using the same.

2. Патент CN107731282B -Make method and system based on medical imaging and the 3D printing body of quality control molding.

Изобретение относится к области медицинского моделирования. Способ заключается в том, что при помощи 3d-печати изготавливают объемный антропоморфный корпус матки и плода со всеми внутренними структурами и дополнительной секцией для контроля качества изображения, для имитации релаксационных характеристик биологических тканей модель заливают полимерными композициями. В корпус помещают вставку для контроля высококонтрастного пространственного разрешения и корпус фантома герметизируют с помощью крышки. При этом методом трехмерного моделирования изготавливают корпус фантома из материала, химически не взаимодействующего с составами, имитирующими мягкие ткани. Для имитации мягких тканей готовят гидрогелевые композиции на основе агарозы и каррагинана, с добавлением контрастного вещества: для имитации легких - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1-1% с добавлением 10-20 мкл Gadovist®, для имитации мочевого пузыря - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1-1% с добавлением 1-5 мкл Gadovist®, для имитации мышц плода - смесь из гидрогеля каппа-каррагинана с концентрацией 0,5-3% с гидрогелем агарозы с концентрацией 0,3-1,5% с добавлением 3-10 мкл Gadovist®, для имитации желудка - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1-1% с добавлением 1-5 мкл Gadovist®, для имитации мышц матери - смесь из гидрогеля каппа-каррагинана с концентрацией 0,5-3% с гидрогелем агарозы с концентрацией 0,3-1,8% с добавлением 6-15 мкл Gadovist®, для имитации печени - гидрогель агарозы с концентрацией 0,3-1% с добавлением 1-5 мкл Gadovist®, для имитации формирующегося белого вещества мозга - эмульсию типа «масло в воде» на основе подсолнечного масла с долей жировой фазы в интервале 35-60%. Заполняемость корпуса составами проходит поэтапно: сначала заливают более вязкие структуры - смеси каррагинана с агарозой, затем гидрогели агарозы, эмульсию и в конце изотонический раствор. Для контроля качества изображения в корпусе проектируют секцию, верхнюю часть которой заполняют растительным маслом, в ее нижнюю часть помещают вставку, полученную методом стереолитографии для оценки высококонтрастного пространственного разрешения, и заполняют изотоническим раствором. Области желудка, мочевого пузыря и мозга дополнительно изолируют влагостойкой эластичной пленкой, а корпус собранного фантома закрывают сверху крышкой. Достигается расширение спектра имитируемых тканей, повышение точности изготовления модели плода и ускорение изготовления фантома. 3 ил.

Способ изготовления фантома плода для фетальной магнитно-резонансной томографии, заключающийся в том, что при помощи 3d-печати изготавливают объемный антропоморфный корпус матки и плода со всеми внутренними структурами и дополнительной секцией для контроля качества изображения, для имитации релаксационных характеристик биологических тканей модель заливают полимерными композициями, в корпус помещают вставку для контроля высококонтрастного пространственного разрешения и корпус фантома герметизируют с помощью крышки, отличающийся тем, что

- методом трехмерного моделирования изготавливают корпус фантома, причем для изготовления используется материал, химически не взаимодействующий с составами, имитирующими мягкие ткани;

- для имитации мягких тканей готовят гидрогелевые композиции на основе агарозы и каррагинана, с добавлением контрастного вещества: для имитации легких - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1-1% с добавлением 10-20 мкл Gadovist®, для имитации мочевого пузыря - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1-1% с добавлением 1-5 мкл Gadovist®, для имитации мышц плода - смесь из гидрогеля каппа-каррагинана с концентрацией 0,5-3% с гидрогелем агарозы с концентрацией 0,3-1,5% с добавлением 3-10 мкл Gadovist®, для имитации желудка - гидрогель агарозы с концентрацией 0,1-1% с добавлением 1-5 мкл Gadovist®, для имитации мышц матери - смесь из гидрогеля каппа-каррагинана с концентрацией 0,5-3% с гидрогелем агарозы с концентрацией 0,3-1,8% с добавлением 6-15 мкл Gadovist®, для имитации печени - гидрогель агарозы с концентрацией 0,3-1% с добавлением 1-5 мкл Gadovist®, для имитации формирующегося белого вещества мозга - эмульсию типа «масло в воде» на основе подсолнечного масла с долей жировой фазы в интервале 35-60%; причем заполняемость корпуса составами проходит поэтапно: сначала заливают более вязкие структуры - смеси каррагинана с агарозой, затем гидрогели агарозы, эмульсию и в конце изотонический раствор;

- для контроля качества изображения в корпусе проектируют секцию, верхнюю часть которой заполняют растительным маслом, в ее нижнюю часть помещают вставку, полученную методом стереолитографии для оценки высококонтрастного пространственного разрешения, и заполняют изотоническим раствором;

- области желудка, мочевого пузыря и мозга дополнительно изолируют влагостойкой эластичной пленкой;

- корпус собранного фантома закрывают сверху крышкой.