Кого первого исследуют при помощи нового томографа?

В ходе прошедшей пандемии COVID-19 (помните такого?) стандартом в диагностике стала компьютерная томография лёгких. Многие делали её по нескольку раз и, конечно, возник вопрос в дозе, получаемой человеком при этой процедуре. А знаете, кто получает самую большую дозу при томографии? Это медицинские тестово‑калибровочные фантомы, специальные объекты, моделирующие структуру органов и тканей человека и используемые при разработке и тестировании медицинских приборов. В данной статье мы начнем рассказ о таких фантомах.

При создании, калибровке и выработке протоколов проведения исследования разработчики стараются уменьшить дозу, получаемую пациентом, но при этом контрастность получаемых изображений должна быть высокой, чтобы не пропустить патологии организма. Для обеспечения качества в томографе исследуются тестовые объекты — фантомы, моделирующие форму, размер и структуру органов и тканей, участвующих в исследовании. За создание фантома отвечает команда специалистов, которые используют самые современные методы компьютерного моделирования и создания сложных конструкций.

Исследования сертифицированных фантомов являются важной частью приемочных испытаний и контроля качества томографа в ходе эксплуатации. Кроме того, они могут использоваться для обучения медицинского персонала и студентов медицинских учебных заведений, позволяя им получать опыт проведения томографических исследований без облучения реальных пациентов. Таким образом, использование тестово‑калибровочных фантомов является важным шагом в обеспечении точности и воспроизводимости результатов медицинских исследований.

Медицинские тестово-калибровочные фантомы

Первый отчет [1,2] Американской ассоциации медицинских физиков (American Association of Physicists in Medicine, AAPM) был выпущен в 1977 году и посвящался именно фантомам для оценки характеристик и обеспечения качества компьютерных томографов. Анализ измеряемых показателей и используемых для этого технических приемов мы начнем с фантомов для спиральных томографов, так как последние наиболее широко распространены и активно используются в современной медицине. На рис. 1 представлен внешний вид широко распространенных медицинских фантомов: Catphan (Phantom Laboratory Catphan 700), Model 610 (CIRS Model 610 AAPM CT Performance), CT ACR 464 (Sun Nuclear CT ACR 464), ТОКТ-1 (КБ РентгенТест тест-объект ТОКТ-1), PH-9 (Kyoto Kagaku PH-9 Multi Slice CT Phantom MHT), Pro-CT AAPM (Pro-Project Pro-CT AAPM).

Рис. 1. Внешний вид тестово-калибровочных медицинских фантомов

Часть фантомов перед сканированием необходимо наполнить дистиллированной водой. Другие изготовлены из специальных твердых материалов, хорошо имитирующих необходимые физические свойства (характеристики поглощения).

Процедуры проверки и калибровки, с одной стороны, требуют большого количества различных измерений, согласованных по геометрии и режимам сканирования, с другой стороны, существуют специализированные исследования. Инженерным решением большинства производителей стал модульный дизайн фантомов, когда фантом состоит из модулей (рис. 2), часть из которых является основными, а модули‑расширения могут приобретаться и устанавливаться при необходимости.

Рис. 2. Примеры модулей фантома Pro-CT AAPM

При этом часть модулей может быть дополнительно кастомизирована за счет использования элементов-полостей (емкостей), которые наполняются эталонными растворами, и специальных эталонных вставок из различных материалов.

Позиционирование фантома в процессе сканирования

Правильность интерпретации результатов сканирования фантома зависит от строгого соблюдения геометрии сканирования, для чего разработчикам фантомов необходимо решить две основные задачи: во-первых, упростить процедуру правильного размещения объекта сканирования, а, во-вторых, предоставить простые и надежные способы верифицировать точность позиционирования фантома по результату реконструкции средствами штатных программ медицинской визуализации [3].

Рис. 3. Продольные метки в виде шариков на внешней стороне корпуса для совмещения с системой лазерного позиционирования сканера фантом Catphan и использование меток в процессе сканирования

Метки могут наноситься на корпус и сплошным образом (рис. 4).

Рис. 4. Продольные и радиальные метки для совмещения с системой лазерного позиционирования фантома CT ACR 464 и фантома ТОКТ-1

Метки на корпусе позволяют не только выровнять фантом в плоскости 0xy, но и точно позиционировать по оси 0z, для выделения центральных сечений отдельных модулей фантома.

Контроль точности позиционирования фантома по реконструкции

Для проверки положения фантома по результату реконструкции используют жесткое скрепление всех модулей фантома между собой и специальные внутренние метки (высококонтрастные реперные элементы с заданной геометрией) [4]. Простым вариантом реперных элементов являются “точечные” объекты, например, металлические шарики, которые размещаются на корпусе. Такие шарики могут отмечать центральный слой модуля фантома (рис. 5) и располагаться по периметру корпуса фантома в одной плоскости 0xy равномерно по углу от центра (в положениях стрелки часов на 3, 6, 9 и 12 часов).

Рис. 5. Изображение центрального слоя фантома CT ACR 464 с точечными элементами контроля позиционирования

При малом диаметре (порядка 0.5-1 мм) такие шарики хорошо различимы на реконструкциях. Фантом позиционирован правильно, если в одном сечении одновременно видны все метки и они выровнены по вертикали и горизонтали. В некоторых случаях (рис. 6)  фантом специально размещен под небольшим, ~5 градусов, углом в направлении 0z выравненность меток в плоскости 0xy намеренно нарушается, при этом в плоскости 0yz можно проверять попадание в один слой меток для нескольких модулей фантома. 

Рис. 6. Изображение центрального сагиттального сечения фантома CT ACR 464 с точечными элементами контроля позиционирования

У такого простого дизайна внутренних меток есть большой недостаток: в случае некорректного позиционирования фантома наличие отклонения хорошо заметно, но непонятно, как именно необходимо изменить положения фантома.

Более информативным является вариант размещения выровненных вдоль осей проволок одинаковой длины, которые в центральном сечении показывают точность позиционирования. Нарушения соосности и равной длины свидетельствует о необходимости переместить фантом точнее (рис. 7).

Рис. 7. Схема изображений элементов позиционирования фантома PH-9 для случаев точного и неточное позиционирования

Более информативные схемы внутренних меток строятся на использовании систем наклонных протяженных (сплошных или периодических) объектов. Первый вариант наклонной структуры представляет собой последовательность параллельных оси 0xy проволочек. В центральном слое модуля позиционирования размещается более длинная проволока. Короткие проволоки расположены параллельно длинной (центральной), но смещаются с некоторым фиксированным по оси 0z шагом. Если рассматриваемый слой “симметричен” по 0z относительно центрального слоя модуля позиционирования, то количество видимых коротких проволок над и под длинными будет совпадать (рис. 8).

Рис. 8. Изображение центрального слоя фантома CT ACR 464 при правильном позиционировании и при наличии отклонений

Другой вариант наклонных объектов – это тонкие проволоки и ряды равноотстоящих металлических шариков. При точном позиционировании пара наклоненных под равными по величине и противоположными по направлению углами объектов дает в центральном срезе симметричное изображение: размеры соответствующих объектов совпадают, соответствующие объекты расположены симметрично относительно главных осей (рис. 9).

Рис. 9. Схема точного позиционирования фантома Catphan, оранжевым отмечены изображения проволочек, розовым - шарики

При различных нарушениях позиционирования фантома будут наблюдаться различные варианты нарушения относительных размеров контрольных объектов и симметрии (рис. 10), что дает подсказки оператору, как именно необходимо скорректировать положение фантома.

Рис. 10. Схемы различных вариантов ошибок позиционирования фантома Catphan, оранжевым отмечены изображения проволочек, розовым - шарики

Проверка толщины выделяемого слоя (среза)

Методика проверки толщины выделяемого слоя строятся на измерении длины видимой части некоторого линейного объекта (ширина на половине высоты, Full Width at Half Maximum, FWHM), идущего под известным углом к плоскости слоя (рис. 11). 

Рис. 11. Схема формирования изображения видимого в слое фрагмента наклонной проволоки, адаптировано из [Catphan700]

Длина видимой части проволоки определяется толщиной слоя, а ее положение определяется положением слоя по 0z (рис. 12).

Рис. 12. Схема измерения толщины слоя при помощи наклонной проволоки, адаптировано из [Catphan700]

Толщина слоя вычисляется умножением длины объекта на известные из тригонометрических соображений коэффициенты, но методики измерения длину требуют анализа профиля яркости контрольного объекта вдоль направления измерения. 

Для возможности более быстрой оценки  толщины слоя “на глаз” могут использоваться не проволока, а цепочки выровненных вдоль прямых и расположенных с фиксированным сдвигом шариков (рис. 13).

Рис. 13. Схема профиля яркости для изображения цепочки шариков, адаптировано из [Catphan700]

Несколько цепочек шариков разных размеров и с разным шагом позволяют измерять толщину слоя в широком диапазоне значений. В зависимости от толщины слоя для разных цепочек на изображении слоя будет видно разное количество шариков (рис. 14).

Рис. 14. Схема формирования изображения наклонной последовательности шариков для слоев толщины 2мм и 1мм, адаптировано из [Catphan700]

Для фантомов с такими измерительными модулями оценка толщины слоя сводится к определению, для каких именно цепочек и сколько шариков видно на изображении среза.

Рис. 15. Изображение слоя толщины 1мм модуля для оценки толщины слоя фантома Catphan, адаптировано из [Catphan700]

В качестве измерительного объекта могут выступать и тонкие алюминиевые пластины, наклоненные под углом 45 градусов к плоскости 0xy. В этом случае толщина слоя измеряется, как полная ширина на уровне половины высоты для сечения измерительной пластины на изображении слоя (рис. 16).

Рис. 16. Изображение слоя модуля для оценки толщины слоя фантома Model 610

Развитием идеи наклонных проволоки и пластин стала измерительный объект, формируемый парой регулярных решеток из алюминиевых элементов с прямоугольным сечением.

Рис. 17. Измерительный модуль с решеткой по центру фантома Catphan и вид сбоку на решетку, адаптировано из [Wave-2016]

Геометрические линейные и угловые характеристики элементов решеток специально подобраны так, чтобы давать характерные яркостные изображения слоев разной толщины.

Рис. 18.  Изображение слоя 1.0 мм модуля с решеткой фантома Catphan, адаптировано из [Wave-2016]

В отличии от, например, шариков, при изменении толщины слоя видимое изображения меняется более плавно, что позволяет получать более точную оценку толщины слоя (рис. 19).

Рис. 19.  Схема формирования яркостного профиля регулярной структуры измерительной решетки фантома Catphan  при изменении толщины слоя от 0.0 мм до 4.6 мм, адаптировано из [Wave-2016]

При этом геометрические отклонения в ширине слоя будут наглядно видны в виде нарушения выравненности регулярной структуры рисунка изображения элемента решетки в слое.

Оценка пространственной линейности и размера вокселя

Для использования результатов КТ в диагностике важна точность измерения внутриплоскостных и межплоскостных расстояний на реконструкции. Поэтому модули фантомов проектируются и изготавливаются со строгим соблюдением геометрии размеров и взаимного положения элементов. Для контроля геометрической однородности визуализации может использоваться внешний контур цилиндрических однородных модулей [5]. Средствами программы медицинской визуализации диаметры в различных направлениях измеряются и сравниваются, а отклонение от окружности показывает степень искажений. Для численной оценки в таких модулях фантома могут размещать дополнительные контрольные объекты. Точечные на изображении слоя объекты позволяют контролировать корректность измерения расстояния (рис. 20).

Рис. 20.  Изображение слоя с парой точечных объектов для проверки линейного расстояния фантома CT ACR 464

Более точные, но и более трудоемкие процедуры проверки требуют измерений диаметров цилиндрических вставок и попарных расстояния между их центрами (рис. 21).

Рис. 21.  Схема элементов и геометрических размеров фантома Catphan для проведения контроля точности пространственно-геометрических измерений, адаптировано из [Catphan700]

Проверка линейности и среднего числа КТ единиц

В медицине для визуальной и количественной оценки плотности структур, визуализируемых методом компьютерной томографии, используется шкала Хаунсфилда. Диапазон шкалы представляется целыми числами в диапазоне от −1024 до [phone] градаций ослабления) и показывает коэффициент линейного ослабления излучения рентгеновского излучения анатомическими структурами организма по отношению к дистиллированной воде при стандартных давлении и температуре. Измеренные в такой шкале значения (англ. Hounsfield Units, HU) в русскоязычных источниках называют КТ-единицами или рентгеновской плотностью. Практически используемый диапазон значений шкалы Хаунсфилда начинается со значения —1000 HU для воздуха, значение 0 HU задано для воды, жировые ткани принимают значения от –120 до –90 HU, нормальная ткань печени — 60–70 HU, кровь — 50–60 HU, костная ткань — 250 HU и более. Программы для медицинской визуализации и анализа оперируют значениями по шкале Хаунсфилда, поэтому точное воспроизведение показателей рентгеновской плотности различных материалов критически важно для правильно интерпретации изображений врачом-экспертом.

Типичным методом контроля среднего числа КТ единиц является сканирование и анализ изображения слоя фантома со специальными вставками, заполненными различными материалами. Вставки могут быть как сплошными (рис. 22), так и в виде предназначенных для заполнения растворами с эталонными растворами емкостей [6].

Рис. 22. Схема модуля фантома CT ACR 464 с цилиндрическими несъемными сплошными вставками для контроля линейности значений КТ единиц

Для проверки на реконструкции выделяются области интереса внутри вставок, рассчитываются средние значения рентгеновской плотности и сравниваются с референтными допустимыми интервалами значений (рис. 23).

Рис. 23. Изображение модуля фантома CT ACR 464, отмечены области интереса

Контроль среднего числа КТ единиц, уровня шума и однородности поля

Еще одной важной для диагностики характеристикой является стабильность значения рентгеновской плотности и его однородность в видимом поле. Для проверки используется однородно заполненный объем (модули с однородным материалом соответствующего размера, обычно цилиндрической формы. Такой фантом сканируют, и на результатах реконструкции проверяют точность определения рентгеновской плотности материала, отсутствие артефактов и однородность в поле зрения. Для количественных оценок в области видимости выбираются области интереса достаточной площади и оценивается среднее значение и дисперсия. Типичным вариантом является сканирование объема дистиллированной воды или эквивалентного материала. Выбор областей интереса круглой формы (рис. 24) производится в центре и симметрично с отступом порядка диаметра области от края объекта на периферии (области соответствуют положению часовых стрелок в 3, 6, 9 и 12 часов).

Рис. 24. Изображение слоя фантома CT ACR 464, отмечены области интереса для оценки уровня шума и однородности поля, адаптировано из [APM-223]

На рис. 24 изображен реконструированный слой фантома CT ACR 464, на нем отмечены области интереса для оценки уровня шума и однородности поля, адаптировано из [2]. Для проверки однородности поля сравнивают значения среднего числа КТ-единиц в центральной и в периферических областях.

Моделирование различных размеров тела

Медицинские протоколы сканирования и аппаратно-программные комплексы для компьютерной реконструкции должны обеспечивать стабильное качество изображения результатов реконструкции независимо от возраста, пола и комплекции пациента. Для моделирования крупных пациентов производители фантомов предлагают специальные адаптеры-накладки внутрь которых устанавливается фантом перед контрольным сканированием (рис. 25) [3].

Рис. 25. Адаптер для фантома CT ACR 464

Для контрольных измерений с более точным моделированием эффектов рассеяния и ужесточения пучка используют адаптеры цилиндрической формы из эталонного эквивалентного костной ткани материала (рис. 26).

Рис. 26.  Рассеивающий адаптер для фантома Pro-CT AAPM

Рис. 26.  Рассеивающий адаптер для фантома Pro-CT AAPM. При проверке томографических сканеров с конусным пучком или широколучевых сканеров для более корректного моделирования рассеяния устанавливают специальные удлинительные модули или расширительные пластины (рис. 27), которые точно воспроизводят эффект рассеивания,  устраняя необходимость добавления водного болюса или другого материала при контрольном сканировании.

Рис. 27. Расширительные пластины для фантома CT ACR 464 и торцевая рассеивающая вставка для фантома Catphan

Заключение

Создание качественных и функциональных калибровочных объектов - это фактически полноценная область исследования, граничащая с искусством. Фантомы - это не только полезные объекты, но еще и услада для глаз перфекционистов. Если же после прочтения поста вас внезапно заинтересовала компьютерная томография, в нашем блоге есть еще много интересного (а так же красивого и эстетичного). Например, недавно мы делились красотой нашего визуализатора. А о том, к чему может приводить неидеальная калибровка и другие проблемы написано тут. Кроме же блока познакомится с программой для томографической реконструкции, которую мы разработали, можно у нас на сайте.

Список литературы

1. AAPM Report No. 001 - Phantoms for Performance Evaluation and Quality Assurance of CT Scanners - Текст : электронный // American Association of Physicists in Medicine: [сайт]. –  1977. – URL: https://www.aapm.org/pubs/reports/rpt_01.pdf (дата обращения: 15.08.2023).

2. Samei E. et. al. Performance evaluation of computed tomography systems: Summary of AAPM Task Group 233. Med Phys. 2019 Nov; 46(11):e735-e756. doi: 10.1002/mp.13763.

3. Catphan 700 Product Guide - Текст : электронный // PhantomLab : [сайт]. – 2023. – URL: https://www.phantomlab.com/s/CTP700Manual20230125.pdf (дата обращения: 15.08.2023).

4. PH-9 Multi Slice CT Phantom MHT. Instruction Manual. - Текст : электронный // Kyoto Kagaku: [сайт] . - 2023. - URL: https://www.kyotokagaku.com/products_data/ph9_manual_en.pdf (дата обращения: 15.08.2023).

5. Goodenough D. et al. Method and phantom to study combined effects of in‐plane (x, y) and z‐axis resolution for 3D CT imaging //Journal of Applied Clinical Medical Physics. – 2016. – V. 17. – №. 5. – P. 440-452/

6. Phantom Testing: CT (Revised 11-9-2022)  - Текст : электронный // American College of Radiology: [сайт] . - 2023. - URL: https://accreditationsupport.acr.org/support/solutions/articles/11000056197-phantom-testing-ct-revised-11-9-2022- (дата обращения: 15.08.2023).