СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАНТОМА ЩИТОВИДНОЙ ЖЕЛЕЗЫ Российский патент 2025 года по МПК G09B23/28 

Изобретение относится к области биомедицинского моделирования, в частности - к изготовлению фантомов для ультразвуковых исследований, так как они обладают известными акустическими характеристиками, поэтому могут быть использованы для обучения специалистов проведению ультразвуковой диагностики и создания новых диагностических методик и приборов. Раскрыт способ изготовления фантома для ультразвуковых исследований его внутреннего строения, структуры которого по акустическим свойствам близки к тканям человека.

Из уровня техники известен фантом [1], способ изготовления которого включает множество технологических операций, преимущественно с органическими (пищевыми) продуктами. Фантом содержит модель щитовидной железы, изготовленную из желатина, модель трахеи, изготовленную из пластиковой бутылки, и модель окружающих щитовидную железу и трахею мягких тканей, изготовленных из желатина.

Модель трахеи изготавливали из пустой порезанной бутылки, в которую был вставлен надутый воздушный шарик с жидкостью. Модели мягких тканей изготавливали из желатина, который смешивали с теплой водой и перемешивали, затем разогревали в микроволновой печи. Смесь кукурузного крахмала и воды высыпали в подогретый раствор желатина, перемешивали, заливали в контейнер. Модель трахеи помещали в центр контейнера, заливали смесью желатина и кукурузного крахмала, охлаждали. Ежевику (имитация подозрительных новообразований) помещали в смесь позднее на разной глубине. Потребовался приблизительно 1 час на изготовление фантома перед охлаждением.

Недостатком данного технического решения является то, что выбранный материал для имитации мягких тканей недолговечен, подвержен высыханию и появлению бактерий, делающий его непригодным для многократного долговременного применения. Желатин, ягоды, бутылка и др. не являются технологичными материалами.

Известен фантом [2] щитовидной железы, с добавлением моделей, имитирующих доброкачественные кистозные образования, поражения средней степени подозрительности. Фантом FN A (fine needle aspiration - аспирация/пункция тонкой иглой) щитовидной железы - недорогой, простой в изготовлении.

Недостатком фантома является то, что он изготавливается с использованием нетехнологичных и недолговечных материалов (пищевых): куриной грудки, красного винограда без косточек, оливок и ежевики. Материалы для изготовления фантома являются быстро портящимися, что не позволяет использовать фантом многократно длительный промежуток времени.

Сборка фантома осуществляется вручную, непосредственно перед проведением обучающей диагностики.

Оба способа [1, 2] изготовления фантомов щитовидной железы являются наиболее близкими известными аналогами заявляемого способа изготовления фантома для ультразвуковой диагностики.

Техническая задача заявленного изобретения состоит в создании антропоморфного фантома с включениями, у которого форма, эхогенность и жесткость внутренних структур более реалистична, по сравнению с прототипами, и похожа на форму, эхогенность и жесткость внутренних структур реальной щитовидной железы человека.

Тот факт, что включения моделируют форму, эхогенность и жесткость, делает фантом пригодным для развития и проверки не только зрительно-моторной координации врача ультразвуковой диагностики, но и для совершенствования навыков дифференциальной диагностики, а также работы в эластографических режимах ультразвукового сканера.

Основа процесса изготовления фантома заключается в том, что: на 3D-принтере печатают модели костно-хрящевых структур, модель шеи, формы для заливки для вен, артерий, щитовидной железы; готовят модели новообразований, при этом используют поливинилхлоридный пластизоль и примесь для моделирования эхогенности. Модель шеи помещают в контейнер и заливают силиконом для получения мастер-формы модели шеи; в силиконовую мастер-форму модели шеи заливают пластизоль тонким слоем для получения модели кожи. В силиконовой мастер-форме модели шеи размещают модели всех внутренних структур и включений фантома щитовидной железы; мастер-форму модели шеи с моделями внутренних составляющих фантома щитовидной железы заливают поливинилхлоридным пластизолем, предварительно нагретым до температуры 150-180°С, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро, и имитирующим мягкие ткани после застывания, возникающего при охлаждении до комнатной температуры. После застывания пластизоля фантом щитовидной железы вынимают из мастер-формы модели шеи, сверху фиксируют модель кожи и используют для обучения ультразвуковому исследованию.

Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения, по сравнению с ближайшими аналогами, являются:

- использование нескольких поливинилхлоридных пластизолей, различающихся жесткостью по шкале Шора, для моделирования эластографических свойств различных тканей;

- использование форм включений и моделируемого органа, приближенных к формам, встречающимся в клинической практике врача ультразвуковой диагностики.

На Фиг. 1 представлены фотографии 3D-принтеров для печати фотополимерной смолой.

На Фиг. 2 представлены фотографии 3D-принтеров для печати пластиком.

На Фиг. 3 представлен пример снимка КТ шеи в программе Dicom Radiant.

На Фиг. 4 представлена виртуальная модель шеи для изготовления фантома.

На Фиг. 5 представлены схемы внутреннего строения фантома щитовидной железы: а - общая схема (1 - нижняя челюсть; 2 - подъязычная кость; 3 - щитовидный хрящ; 4 - шейный отдел позвоночника; 5 - щитовидная железа; 6 - моделируемые новообразования щитовидной железы; 7 - трахея; 8 - ключица; 9 - грудина; 10 - ребра; 11 - артерии; 12 - вены; 13 - лимфатические узлы); 6 - сегментированные части 3D-модели фантома шеи.

На Фиг. 6 представлены фотографии макета и мастер-формы шеи фантома щитовидной железы: а - распечатанная на 3D-принтере модель шеи из фотополимерной смолы; 6 - силиконовая мастер-форма модели шеи для изготовления фантома.

На Фиг. 7 представлены этапы изготовления щитовидной железы: а - 3d-модель формы в программе MeshMixer; 6 - напечатанная форма с залитой из пластизоля моделью щитовидной железы.

На Фиг. 8 представлена фотография готовой модели щитовидной железы

На Фиг. 9 представлена модель трахеи: а-модель трахеи в программе MeshMixer; 6 - напечатанная 3D-модель трахеи.

На Фиг. 10 представлена модель костных структур шеи: а - костная структура в программе MeshMixer; 6 - напечатанные кости на 3D-принтере с поддержками; в -готовые модели костей.

На Фиг. 11 представлены этапы изготовления сосудов: а - модели сосудов в программе MeshMixer; 6 - напечатанные формы для изготовления сосудов; в - готовые вены и артерии.

На Фиг. 12 представлены фотографии модели мышц: а - модели мышц для одной стороны фантома щитовидной железы; 6 - джутовый шпагат для изготовления волокон и нитей моделей мышц; в - пример расположения моделей мышц внутри фантома.

На Фиг. 13 представлены фотографии процесса наполнения мастер-формы модели шеи для изготовления фантома щитовидной железы.

На Фиг. 14 представлены фотографии работы с фантомом щитовидной железы на диагностическом оборудовании.

Фиг. 15 представлена фотография (а) и сонограммы (б-е) фантома, имитирующего ультразвуковую анатомию шеи человека: 6 - вена и лимфатический узел около ключиц; в - левая доля щитовидной железы, вена, артерия, новообразование; г -щитовидная железа с перешейком; д - бифуркация артерии, вена, лимфатический узел; е - вена (продольно), артерия, лимфатический узел.

На Фиг. 16 представлены ультразвуковые изображения моделей опухолевых новообразований щитовидной железы при использовании линейного датчика с несущей частотой 7,5-9 МГц при глубине до 3 см: а - кистозной, 6 - солидной, в - кистозно-солидной моделей.

Фантом, представленный на (Фиг. 5а), внутри состоит из 1 - звукопроводящий материал; 2 - подъязычная кость; 3 - щитовидный хрящ; 4 - шейный отдел позвоночника; 5 - щитовидная железа; 6 - узлы щитовидной железы; 7 - трахея; 8 -ключица; 9 - грудина; 10 - ребра; 11 - артерии; 12 - вены; 13 - лимфатические узлы; парные модели мышц в составе 6 штук по обе стороны шеи. В соответствии с методикой изготовления, все элементы фантома расположены так, чтобы обеспечить наилучшую имитацию анатомического расположения моделируемых органов человека. Модель щитовидной железы 5 расположена поверх модели трахеи 7, модель новообразования 6 находится внутри модели щитовидной железы 5, модель трахеи 7 расположена перед моделью шейного отдела позвоночника 4, модель ключицы 8, модель ребер 10, модель грудины 9 расположены в нижней части фантома у основания модели трахеи 7, модель сонной артерии 11 расположена в направлении модели трахеи 7 и в непосредственной близости от нее (в среднем 10-20 мм), модель яремной вены 12 расположена в направлении модели трахеи 7 и в непосредственной близости от нее (в среднем 15-25 мм), модель позвоночной артерии И проходит в непосредственной близости модели шейного отдела позвоночника 4, модель лимфатических узлов 13 примыкает к модели яремной вены 12, модель хряща 3 огибает модель трахеи 7. Все внутренние элементы находятся внутри имитирующего мягкие ткани звукопроводящего материала 1.

Модели мышц имитируют:

1) длинную мышцу шеи, которая расположена между моделями щитовидной железы и позвоночником. Длинная мышца крепится к позвонкам;

2) грудино-щитовидную мышцу, которая расположена в передней части шеи, прикрывает щитовидную железу.

Модели мышц с волокнистой внутренней структурой представляют собой композитный материал, состоящий из пластизоля с металлическим глиттером и нитями из джутового шпагата. Всего изготавливается 3 пары моделей мышц для левой и правой стороны фантома соответственно. Одна пара моделей мышц располагается позади всех структур фантома. Две другие пары мышц располагают внахлест впереди всех внутренних структур фантома щитовидной железы, в соответствии с их анатомическим расположением в теле человека (Фиг. 12в). Для изготовления модели, имитирующей волокнистую структуру и эхогенность мышцы, используется джутовый шпагат (Фиг. 12 б), который предварительно разбирается на отдельные волокна и нити.

Все формирующие фантом модели получены в результате сегментации и анализа снимков топографических исследований (Фиг. 3). Схема (Фиг. 56) внутреннего состава фантома получена методом 3D-моделирования с использованием реальных данных компьютерной томографии щитовидной железы человека. На 3D-модели (Фиг. 5б) визуализированы разные внутренние элементы шейного сегмента: лимфатические узлы, щитовидная железа, вены, артерии, костно-хрящевые структуры.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ изготовления фантома щитовидной железы для ультразвуковых исследований. Производственный процесс был следующим. Форма шеи была сегментирована с помощью компьютерной томографии (Фиг. 3) и напечатана на 3D-принтере Anycubic Photon М3 Мах (Китай) (Фиг. 1) с использованием технологии LCD (технология фотополимерной печати) и промышленной полимерной смолы (Fun-to-do, Нидерланды). Напечатанная на 3D-принтере модель шеи (Фиг. 6а) была использована для создания мастер-формы модели шеи для литья (Фиг. 6б) из жидкого силикона на основе олова (КРЕМЕН МОЛД 10, Россия). Напечатанная модель шеи была помещена в силикон. Когда силикон затвердел - получилась многоразовая термостойкая мастер-форма модели шеи для литья (Фиг. 6б).

Изготовление внутреннего содержимого фантома проходило в несколько этапов: изготовление деталей, включая напечатанные из пластика на 3D-принтере модели костей (Фиг. 10а-в) и формы внутренних структур для заливки пластизолем, щитовидную железу (Фиг. 8) с опухолевыми новообразованиями, кровеносные сосуды (Фиг. 11), лимфатические узлы, и отливка моделей мягких тканей со вставленными композитными деталями.

Модели опухолевых новообразований и лимфатических узлов по форме, эхогенности и жесткости имитируют включения, встречающиеся в органе человека. Для моделирования опухоли использовали поливинилхлоридный пластизоль без добавления примеси жесткостью на 60% больше жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани. Для моделирования требуемой эхогенности в поливинилхлоридный пластизоль после нагревания до температуры 150-180°С, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро, добавляли примесь 0,5% мелкодисперсного термостойкого металлизированного глиттера с диаметром частиц не более 200 мкм. Затем модели опухолевых новообразований были обработаны вручную, чтобы придать им определенные размер и форму. Включениям придавали нужную форму с помощью маникюрных ножниц, при этом их вырезали из предварительно изготовленного тканеимитирующего материала. Поскольку пластизоль представляет собой суспензию поливинилхлорида в жидком пластификаторе, то соотношение этих веществ определяет жесткость, которую можно выразить, например, через величину по шкале Шора [3]. В наших экспериментах использовался материал от 3 до 18 единиц по шкале Шора.

Виртуальные модели форм для отливки сосудов (Фиг. 11а-б) и щитовидной железы (Фиг. 7а-б) были изготовлены с использованием Meshmixer, программного обеспечения для ручного 3D-моделирования, а затем напечатаны на 3D-принтере (Фиг. 2), как показано на (Фиг. 7б и Фиг. 11б). Для моделирования щитовидной железы использовали поливинилхлоридный пластизоль с примесью 0,5-1% графитового порошка с размером частиц не более длины волны используемого ультразвукового излучения (в наших экспериментах использовались частицы размером не более 140 мкм при исследовании на частотах от 4,7 до 9,4 МГц). Сосуды были заполнены пластизолем без примеси, а щитовидная железа была заполнена пластизолем с примесью графитового порошка с высокой концентрацией и с примесью металлического глиттера. Модели костей и хрящей (Фиг. 10а-в), были сегментированы по результатам компьютерной томографии пациентов, а также напечатаны на 3D-принтере, как показано на (Фиг. 10б-в). Чтобы предотвратить скопление воздуха в полученном жидком разогретом до 150-180°С растворе пластизоля с примесью, его необходимо было дегазировать в специальной вакуумной камере.

Следует отметить, что согласно разработанному способу материал моделей формы для заливки из силикона и напечатанные на 3D-принтере из пластика формы моделей не вступают в химическое взаимодействие с поливинилхлоридным пластизолем.

Температура нагрева пластизоля зависит от используемого пластизоля, в нашем случае составляла 150-180°С. Нагрев выполнялся в микроволновой печи с остановками каждый 30 секунд для перемешивания и проверки температуры.

После того, как изготовлены все внутренние составляющие фантома щитовидной железы, их укладывают в силиконовую мастер-форму модели шеи и заливают подогретым до 150-180°С и дегазированным пластизолем с металлизированным глиттером в составе. После остывания до комнатной температуры на фантом щитовидной железы фиксируют модель кожи, и фантом становится готовым к использованию.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения:

- для 3D-моделирования и прототипирования используют программу Autodesk Meshmixer версии 2.4 и принтер, например, Picaso X Pro;

- в качестве материала, химически не взаимодействующего с материалом, имитирующим мягкие ткани, используют PLA пластик;

- в качестве материала, имитирующего мягкие ткани моделируемого органа и других тканей и опухолевых новообразований, моделирующих заболевания включений, используют поливинилхлоридный пластизоль соответствующей жесткости по шкале Шора с добавками.

- в качестве добавок используют графитовый порошок в концентрации до 1%, и для большей эхогенности добавляют металлизированный глиттер в концентрации 0,5%. В наших экспериментах использовался графитовый порошок с размером частиц не более 140 мкм и термостойкие металлизированные блестки с диаметром не более 200 мкм.

- в качестве температуры, до которой нагревают пластизоль, используют температуру, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро. Эта температура зависит от используемого материала. В наших опытах, например, использовался пластизоль Diamond #6 фирмы Red Bug, для которого температура подогрева соответствовала 150-180°С.

Изготовленный по предложенному способу фантом щитовидной железы, охватывающий всю область шеи от ключиц до соединения подбородка с шеей, позволяет проводить всестороннее обследование. Предлагаемый способ изготовления многокомпонентного фантома щитовидной железы позволяет получить важные ориентиры при У3-диагностики шеи: сонные артерии, яремные вены, лимфатические узлы и щитовидную железу с новообразованиями. Кроме того, костные структуры, изготовленные как единое целое с использованием 3D-принтера из фотополимерной смолы высокого разрешения значительно упрощают производственный процесс, ускоряет его и улучшает воспроизводимость всех фантомных моделей, включая относительно небольшие и хрупкие, такие как подъязычная кость и хрящ.

Фантом щитовидной железы, изготовленный предлагаемым способом, послужит:

- для развития мануального навыка выведения объектов, а именно, навыка поиска необходимого положения датчика для визуализации искомой проекции включения. В клинической практике, когда врач наблюдает очаг с подозрением на злокачественность и развитие осложнений на протяжении нескольких месяцев, ему важно каждый раз получать сонограмму максимально близкую к одной и той же плоскости, чтобы корректно сверять размеры для оценки динамики роста образования;

- инструментом, который позволяет развить зрительно-моторную координацию и освоить особенности ультразвукового исследования щитовидной железы;

- хорошим инструментом для обучения навыкам дифференциальной диагностики внутренних структур и опухолевых новообразований щитовидной железы, оценки размеров щитовидной железы, навыка введения иглы для взятия пробы биопсии или имитации введения инъекции;

- примером модели, которая при ультразвуковой диагностике позволяет реалистично визуализировать структуру и свойства тканей области шеи человека;

- средством для обучения работе с эластографическим режимом ультразвуковой визуализации, поскольку может содержать даже такие включения, которые малозаметны в В-режиме, но отличаются от окружающих тканей по жесткости.

Способ изготовления фантома щитовидной железы описан на конкретном варианте его осуществления, однако, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного изобретения, не выходящие за границы объема его правовой охраны, определяемого прилагаемой формулой.

Источники информации

[1]. Hakimi AA, Armstrong WB. Improving on the Do-It-Yourself Ultrasound-Guided Fine-Needle Aspiration Simulation Phantom. J Ultrasound Med. 2021 Apr;40(4):815-819. doi: 10.1002/jum. 15461.

[2]. Schwartz CM, Ivancic RJ, McDermott SM, Bahner DP. Designing a Low-Cost Thyroid Ultrasound Phantom for Medical Student Education. Ultrasound Med Biol. 2020 Jun;46(6):1545-1550. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2020.01.033.

[3]. Can You Estimate Modulus From Durometer Hardness for Silicones? [электронный ресурс] URL:https://www.dow.com/content/dam/dcc/documents/en-us/tech-art/11/11-37/11-3716-01-durometer-hardness-for-silicones.pdf

Изобретение относится к средствам обучения в медицине. Способ изготовления фантома для ультразвуковых исследований щитовидной железы включает изготовление при помощи 3D-печати моделей костных и хрящевых структур, изготовление при помощи 3D-печати форм для моделей сосудов и щитовидной железы, которые заливают жидким пластизолем. Из фотополимерной смолы изготавливают модели костных и хрящевых структур, причем модели для печати готовят 3D-моделированием по результатам компьютерной томографии. Формы моделей артерии, вены и щитовидной железы изготавливают из термопластичного пластика, модели для печати готовят 3D-моделированием по результатам компьютерной томографии. Из термопластичного пластика 3D-печатью изготавливают формы моделей опухолевых новообразований. В качестве материала для имитации моделей щитовидной железы и сосудов используют пластизоль с поливинилхлоридом, предварительно нагретый до температуры 150-180°С, заливают его в формы моделей сосудов и щитовидной железы, лимфатических узлов и опухолевых новообразований и выдерживают до застывания. В качестве материала для имитации лимфатических узлов и опухолевых новообразований используют пластизоль с добавлением мелкодисперсного порошка графита и металлического глиттера для придания эхогенности. Пластизоль с добавлением металлического глиттера в количестве 0,5% предварительно нагревают до температуры 150-180°С, заливают в формы моделей лимфатических узлов и опухолевых новообразований, выдерживают до застывания. Джутовый шпагат нарезают ножницами на отрезки длиной 7-10 см, каждый отрезок разбирают на волокна и нити, выкладывают в форму в одном направлении, обеспечивая неплотное равномерное расположение, пластизоль с добавлением металлического глиттера 0,5%, предварительно нагретый до температуры 150-180°С, заливают в формы моделей мышц с выложенными там волокнами и нитями джутового шпагата, с высотой заливки не более 5 мм, выдерживают до застывания, вырезают модели мышц шеи так, чтобы волокно и нити джутового шпагата располагались по длине модели мышцы. При помощи 3D-печати из фотополимерной смолы изготавливают модель шеи, которую предварительно подготавливают 3D-моделированием в соответствии с результатами компьютерной томографии, заливают силиконом для получения мастер-формы, представляющей отпечаток пластиковой модели шеи, оставляют до застывания. В мастер-форму заливают жидкий пластизоль с добавлением красителей для придания цвета кожи человека, распределяют по мастер-форме равномерно слоем для получения модели кожи, после застывания пластизоля модель кожи вынимают из мастер-формы. В мастер-форму поочередно в соответствии с анатомическим расположением укладывают модели мышц шеи, модели сосудов, щитовидной железы, костно-хрящевые структуры, трахею, лимфатические узлы и опухолевые новообразования, заливают подогретым до температуры 150-180°С пластизолем с добавлением металлического глиттера, оставляют до застывания, вынимают из мастер-формы и сверху закрепляют модель кожи. Технический результат состоит в повышении соответствия структуры фантома структуре щитовидной железы человека. 1 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ изготовления фантома для ультразвуковых исследований щитовидной железы, включающий:

изготовление при помощи 3D-печати моделей костных и хрящевых структур,

изготовление при помощи 3D-печати форм для моделей сосудов и щитовидной железы, которые заливают жидким пластизолем,

отличающийся тем, что

из фотополимерной смолы изготавливают модели костных и хрящевых структур, причем модели для печати готовят 3D-моделированием по результатам компьютерной томографии,

формы моделей артерии, вены и щитовидной железы изготавливают из термопластичного пластика, модели для печати готовят 3D-моделированием по результатам компьютерной томографии,

из термопластичного пластика 3D-печатью изготавливают формы моделей опухолевых новообразований,

в качестве материала для имитации моделей щитовидной железы и сосудов используют пластизоль с поливинилхлоридом, предварительно нагретый до температуры 150-180°С, заливают его в формы моделей сосудов и щитовидной железы, лимфатических узлов и опухолевых новообразований и выдерживают до застывания,

в качестве материала для имитации лимфатических узлов и опухолевых новообразований используют пластизоль с добавлением мелкодисперсного порошка графита и металлического глиттера для придания эхогенности,

пластизоль с добавлением металлического глиттера в количестве 0,5% предварительно нагревают до температуры 150-180°С, заливают в формы моделей лимфатических узлов и опухолевых новообразований, выдерживают до застывания,

джутовый шпагат нарезают ножницами на отрезки длиной 7-10 см, каждый отрезок разбирают на волокна и нити, выкладывают в форму в одном направлении, обеспечивая неплотное равномерное расположение, пластизоль с добавлением металлического глиттера 0,5%, предварительно нагретый до температуры 150-180°С, заливают в формы моделей мышц с выложенными там волокнами и нитями джутового шпагата, с высотой заливки не более 5 мм, выдерживают до застывания, вырезают модели мышц шеи так, чтобы волокно и нити джутового шпагата располагались по длине модели мышцы,

при помощи 3D-печати из фотополимерной смолы изготавливают модель шеи, которую предварительно подготавливают 3D-моделированием в соответствии с результатами компьютерной томографии, заливают силиконом для получения мастер-формы, представляющей отпечаток пластиковой модели шеи, оставляют до застывания,

в мастер-форму заливают жидкий пластизоль с добавлением красителей для придания цвета кожи человека, распределяют по мастер-форме равномерно слоем для получения модели кожи, после застывания пластизоля модель кожи вынимают из мастер-формы,

в мастер-форму поочередно в соответствии с анатомическим расположением укладывают модели мышц шеи, модели сосудов, щитовидной железы, костно-хрящевые структуры, трахею, лимфатические узлы и опухолевые новообразования, заливают подогретым до температуры 150-180°С пластизолем с добавлением металлического глиттера, оставляют до застывания, вынимают из мастер-формы и сверху закрепляют модель кожи.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что костно-хрящевые структуры изготавливают методом 3D-печати в натуральную величину по данным медицинских снимков.