Обзор материалов и технологических решений для создания фантомов, применяемых в компьютерной томографии

Обложка


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Использование компьютерной томографии во время диагностических обследований делает её источником дополнительной лучевой нагрузки на пациентов. В связи с этим становится актуальной разработка тест-объектов (фантомов), имитирующих рентгенологические свойства тканей, в том числе для предварительной оценки распределения ионизирующего излучения. Указанные тест-объекты играют важную роль в контроле качества и разработке новых методов медицинской визуализации в условиях невозможности тестовых сканирований пациентов. Хотя на рынке доступен ассортимент готовых решений, существует нехватка опытных образцов с определённым комплексом свойств для проверки научных и практических гипотез в решении конкретных клинических и технических задач. Поиск материалов для быстрого и недорогого производственного процесса, изучение их свойств могли бы дать представление об эффективности их использования для изготовления фантомов. Цель работы — поиск и анализ материалов для создания фантомов, применяемых в компьютерной томографии. В статье рассмотрены материалы для производства неантропоморфных и антропоморфных фантомов, в том числе напечатанных на 3D-принтере. Развитие трёхмерной печати способствовало переходу от простых тестовых объектов к высокоточным антропоморфным фантомам, изготовленным из материалов, имитирующих ткани, имеющих эквивалентные сигналы на компьютерных томограммах. Пластмассы, силиконы, поливинилхлорид, смолы, жидкости используют для визуализаций, идентичных мягким тканям; пластики, гипс, фотополимеры, гидроортофосфат калия, гидроксиапатит кальция, плексиглас — твёрдым тканям. Коммерческие фантомы изготовлены из материалов с воспроизводимыми стабильными свойствами, однако эти же материалы необходимо повторно тестировать при создании тест-объектов, специфичных для конкретной клинической задачи.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Марина Валерьевна Черкасская

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения г. Москвы

Автор, ответственный за переписку.
Email: CherkasskayaMV@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0003-4952-1619

канд. технич. наук, науч. сотрудник, отд. инновационных технологий

Россия, г. Москва

Алексей Владимирович Петряйкин

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения г. Москвы

Email: PetryajkinAV@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0003-1694-4682

докт. мед. наук, доц., гл. науч. сотрудник

Россия, г. Москва

Ольга Васильевна Омелянская

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения г. Москвы

Email: OmelyanskayaOV@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0002-0245-4431

руководитель, управление подразделениями дирекции наука

Россия, г. Москва

Денис Владимирович Леонов

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения г. Москвы

Email: LeonovDV2@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0003-0916-6552

канд. технич. наук, ст. науч. сотрудник, отдел научных медицинских исследований

Россия, г. Москва

Юрий Александрович Васильев

Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения г. Москвы

Email: VasilevYA1@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0002-0208-5218

канд. мед. наук, директор

Россия, г. Москва

Список литературы

  1. Laal M. Innovation process in medical imaging. Procedia Soc Behav Sci. 2013;81:60–64. doi: 10.1016/j.sbspro.2013.06.388.
  2. Valchanov PS. 3D Printing in medicine — principles, applications and challenges. Scr Sci Vox Studentium. 2017;1(1):18–22. doi: 10.14748/ssvs.v1i1.4109.
  3. Ahmadi M, Anarestani M, Tabrizi S, Azma Z. Manufacturing and evaluation of a multi-purpose Iranian head and neck anthropomorphic phantom called MIHAN. Med Biol Eng Comput. 2021;59:1611–1620. doi: 10.1007/s11517-021-02394-y.
  4. Kalender WA. Computed Tomography: Fundamentals, System Technology, Image Quality, Applications. 3nd revised edition. Erlangen: Publicis Publishing; 2011. 372 p.
  5. Mohammed AA, Hogg P, Johansen S, England A. Construction and validation of a low cost paediatric pelvis phantom. Eur J Radiol. 2018;108:84–91. doi: 10.1016/j.ejrad.2018.09.015.
  6. Peters N, Taasti V, Ackermann B, Bolsi A, Dahlgren C, Ellerbrock M, Fracchiolla F, Gomà C, Góra J, Lopes P, Rinaldi I, Salvo K, Tarp I, Vai A, Bortfeld T, Lomax A, Richter C, Wohlfahrt P. Consensus guide on CT-based prediction of stopping-power ratio using a Hounsfield look-up table for proton therapy. Radiother Oncol. 2023;184:109675. DOI: 0.1016/j.radonc.2023.109675.
  7. Skrzyński W, Zielińska-Dabrowska S, Wachowicz M, Slusarczyk-Kacprzyk W, Kukołowicz P, Bulski W. Computed tomography as a source of electron density information for radiation treatment planning. Strahlentherapie und Onkol. 2010;186(6):327–333. doi: 10.1007/s00066-010-2086-5.
  8. Setiawati E, Anam C, Widyasari W, Dougherty G. The quantitative effect of noise and object diameter on low-contrast detectability of AAPM CT performance phantom images. Atom Indones. 2023;49(1):61–66. doi: 10.55981/aij.2023.1228.
  9. Abdullah K, McEntee M, Reed W, Kench P. Development of an organ-specific insert phantom generated using a 3D printer for investigations of cardiac computed tomography protocols. J Med Radiat Sci. 2018;65(3):175–183. doi: 10.1002/jmrs.279.
  10. FitzGerald P, Colborn R, Edic P, Lambert J, Bonitatibus P Jr, Yeh B. Liquid tissue surrogates for X-ray and CT phantom studies. Med Phys. 2017;44(12):6251–6260. doi: 10.1002/mp.12617.
  11. Okkalidis N. A novel 3D printing method for accurate anatomy replication in patient-specific phantoms. Med Phys. 2018;45(10):4600–4606. doi: 10.1002/mp.13154.
  12. Tino R, Yeo A, Leary M, Brandt M, Kron T. A systematic review on 3D-Printed imaging and dosimetry phantoms in radiation therapy. Technol Cancer Res Treat. 2019;18(1):1–14. doi: 10.1177/1533033819870208.
  13. Mille M, Griffin K, Maass-Moreno R, Lee C. Fabrication of a pediatric torso phantom with multiple tissues represented using a dual nozzle thermoplastic 3D printer. J Appl Clinys Med Ph. 2020;21(11):226–236. doi: 10.1002/acm2.13064.
  14. Craft DF, Howell RM. Preparation and fabrication of a full-scale, sagittal-sliced, 3D-printed, patient-specific radiotherapy phantom. J Appl Clin Med Phys. 2017;18(5):285–292. doi: 10.1002/acm2.12162.
  15. Kamomae T, Shimizu H, Nakaya T, Okudaira K, Aoyama T, Oguchi H, Komori M, Kawamura M, Ohtakara K, Monzen H, Itoh Y, Naganawa S. Three-dimensional printer-generated patient-specific phantom for artificial in vivo dosimetry in radiotherapy quality assurance. Phys Medica. 2017;44:205–211. doi: 10.1016/j.ejmp.2017.10.005.
  16. Negus I, Holmes R, Jordan K, Nash D, Thorne G, Saunders M. Technical note: Development of a 3D printed subresolution sandwich phantom for validation of brain SPECT analysis. Med Phys. 2016;43(9):5020. doi: 10.1118/1.4960003.
  17. Alssabbagh M, Tajuddin A, Manap M, Zainon R. Evaluation of 3D printing materials for fabrication of a novel multi-functional 3D thyroid phantom for medical dosimetry and image quality. Radiat Phys Chem. 2017;135:106–112. doi: 10.1016/j.radphyschem.2017.02.009.
  18. Hamedani B, Melvin A, Vaheesan K, Gadani S, Pereira K, Hall A. Three-dimensional printing CT-derived objects with controllable radiopacity. J Appl Clin Med Phys. 2018;19(2):317–328. doi: 10.1002/acm2.12278.
  19. Pallotta S, Calusi S, Foggi L, Lisci R, Masi L, Marrazzo L, Talamonti C, Livi L, Simontacchi G. ADAM: A breathing phantom for lung SBRT quality assurance. Phys Medica. 2018;49:147–155. doi: 10.1016/j.ejmp.2017.07.004.
  20. Yea J, Park J, Kim S, Kim D, Kim J, Seo C, Jeong W, Jeong M, Oh S. Feasibility of a 3D-printed anthropomorphic patient-specific head phantom for patient-specific quality assurance of intensity-modulated radiotherapy. PLoS One. 2017;12(7):e0181560. doi: 10.1371/journal.pone.0181560.
  21. Oh D, Hong C, Ju S, Kim M, Koo B, Choi S, Park H, Choi D, Pyo H. Development of patient-specific phantoms for verification of stereotactic body radiation therapy planning in patients with metallic screw fixation. Sci Rep. 2017;7(1):40922. doi: 10.1038/srep40922.
  22. Joemai RMS, Geleijns J. Assessment of structural similarity in CT using filtered backprojection and iterative reconstruction: A phantom study with 3D printed lung vessels. Br J Radiol. 2017;90(1079):20160519. doi: 10.1259/bjr.20160519.
  23. Gear J, Cummings C, Craig A, Divoli A, Long C, Tapner M, Flux G. Abdo-Man: A 3D-printed anthropomorphic phantom for validating quantitative SIRT. EJNMMI Phys. 2016;3(1):17. doi: 10.1186/s40658-016-0151-6.
  24. Gear J, Long C, Rushforth D, Chittenden S, Cummings C, Flux G. Development of patient-specific molecular imaging phantoms using a 3D printer. Med Phys. 2014;41(8):082502. doi: 10.1118/1.4887854.
  25. Mayer R, Liacouras P, Thomas A, Kang M, Lin L, Simone C 2nd. 3D printer generated thorax phantom with mobile tumor for radiation dosimetry. Rev Sci Instrum. 2015;86(7):074301. doi: 10.1063/1.4923294.
  26. Alqahtani M, Lees J, Bugby S, Samara-Ratna P, Ng A, Perkins A. Design and implementation of a prototype head and neck phantom for the performance evaluation of gamma imaging systems. EJNMMI Phys. 2017; 4(1):19. doi: 10.1186/s40658-017-0186-3.
  27. Naderi S, Sina S, Karimipoorfard M, Lotfalizadeh F, Entezarmahdi M, Moradi H, Faghihi R. Design and fabrication of a multipurpose thyroid phantom for medical dosimetryand calibration. Radiat Prot Dosimetry. 2016;168(4):503–508. doi: 10.1093/rpd/ncv359.
  28. Radaideh K, Matalqah L, Tajuddin T, Lee W. Development and evaluation of a Perspex anthropomorphic head and neck phantom for three dimensional conformal radiation therapy (3D-CRT). J Radiother Pract. 2013;12(3):272–280. doi: 10.1017/S1460396912000453.
  29. Steinmann A, Stafford R, Sawakuchi G, Wen Z, Court L, Fuller C, Followill D. Developing and characterizing MR/CT-visible materials used in QA phantoms for MRgRT systems. Med Phys. 2018;45(2):773–782. doi: 10.1002/mp.12700.
  30. Ma X, Figl M, Unger E, Buschmann M, Homolka P. X-ray attenuation of bone, soft and adipose tissue in CT from 70 to 140 kV and comparison with 3D printable additive manufacturing materials. Sci Rep. 2022;12(1):14580. doi: 10.1038/s41598-022-18741-4.
  31. Javan R, Bansal M, Tangestanipoor A. A prototype hybrid gypsum-based 3-dimensional printed training model for computed tomography-guided spinal pain management. J Comput Assist Tomogr. 2016;40(4):626–631. doi: 10.1097/RCT.0000000000000415.
  32. Kim M, Lee S, Lee M, Sohn J, Yun H, Choi J, Jeon S, Suh T. Characterization of 3D printing techniques: Toward patient specific quality assurance spine-shaped phantom for stereotactic body radiation therapy. PLoS One. 2017;12(5):e0176227. doi: 10.1371/journal.pone.0176227.
  33. Zhang F, Zhang H, Zhao H, He Z, Shi L, He Y, Ju N, Rong Y, Qiu J. Design and fabrication of a personalized anthropomorphic phantom using 3D printing and tissue equivalent materials. Quant Imaging Med Surg. 2019;9(1):94–100. doi: 10.21037/qims.2018.08.01.
  34. Niebuhr N, Johnen W, Güldaglar T, Runz A, Echner G, Mann P, Möhler C, Pfaffenberger A, Jäkel O, Greilich S. Technical note: Radiological properties of tissue surrogates used in a multimodality deformable pelvic phantom for MR-guided radiotherapy. Med Phys. 2016;43(2):908–916. doi: 10.1118/1.4939874.
  35. Kadoya N, Miyasaka Y, Nakajima Y, Kuroda Y, Ito K, Chiba M, Sato K, Dobashi S, Yamamoto T, Takahashi N, Kubozono M, Takeda K, Jingu K. Evaluation of deformable image registration between external beam radiotherapy and HDR brachytherapy for cervical cancer with a 3D-printed deformable pelvis phantom. Med Phys. 2017;44(4):1445–1455. doi: 10.1002/mp.12168.
  36. Shin D, Kang S, Kim K, Kim T, Kim D, Chung J, Lucero S, Suh T, Yamamoto T. Development of a deformable lung phantom with 3D-printed flexible airways. Med Phys. 2020;47(3):898–908. doi: 10.1002/mp.13982.
  37. Hermosilla A, Londoño G, García M, Ruíz F, Andrade P, Pérez A. Design and manufacturing ofanthropomorphic thyroid-neck phantom for use in nuclear medicine centres in Chile. Radiat Prot Dosimetry. 2014;162(4):508–514. doi: 10.1093/rpd/ncu022.
  38. Breslin T, Paino J, Wegner M, Engels E, Fiedler S, Forrester H, Rennau H, Bustillo J, Cameron M, Häusermann D, Hall C, Krause D, Hildebrandt G, Lerch M, Schültke E. A novel anthropomorphic phantom composed of tissue-equivalent materials for use in experimental radiotherapy: Design, dosimetry and biological pilot study. Biomimetics. 2023;8(2):230. doi: 10.3390/biomimetics8020230.
  39. Hoerner M, Maynard M, Rajon D, Bova F, Hintenlang D. Three-dimensional printing for construction of tissue-equivalent anthropomorphic phantoms and determination of conceptus dose. AJR Am J Roentgenol. 2018;211(6):1283–1290. doi: 10.2214/AJR.17.19489.
  40. Морозов С.П., Сергунова К.А., Петряйкин А.В., Семенов Д.С., Петряйкин Ф.А., Ахмад Е.С., Низовцова Л.А., Владзимирский А.В. Устройство фантома для проведения испытаний рентгеновских методов остеоденситометрии. Патент РФ на полезную модель RU 186961 U1. Бюлл. №5 от 11.02.2019. EDN: UMDYCW.
  41. Pearson D, Cawte SA, Green DJ. A comparison of phantoms for cross-calibration of lumbar spine DXA. Osteoporos Int. 2002;13(12):948–954. doi: 10.1007/s001980200132.
  42. Bonnick SL. Bone densitometry in clinical practice. New Jersey: Humana Press; 1998. 259 p.
  43. Kalender W, Felsenberg D, Genant H, Dequeker J, Reeve J. The European Spine Phantom — a tool for standardization and quality control in spinal bone mineral measurements by DXA and QCT. Eur J Radiol. 1995;20(2):83–92. doi: 10.1016/0720-048X(95)00631-Y.
  44. Liao Y, Wang L, Xu X, Chen H, Chen J, Zhang G, Lei H, Wang R, Zhang S, Gu X, Zhen X, Zhou L. An anthropomorphic abdominal phantom for deformable image registration accuracy validation in adaptive radiation therapy. Med Phys. 2017;44(6):2369–2378. doi: 10.1002/mp.12229.
  45. Webster G, Hardy M, Rowbottom C, Mackay R. Design and implementation of a head-neck phantom for system audit and verification of intensity-modulated radiation therapy. J Appl Clin Med Phys. 2008;9(2):46–56. doi: 10.1120/jacmp.v9i2.2740.
  46. He Y, Liu Y, Dyer B, Boone J, Liu S, Chen T, Zheng F, Zhu Y, Sun Y, Rong Y, Qiu J. 3D-printed breast phantom for multi-purpose and multi-modality imaging. Quant Imaging Med Surg. 2019; 9(1):63–74. doi: 10.21037/qims.2019.01.05.
  47. Leonov D, Venidiktova D, Costa-Júnior J, Nasibullina A, Tarasova O, Pashinceva K, Vetsheva N, Bulgakova J, Kulberg N, Borsukov A, Saikia M. Development of an anatomical breast phantom from polyvinyl chloride plastisol with lesions of various shape, elasticity and echogenicity for teaching ultrasound examination. Int J Comput Assist Radiol Surg. 2023;19:151–161. doi: 10.1007/s11548-023-02911-4.
  48. Васильев Ю.А., Семенов Д.С., Ахмад Е.С., Петряйкин А.В., Сморчкова А.К., Артюкова З.Р., Панина О.Ю., Кудрявцев Н.Д., Абуладзе Л.Р., Икрянников Е.О., Шарова Д.Е. Свидетельство о государственной регистрации базы данных №2023621442 РФ. MosMedData: набор диагностических компьютерно-томографических изображений органов грудной клетки с признаками наличия и отсутствия технических артефактов. №2023620846, заявл. 28.03.2023, опубл. 11.05.2023. Заявитель Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы «Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения города Москвы». EDN: ASKISN.
  49. Сергунова К.А., Петряйкин А.В., Смирнов А.В., Петряйкин Ф.А., Ахмад Е.С., Семенов Д.С., Низовцова Л.А., Владзимирский А.В., Морозов С.П. Контроль и стандартизация данных при количественной компьютерной томографии. Методические рекомендации. М.: Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения города Москвы; 2019. 28 с. EDN: SJSDVE.
  50. Vasilev YuA, Semenov DS, Akhmad ES, Panina O, Sergunova K, Petraikin A. A method for assessing the effect of metal artifact reduction algorithms on quantitative characteristics of CT Images. Biomedical Engineering. 2020;54:285–288. doi: 10.1007/s10527-020-10023-5.
  51. Khoruzhaya AN, Akhmad ES, Semenov DS. The role of the quality control system for diagnostics of oncological diseases in radiomics. Digital Diagnostics. 2021;2(2):170–184. doi: 10.17816/DD60393.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Эко-Вектор, 2024


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ЭЛ № ФС 77 - 75008 от 01.02.2019.