Привет, Хабр! В прошлой нашей статье про томографию мы задались вопросом: "А знаете, кто получает самую большую дозу при томографии?" Конечно, ответ мы получили: медицинские тестово‑калибровочные фантомы, специальные объекты, используемые при разработке и тестировании медицинских приборов. Тема оказалась настолько обширной, что мы решили продолжить и во второй статье ответили на вопрос: "Что такое пространственное разрешение в томографии и как его измерить?" В данной статье мы расскажем об антропоморфных фантомах для томографии. Сначала мы рассмотрим фантомы, которые моделируют тело человека, но без лишней детализации, дополним фантомами, которые моделируют определенный орган и его патологию. И, конечно же, расскажем, как такие фантомы помогают: 1. обучать, тренировать и экзаменовать врачей; 2. тестировать и калибровать рентгеновские аппараты и аппараты для компьютерной томографии; 3. разрабатывать методики измерения и снижения дозовой нагрузки. Фотографии, рентгенограммы и томограммы медицинских антропоморфных фантомов и манекенов прилагаются!
Секционные радиографические фантомы
Моноблочный фантом брюшной полости
По мере развития цифровых моделей, технологий формирования объемов и появления новых материалов начали создавать сложные фантомы для целых сегментов тела. В качестве примера такого фантома рассмотрим фантом брюшной полости PH5 [1].
Имитация в моноблочном фантоме включает легкие и сердце (без внутренней структуры), печень, кровеносные сосуды, включая печеночную и полую вены и печеночную артерия, желчный пузырь, почки, поджелудочную железу, селезенку, фрагменты грудины и позвоночника, ребра. Объемная анатомическая имитация костей, внутренних органов и кровеносных сосудов выполнена из материалов с томографическими HU-индексами, близкими к реальным. Фантом обеспечивает антропоморфность и достоверность размеров.
Производитель таких фантомов при индивидуальном заказе может имитировать введение контраста в кровь пациента, а также делать более подробную детализацию при реализации моделей сосудов и внутренних органов.
Многомодальный абдоминальный фантом
Тримодальный абдоминальный фантом 057A [2] сделан из специальных материалов, которые создают необходимый реалистичный контраст между анатомическими структурами при стандартных исследованиях методами компьютерной томографии, ультразвукового исследования и магнитно-резонансной томографии.
Фантом моделирует часть брюшной полости от позвонков грудной клетки (T9/T10) до поясничных позвонков (L2/L3) с помощью упрощенной антропоморфной геометрии.
![Схема среза фантома и визуализация объемов интереса [3]](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4f0/e30/a41/4f0e30a416dd3fb7cf5d8ace044cdc11.png "Схема среза фантома и визуализация объемов интереса [3]")
Внутренние структуры включают печень, фрагменты двух почек, часть легкого. Кровеносная система представлена моделями брюшной аорты, воротной и полой вен. Модели сосудов сделаны из более томографически контрастных материалов, что соответствует специальным протоколам КТ исследований с контрастом и обеспечивает автоматическую регистрацию более высокого качества в приложениях с автоматическим совмещением объемов. Дополнительно смоделированы костные структуры в виде фрагмента позвоночника и шести ребер. Брюшная полость снаружи окружена моделью мышечного слоя и внешнего жирового слоя. Внутренний объем между органами заполнен твердым полимерным гелем, который не вытекает при проколах и служит для создания правильного фонового контраста при исследованиях. Повреждения тканей смоделированы сферическими вставками: шесть поражений разного диаметра в печени, по одному поражению в каждой из почек и два внеорганных забрюшинных образования.
Специальные долговечные самовосстанавливающиеся материалы фантома позволяют многократно делать проколы иглой, то есть моделировать процедуры биопсии. Это сделало фантом популярным объектом для проведения научных исследований последних лет, значительную часть которых составляют разработки роботизированных методов.
Семейка ATOM
Семейство фантомов ATOM [4] в первую очередь предназначено для решения дозиметрических задач, то есть максимально точного расчета дозы в разных возрастных группах, но может использоваться и для анализа характеристик КТ реконструкций. Линейка фантомов моделирует шесть клинически значимых возрастов: новорожденного, детей в возрасте 1 год, 5 и 10 лет, а также взрослого мужчину и взрослую женщину.
Каждый фантом имеет свои отличия в составе тканей в зависимости от возраста или пола, а также изменения рентгенологической плотности костей (что соответствует изменениям минеральной плотности тканей). Учет таких особенностей позволяет создавать более точные физические модели, с помощью которых можно исследовать взаимодействие излучения с различными тканями. Фантомы семейства ATOM изготовлены из материалов, которые дают реалистичную рентгенологическую плотность (дифференциацию) тканей для хрящей, спинного мозга, позвоночных дисков, легких, головного мозга, усредненных костей и мягких тканей. Все фантомы аккуратно нарезаются на секции толщиной 25 мм, в которых просверливаются множество отверстий для установки дозиметра или имитатора небольшого поражения.
На сопрягаемые поверхности фантома не наносятся никакие покрытия для сохранения характеристик непрерывного изображения. Сложенные друг на друга секции фантома закрепляются с помощью специального сборочного устройства и небольших внутренних выравнивающих штифтов между секциями. Сборочное устройство и штифты изготовлены там, чтобы не мешать созданию реалистичной рентгенологической проекции фантома.
Полноростовые фантомы
Более реалистичными являются полноростовые фантомы, которые предназначены для практического обучения и тренировки рентгенлаборантов и врачей-диагностов приемам уменьшения дозовой нагрузки. Например, фантом PBU-60 [5] является антропоморфной имитацией тела, которая содержит подробные модели скелета, мышечной ткани, внутренних органов и кровеносных сосудов.
Часть имитаций головных сосудов выделена рентгеноконтрастным веществом. Все материалы фантома в рентгеновском диапазоне идентичны соответствующим человеческим тканям. При изготовлении фантома не используются металлические детали и жидкости, поэтому он может быть использован при тренингах как на обычных рентгеновских аппаратах, так и на компьютерных томографах.
Подвижные сочленения конечностей фантома позволяют придавать ему практически любое положение. Существует модификация фантома, моделирующая различные патологии: субарахноидальное кровоизлияние и опухоль головного мозга, опухоли в легких и печени, желчный камень в печени и панкреатит.
Такого типа фантомы изготавливаются и для различных возрастов: например, фантомы PBU-80 [6] и PBU-70 [7] моделируют тело новорожденного для неонатальной радиографии и ребенка в возрасте 5 лет.
Фантом Pixy [8] является анатомически и радиологически правдоподобной моделью женщины ростом 156 см и весом 48 кг.
Мягкие ткани могут быть выполнены из непрозрачных или прозрачных материалов, рентгенологически эквивалентных тканям. У прозрачного разборного фантома есть видимые органы и скелет. Органы заполнены воздухом, но могут быть заполнены водой или контрастом, которые можно легко промыть после использования. Под заказ могут быть сформированы индивидуальные патологии и травмы. Шарнирные соединения в суставах позволяют менять позу фантома. Шейные позвонки C1, C2, C6 и C7 выполнены в виде механических нейлоновых соединений. Такая конструкция позволяет фиксировать оставшиеся шейные позвонки в нормальном положении, обеспечивая при этом полный диапазон движений головы. Модель черепа фантома имеет лобные и клиновидные пазухи, решетчатые и сосцевидные ячейки височной кости, а также слуховые косточки. Костные швы видны рентгенологически. Модель легких формируется из тканеэквивалентного пенопласта с массовой плотностью надутых легких человека. Они соединены с рото-носовой полостью стволовыми бронхами и трахеей. Рото-носовая глотка заполнена пеной, почти эквивалентной рентгенологически воздуху.
Наиболее реалистичным с точки зрения костной системы является ростовой рентгенологический фантом Full Body X-Ray Phantom [9], который имеет реальный человеческий скелет, а также очертания гортани, легких, сердца и почек (органы будут создавать тень на изображении), что позволяет получать реалистичные рентгеновские снимки. В суставах используются шарнирные соединения, что позволяет позиционировать фантом для получения всех рентгенологических укладок. Конечности можно перемещать, что делает фантом пригодным для использования во всех видах исследований костей под контролем КТ. Каждый фантом создается вручную и уникален: возможен выбор необходимого размера и внешнего вида. Дополнительно под заказ могут быть смоделированы те или иные патологии, внешняя форма которых может отличаться в зависимости от размеров скелета.
Фантом для моделирования текстуры тканей и оценки частотно-контрастных характеристик КТ реконструкции
Помимо воспроизведения основных анатомических структур для оценки методов КТ реконструкции исследователям необходимо более точное моделирование пространственных особенностей тканей, что стало возможным с появлением доступных технологий объемной 3d печати.
![Визуализация 3D печатной модели фантома для моделирования текстурных особенностей тканей [10]](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/6d7/81e/845/6d781e8451e9f26d268fe33f422a1221.png "Визуализация 3D печатной модели фантома для моделирования текстурных особенностей тканей [10]")
Секция фантома для оценки характеристик изображений на объектах разного контраста содержит цилиндрические и сферические вставки разной рентгенологической плотности и разных диаметров. Использование таких тестовых объектов подробнее рассматривалось в прошлой публикации.
Секция фантома для моделирования текстуры мягких мышечно-жировых тканей представляет собой твердый диск диаметром 165 мм и длиной 30 мм с отверстием диаметром 30 мм в центре.
![Ввизуализация 3D цифровой модели секции мягких тканей, результат печати [11] и пример среза реконструкции [12]](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/23e/469/22e/23e46922e6345816f677d622da8f2815.png "Ввизуализация 3D цифровой модели секции мягких тканей, результат печати [11] и пример среза реконструкции [12]")
Текстура этой части фантома создана на основе «кластеризованного рандомизированного комковатого фона» — статистически определенной конструкции изображения, которая использовалась учеными-специалистами по восприятию для моделирования анатомического фона.
Секция фантома для моделирования легочной ткани представляет собой цилиндрическую дисковую оболочку тех же размеров, что и секция модели мягких тканей.
![Визуализация 3D цифровой модели секции модели легкого, результат печати [11] и пример среза реконструкции [12]](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/514/814/104/514814104594e607cfa613da2c0938aa.png "Визуализация 3D цифровой модели секции модели легкого, результат печати [11] и пример среза реконструкции [12]")
Внутренняя часть объема заполнена сложной сетью сосудоподобных структур, смоделированных с использованием рекурсивного рандомизированного алгоритма генерации деревьев. Алгоритм стартует из случайных стартовых точек, равномерно распределенных на внутренней стенке модуля. Каждая стартовая точка является корнем бинарного дерева высоты шесть. Каждое ребро в этом дереве соответствует сосуду, а каждая вершина — точке ветвления. Длина и диаметр каждой новой ветви выбирается случайным образом согласно равномерному распределению между 13–18 и 2–2,5 мм по длине и диаметру соответственно. Направление каждого нового сегмента также выбирается случайным образом, но так, чтобы отклонение не превышало угла 45° от родительской ветви. Дополнительно в цифровую модель фантома было добавлено по 4 имитатора образований сферической, игольчатой (спикулярной) и дольчатой (лобулярной) формы. Форма вставок обусловлена типичными вариантами для создания реалистичных объектов. При 3D печати секции использовались два материала: один для внешней оболочки и поражений, второй — для модели сосудистой сети.
Доступная 3D печать сильно расширила возможности исследований. Например, в работе [13] искусственные узелковые образования разной формы и размера использовались для точной количественной оценки того, насколько хорошо врачи-диагносты могут находить и оценивать объем небольших твердых легочных образований неправильной формы на изображениях.
![Примеры вариантов образований неправильной формы [13]](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e9c/431/487/e9c4314871611e1d7984e11b3f4025f7.png "Примеры вариантов образований неправильной формы [13]")
Вставки имитаторы случайным образом размещались в антропоморфный фантом с легочной сосудистой сетью, который рассматривается далее.
Многоцелевой фантом торса
Многоцелевой фантом LUNGMAN [14] представляет собой точную анатомическую модель человеческого торса. Фантом является разборным, а его компоненты моделируют положение пациента при проведении исследования зоны легких (руки вверх).
Фантом выполнен из материалов эквивалентных биологическим тканям по поглощению рентгеновского излучения и моделирует основные анатомические структуры: кости (в том числе позвоночник и ребра), мышцы, органы средостения, легочную сосудистую сеть, брюшную полость без детализации в области под диафрагмой. Точная трехмерная структура фантома позволяет реалистично моделировать проекционные изображения для любого ракурса.
Таким образом есть возможность получать как обычные рентгенограммы, так и данные для КТ-реконструкции.
Конструкция фантома позволяет легко разобрать его для установки имитаторов опухолей или других поражений, при этом имитаторы могут быть установлены в произвольном положении в легочном поле при помощи рентген-прозрачного двустороннего скотча.
Производитель фантома предоставляет сферические имитаторы опухолей пяти различных размеров при этом используются три материала с различным рентгенологическим контрастом (HU-число -800, -630, +100).
Для получения на рентгенографических проекциях областей поражения используются сферические вставки из матового стекла различного диаметра. Области матового стекла могут иметь полости и включения с отличной от основного объема рентгенологической прозрачностью, при этом есть разные по локализации дополнительного объема типы.
Наиболее геометрически сложным вариантом имитаторов является смоделированная в 3D на основе данных клинической КТ вставка, имитирующая зону матового стекла.
Для пневмоний различной этиологии основным рентгенологическим признаком является уплотнение (затенение, участок инфильтрации) легочной ткани. При достаточной ловкости рук исследователи могут самостоятельно заполнить просветы тканью-имитатором поражения с различной степенью заполнения просветов.
Для тех, кто не готов самостоятельно формировать паттерн пневмонии, производитель предлагает готовую модель пораженного легкого с обширной пневмонией.
Фантом LUNGMAN дает высоко реалистичные томографические реконструкции и активно используется в различных исследованиях для оценки точности/чувствительности методов обнаружения уплотнений в легких, а также для оценки точности ручных и полуавтоматических методов количественной оценки объема поражений.
![Пример визуализации ручной и автоматической оценки размеров области интереса для имитаторов опухолей [13]](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/59d/97a/84c/59d97a84c9361aa07ab68bf5bd600a86.png "Пример визуализации ручной и автоматической оценки размеров области интереса для имитаторов опухолей [13]")
Поскольку поглощение рентгеновского излучения зависит от объема тела, различную степень полноты пациентов предлагается моделировать при помощи специальных накладных пластин, которые эквивалентны дополнительному слою мышечной и жировой тканей.
Заключение
Разработка человекоподобных фантомов подчинена назначению фантома, для каких-то целей достаточно повторения общей структуры тела, для других, например, необходимо сделать всю легочную структуру. Наверное, разновидностей манекенов тоже много, обзор по данной теме мы не делали. Хотя глобальная цель у обоих — повторить человека, чтобы помочь ему в выборе платья или выборе медицинской процедуры. Да и томография целиком решает похожую задачу — помочь увидеть, что внутри, но не разрушить. А что уже увидели мы можно посмотреть тут или тут. Познакомиться с программой для томографической реконструкции,с помощью которой мы сделали реконструкции для видео, можно у нас на сайте Smart Engines.
Список литературы
Kyoto Kagaku CT Abdomen Phantom,url: https://www.kyotokagaku.com/en/products_data/ph-5/
CIRS Triple Modality 3D Abdominal Phantom, url: https://www.cirsinc.com/products/all/65/triple-modality-3d-abdominal-phantom/
Yuan J. et al. Quantitative assessment of acquisition imaging parameters on MRI radiomics features: a prospective anthropomorphic phantom study using a 3D-T2W-TSE sequence for MR-guided-radiotherapy // Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. – 2021. – V. 11. – №. 5. – P. 1870.
Sun Nuclear Corporation ATOM Phantom Family. url: https://www.sunnuclear.com/products/atom-phantom-family
Kyoto Kagaku CT Whole Body Phantom Normal and with Pathologies, url: https://www.kyotokagaku.com/en/products_data/ph-2e_jp/
Kyoto Kagaku Newborn Whole Body Phantom, url: https://www.kyotokagaku.com/en/products_data/ph-50b/
Kyoto Kagaku Pediatric Whole Body Phantom, url: https://www.kyotokagaku.com/en/products_data/ph-2c/
Radiology Support Devices Inc, Take-Apart Pixy, url: https://rsdphantoms.com/product/take-apart-pixy/
Erler Zimmer Full Body X-Ray Phantom, url: https://erler-zimmer.de/shop/en/9312
Dabli D. et.al. Impact of the automatic tube current modulation (ATCM) system on virtual monoenergetic image quality for dual-source CT: A phantom study. Physica Medica. 109. 102574. doi: 10.1016/j.ejmp.2023.102574
Solomon J., Samei E. Quantum noise properties of CT images with anatomical textured backgrounds across reconstruction algorithms: FBP and SAFIRE // Medical physics. – 2014. – V. 41. – №. 9. – P. 091908.
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.
Xie X. et al. Sensitivity and accuracy of volumetry of pulmonary nodules on low-dose 16-and 64-row multi-detector CT: an anthropomorphic phantom study //European radiology. – 2013. – V. 23. – P. 139-147.
Kyoto Kagaku Multipurpose Chest Phantom N1 LUNGMAN, url: https://www.kyotokagaku.com/en/products_data/ph-1_01/
