СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФАНТОМА ДЛЯ РЕНТГЕНОГРАФИИ Российский патент 2025 года по МПК G09B23/28 A61B6/00 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области рентгенологии и, в частности, к способу изготовления фантомов, предназначенных для проведения рентгенологических исследований, обучения и практики специалистов в области изучения флюорограмм, рентгенограмм, а также метрологических измерений, проверки рентгенологического оборудования.

2. Уровень техники

Мы не нашли аналогов в части способов производства фантомов, однако известны изобретения собственно фантомов для рентгенологических исследований.

Так, из уровня техники известен тест-фантом (патент RU 2555129), который состоит из двух частей, образующих единое целое. Одна часть имеет постоянную высоту в продольном направлении, а другая часть имеет непрерывно меняющуюся высоту в этом же направлении, образуя клин. Такой фантом служит для определения минеральной плотности костной ткани и не может использоваться в рентгенодиагностике для имитации органов и их патологий.

Известен также фантом для рентгенографии (патент RU 2190353), содержащий корпус из жесткого рентгенопрозрачного и светопрозрачного материала, заполненный водой, с метрическими рентгеноконтрастными элементами. Внутри корпуса на эластичной мембране закреплены полая трубчатая система в форме «бронхиального дерева» и баллон, имитирующий работу сердца, выполненные из упругого эластичного материала. Такой фантом позволяет эффективно проводить исследования динамической нерезкости изображения при рентгенологическом обследовании легких, однако не приспособлен для эмулирования костной структуры грудной клетки, имитации патологий, и не обеспечивает соответствия рентгеновских изображений фантомов реальным рентгенограммам органов грудной клетки.

В качестве прототипа выбран фантом для получения тестовых рентгеновских изображений патологических образований, описанный в патенте RU 2198591. Рассматриваемый фантом содержит корпус из жесткого рентгенопрозрачного и светопрозрачного материала, заполненный водой, внутри которого закреплены элементы, имитирующие элементы объекта съемки, включающие имитатор патологического состояния. Имитатор патологического состояния имеет внешний и внутренний баллоны из тонкого эластичного рентгенопрозрачного материала, которые закреплены на торцевой части соосных трубок, внешняя из которых имеет два независимых канала, каждый из которых снабжен патрубком с краном. Один из них соединен с емкостью, заполненной жидким рентгеноконтрастным веществом, и снабжен механизмом его транспортировки во внешний баллон, внутренняя трубка имеет на выходе патрубок с краном и соединена с источником воздушного давления, а на торцевой части внешней трубки выполнен карман цилиндрической формы, в основании которого закреплен внешний баллон.

Фантом позволяет имитировать позвоночник, ребра и сердце, а также патологические образования в легких (инфильтраты и полости распада). Однако позвоночник, ребра и сердце представлены лишь схематично, набор и форма патологий носят ограниченный характер, а вся конструкция громоздка и сложна в обращении.

Таким образом, к недостаткам прототипа относятся невысокая степень реалистичности рентгеновских изображений, громоздкость конструкции и сложность имитации патологий.

3. Раскрытие изобретения

Основной задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является способ производства фантомов для проведения рентгенологических исследований, который обеспечивает получение рентгеновских изображений, идентичных реальным, и создание имитаций различных патологий.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат при использовании изобретения достигается тем, что фантомы, изготовленные предлагаемым способом, представляют собой компактную модель, произведенную на основе исходной рентгенограммы, и съемные имитаторы патологий.

В качестве исходной используют цифровую рентгенограмму-прототип, по которой строят цифровую рельефную 3D-модель. Координаты пикселей рентгенограммы-прототипа преобразуют в ординаты и абсциссы 3D-модели с учетом физического размера пикселя.

Яркость участка рентгеновского изображения формируется в зависимости от поглощающей способности тканей, находящихся на пути прохождения рентгеновских лучей. Поэтому для достижения идентичности рентгеновского снимка фантома с исходным рентгеновским снимком, по которому построена 3D-модель, аппликаты трехмерной модели рассчитывают, исходя из яркости пикселей изображения с помощью формулы аппроксимационной кривой, полученной путем рентгеновского исследования калибровочного тест-объекта из материала фантома.

Калибровочный тест-объект представляет собой клин, на наклонной стороне которого вырезаны ступеньки с дискретным шагом по абсциссе и аппликате. Для получения формулы аппроксимационной кривой все яркости пикселей цифровой рентгенограммы калибровочного объекта сопоставляют в таблице с соответствующими высотами ступенек калибровочного объекта. Полученная формула зависит от используемого материала. Например, для образца фантома из алюминия Д16Т используется формула аппроксимационной кривой у=58.475881×0.999768^x, где х - это яркость пикселей, у - аппликата трехмерной модели.

Затем на основе цифровой 3D-модели методами механической обработки или с использованием аддитивных технологий изготавливают фантом.

Компактность достигается за счет того, что способ предусматривает изготовление фантомов из материалов, имеющих радиоденсивность, которая превышает рентгеновскую плотность человеческих органов и тканей. В качестве такого материала предлагается использовать алюминиевый сплав, например, Д16Т.

Для достижения дополнительного технического результата, удобства и простоты имитации патологий, с целью имитации патологических изменений, связанных с затемнением (плюс тень), используют имитаторы патологий из пластичного материала, которым придают необходимую форму и прикрепляют к соответствующему участку поверхности фантома за счет собственной липучести используемого материала.

4. Краткое описание фигур

На фигуре 1 представлена схема производства рентгенологического фантома, состоящая из: цифровой рентгенограммы-прототипа - 1; компьютера - 2 с ПО для работы с 3D-моделями; цифровой рельефной 3D-модели - 3, полученной путем преобразования координат пикселей цифровой рентгенограммы; обрабатывающего, литьевого оборудования либо 3D-принтера - 4; фантома - 5.

На фигуре 2 представлены рентгеновские снимки фантома без использования имитаторов патологий и человека, рентгенограмма которого используется как прототип, где а) - рентгеновский снимок фантома, б) - рентгеновский снимок человека.

На фигуре 3 представлена рентгенограмма фантома с пластичной накладкой, имитирующей патологический признак «очаг затемнения».

5. Осуществление изобретения

Процесс производства фантома, фиг. 1, состоит в следующем.

На начальном этапе на основе рентгенограммы-прототипа 1 строят рельефную 3D-модель фантома 3. Для этого координаты пикселей рентгенограммы-прототипа на компьютере 2 преобразуют в ординаты и абсциссы 3D-модели с учетом физического размера пикселя, а аппликаты трехмерной модели рассчитывают, исходя из яркости пикселей.

После построения цифровой 3D-модели методами механической обработки или с использованием аддитивных технологий изготавливают фантом 5. Для изготовления фантома или инвертированной пресс-формы (для последующего изготовления фантома литьевым способом) на фрезерном ЧПУ-станке или для 3D-печати используется управляющая программа (g-код), получаемая с помощью программного обеспечения, предназначенного для работы с 3D-моделями, например, ArtCAM. После запуска программного обеспечения на компьютере 2 создают модель, на основе которой формируется управляющая программа (g-код), которая загружается в станок с ЧПУ или 3D-принтер 4.

Имитаторы патологий изготавливают из пластичного материала, например, из высокомолекулярного полиэтилена (ВМПЭ), поливинилхлорида (ПВХ) или каучуков, образцам которых придают необходимую форму.

Фантом может использоваться для тренировки у врачей-рентгенологов навыков выявления анатомических характеристик и патологий. Также фантом может использоваться для проведения валидации (обучения) искусственного медицинского интеллекта для обнаружения патологий.

В процессе использования фантом фиксируют в камере рентгеновского или флюорографического аппарата. При необходимости к корпусу фантома прикрепляют имитаторы патологий в местах, где должна наблюдаться та или иная патология. При производстве снимка на экране виден рентгеновский снимок фантома без патологий, фиг. 2, или, если прикреплены имитаторы патологий, то виден рентгеновский снимок фантома с патологиями, фиг. 3.

Изобретение относится к средствам обучения в медицине. При изготовлении фантома для рентгенографии по цифровой рентгенограмме строят 3D-модель фантома. Для этого на компьютере преобразуют координаты каждого пикселя цифровой рентгенограммы в абсциссы и ординаты 3D-модели. Аппликаты 3D-модели рассчитывают по яркости пикселей, отражающей ослабление рентгеновского излучения в материале фантома в зависимости от толщины материала. Формируют управляющую программу для изготовления фантома или литьевой формы фантома с целью последующего изготовления фантома методом литья. Изготавливают фантом из материала, который имеет радиоденсивность, превышающую рентгеновскую плотность человеческих органов и тканей, путем механической обработки на станке с ЧПУ, печати на 3D-принтере или методом литья. Используют калибровочный тест-объект, выполненный из материала фантома. Для имитации патологических изменений, связанных с затемнением, к фантому прикрепляют имитаторы патологий, выполненные из пластичного материала. Технический результат состоит в обеспечении компактности и удобства использования модели, рентгеновское изображение которой идентично имитируемой цифровой рентгенограмме. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ изготовления фантома для рентгенографии, согласно которому

по цифровой рентгенограмме строят 3D-модель фантома, для этого на компьютере преобразуют координаты каждого пикселя цифровой рентгенограммы в абсциссы и ординаты 3D-модели, а аппликаты 3D-модели рассчитывают по яркости пикселей, отражающей ослабление рентгеновского излучения в материале фантома в зависимости от толщины материала,

формируют управляющую программу для изготовления фантома или литьевой формы фантома с целью последующего изготовления фантома методом литья,

изготавливают фантом из материала, который имеет радиоденсивность, превышающую рентгеновскую плотность человеческих органов и тканей, путем механической обработки на станке с ЧПУ, печати на 3D-принтере или методом литья.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для приведения в соответствие толщины материала с яркостью пикселей используют калибровочный тест-объект, выполненный из материала фантома.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для имитации патологических изменений, связанных с затемнением, к фантому прикрепляют имитаторы патологий, выполненные из пластичного материала.