CC BY
0
РАЗРАБОТКА ФАНТОМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ В МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Н.Ю. Переверзев, магистрант
Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-4-37-42
Аннотация. Контроль качества изображений в магнитно-резонансной томографии является неотъемлемой частью профилактических процедур направленных на повышение диагностических возможностей МРТ аппарата. Цель данной статьи заключается в разработке фантома для определения пространственного разрешения МРТ системы, как инструмента, входящего в комплекс испытаний по контролю качества изображений. В качестве метода изготовления фантома выбрана 3D печать на фотополимерном принтере, с параметрами на основании ГОСТа № 59092-2020. В результате с помощью готового тест объекта получены 5 серий снимков, на основании которых, рассчитано пространственное разрешение аппарата МРТ АМИКО 300. Анализируя полученные результаты, удалось выявить преимущества и недостатки данного метода изготовления тест-объекта. К преимуществам можно отнести доступность и точность данного метода, к недостаткам- ограничение по уменьшению ячейки тест-объекта для того, чтобы иметь возможность применить данный фантом для других аппаратов МРТ. Подводя итог, был предложен другой подход к изготовлению тест-объекта. В качестве альтернативы предлагалась периодическая структура пластины из АБС-пластика с пустыми ячейками, которые заполнены МР-контрастной жидкостью. Такой метод потенциально позволит значительно уменьшить размер ячейки без нежелательных эффектов, связанных с их слипанием.
Ключевые слова: магнитно-резонансная томография, фантом, пространственное разрешение, аддитивная технология, контроль качества.
Магнитно-резонансная томография (МРТ) на сегодняшний день весьма актуальная и востребованная техника в медицинской диагностике. Благодаря тому, что этот метод является эхолокационным и воздействует на объект электромагнитными волнами в радиочастотном диапазоне [3], он остается наиболее безопасным для пациентов в отличие от компьютерной томографии, которая использует рентгеновские лучи для получения изображений. Тем не менее, физические принципы, лежащие в основе этих методов визуализации, ограничивают область применения каждого из них.
Так, актуальными сферами применения магнитного резонанса являются:
- неврология;
- ортопедия;
- диагностика новообразований;
- кардиология.
Данная технология широко применяется в исследованиях мозга, сердца, суставов и других органов. Очень полезным инструментом оказывается функциональная МРТ, которая используется для изучения активности различных областей мозга в реальном времени, что позволяет исследователям и врачам лучше понять функциональные аспекты мозговой деятельности и связанные с ней патологии. Весь потенциал технологии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), может быть реализован только в том случае, если МРТ система правильно откалибрована и регулярно проходит профилактические проверки основных ее узлов: градиентных и радиочастотных трактов. Контроль качества в магнитно-резонансной томографии (МРТ) необходим для точности диагностики и безопасности пациентов. Он помогает обнаруживать и исправлять артефакты, обес-
печивает соблюдение безопасных протоколов и соответствие стандартам качества.
Кроме того, регулярный контроль оптимизирует процессы сканирования и обучает персонал, создавая доверие как у пациентов, так и у специалистов.
Требования к оцениванию пространственного разрешения МРТ аппарата согласно ГОСТу № 59092-2020:
Процесс определения пространственного разрешения включает несколько шагов.
Сначала проводят испытания с использованием тест-объектов, содержащих различные миры с отверстиями разного размера или периодической структурой (рис. 1). Затем находят ряд с минимальным размером элемента миры, для которого коэффициент превышает 50%. Это значение определяет пространственную разрешающую способность.
Рис. 1. Требования ГОСТа № 59092-2020 к геометрии периодической структуры
Полученная величина высококонтрастного пространственного разрешения, измеренная в миллиметрах, не должна превышать указанное в технической документации значение [1]. Результаты испытаний оформляются в протоколе, включающем
параметры, указанные в соответствующих разделах стандарта, а также таблицу (табл. 1) с результатами испытания высококонтрастного пространственного разрешения.
Таблица 1. Результаты проведенных испытаний по определению пространственного
)азрешения.
Параметр Единицы измерении
Значенi*s коэффициента K„р —
Среднее значение яркости М —
Величина шума а —
Отношение сигнал/шум изображения —
Высококонтрастное пространственное разрешение ММ
Технологии производства периодических структур
Основным и самым важным ограничением в вопросе выбора материала для будущей периодической структуры является требование к его немагнитности. Также стоило отказаться от различных немагнитных металлоконструкций, так как в них все равно наводились бы так называемые вихревые токи, которые в свою очередь могли стать источником артефактов. Это в свою очередь существенно сузило спектр потенциально возможных материалов для изготовления фантома, до различных видов пластика дерева, стекловолокна. Вторым существенным ограничением стал метод обработки этих материалов. Доступными оказались фрезеровка, экструзия, литье, и 3D печать [5]. В тех геометрических размерах, которые подразумевает ГОСТ № 59092-2020 оказалось очень трудоемкой задачей обработать доступные виды пластика методами фрезеровки из- за их вязкости. От дерева пришлось отказаться из соображений долговечности фантома, ведь в конечном итоге он будет помещен в МР-контрастную жидкость, а также из-за невозможности соответствия такого материала минимальному размеру ячейки. Экструзия, как метод получения периодической структуры, потенциально имела возможность приблизится к необходимым результатам, но она требовала наличия
геометрически точной пресс-формы. С учётом вышесказанного была выбрана технология 3D печати, как самая экономически и трудо-затратно выгодная. Тем не менее, данная технология позволила получить минимальный размер ячейки 2 мм (когда как в ГОСТе прописано 0,4 мм). Это происходит из-за требований ГОСТа на соответствие высоты ячеек тест-объекта превышающую толщину среза не менее чем в два раза, для исключения влияния кривизны среза на измерения. Таким образом при выборе высоты ячеек с запасом (3 см), при отпечатке возникает «слипание» рядов и их дальнейшее отклонение от перпендикулярности к основанию. В программном обеспечении SolidWorks была смоделирована будущая периодическая структура, а затем она была напечатана на 3D принтере AnyCubic Mono наименьшей возможной толщиной слоя в 10 мкм. В последствии данный тест-объект был помещен в пвх контейнер с герметичной крышкой для дальнейшего заполнения МР-контрастной жидкостью. Контейнер был выбран из соображений стоимости и удобства обслуживания получившийся конструкции. В качестве МР-контрастной жидкости был выбран физраствор (NaCl), который позволил получать изображения достаточного в рамках данного исследования уровня контрастности.
Рис. 2. Модель тест-объекта (слева), отпечатанный тест-объект (справа)
Рис. 3. Готовый фантом для определения пространственного разрешения
Результаты
Расчёт пространственного разрешение изображения
Согласно ГОСТу, были получены 5 серий снимков разработанного фантома
(рис. 4) для набора статистических данных. На основе этих данных удалось сформировать таблицу 2.
Таблица 2. Расчётные значения коэффициента пространственного разрешения для каж-
Сбор данных 4 мм 3 мм 2.5 мм 2 мм
1 72,09392 58,95683 47,58153 45,14073
2 81,79621 51,99682 52,16096 56,16096
3 79,34979 73,9552 64,06763 29,59781
4 59,90721 81,72927 51,98061 49,66191
5 71,86208 65,91971 60,27898 51,83923
Среднее 73,00184 66,51157 58,21394 52,68013
На основе усредненных данных был построен график (рис. 4) зависимости коэффициента пространственного разрешения от величины ячейки тест-объекта
80
40
12 3
Р«эмгр ячейки, мм
Рис. 4. Зависимость коэффициента пространственного разрешения от величины ячейки
тест объекта
Анализируя график становиться очевидно, что в рамках ограничений, которые были продиктованы условиями изготовления тест-объекта в результате не удалось добиться снижения коэффициента пространственного разрешения менее 50 процентов как того требует ГОСТ. Тем не менее, зависимость, полученная в ходе проведенного эксперимента адекватна, и при экстраполяции этих данных оказывается возможным получить пространственное разрешение, соответствующее заявленному в паспорте аппарата МРТ Амико 300 значению (0.156 мм).
Выводы
Несмотря на то, что численно не удалось получить необходимого результата по пространственному разрешению, данная
том для оценки качества снимков в клинической практике. Для того чтобы этот фантом стал инструментом входящим в пакет для реализации контроля качества необходимо его доработка, то есть отработка метода изготовления, который позволит получить минимальный размер ячейки до 0.4 мм. В случае МРТ сканера из данного исследования, на основании данных экстраполяции достаточно было бы уменьшения минимальной ячейки до 1 мм. Таким методом изготовления тест-объекта на основании полученного опыта может стать инвертирование фантома. То есть изготовление периодической структуры из АБС-пластика с пустыми ячейками, которые в свою очередь будут заполнены МР-контрастной жидкостью.
модель имеет потенциал стать инструмен-
Библиографический список
1. Национальный стандарт Российской Федерации. Контроль технического состояния и функционирования медицинских изделий. Основные положения (ГОСТ Р 56606-2015).
2. Национальный стандарт Российской Федерации. Оборудование магнитно-резонансное для медицинской визуализации. Контроль качества изображений. Методы испытаний. (ГОСТ Р 56602-2020).
3. Петер, А. Ринк, Магнитный резонанс в медицине. Основной учебник Европейского форума по магнитному резонансу. - Москва, 2003.
4. Ireland S.S. Solidworks teacher training manual //Solid Solutions Ireland, Arena House, Arena Road, Sandford, Dublin. - 2006. - Т. 18.
5. Троицкий О.А. и др. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства). В 2-х т. - 2004.
6. Беличенко О.И., Воронцов А.В. Основы магниторезонансной томографии и применение МРТ в клинической практике // Терапевт. - 2010. - № 7. - С. 49-56.
DEVELOPMENT OF A PHANTOM FOR DETERMINING SPATIAL RESOLUTION IN MAGNETIC RESONANCE IMAGY USING ADDITIVE TECHNOLOGIES
N.Yu. Pereverzev, Graduate Student MEPhI Nuclear Research University (Russia, Moscow)
Abstract. Image quality control in magnetic resonance imaging is an integral part of preventive procedures aimed at improving the diagnostic capabilities of the MRI machine. The purpose of this article is to develop a phantom for determining the spatial resolution of an MRI system, as a tool included in the complex of image quality control tests. 3D printing on a photopolymer printer with parameters based on GOST № 59092-2020 was chosen as the method of manufacturing the phantom. As a result, 5 series of images were obtained using a ready-made test object, on the basis of which the spatial resolution of the AMICO 300 MRI machine was calculated. Analyzing the results obtained, it was possible to identify the advantages and disadvantages of this method of manufacturing a test object. The advantages include the accessibility and accuracy of this method, the disadvantages include the restriction on reducing the cell of the test object in order to be able to apply this phantom to other MRI devices. To summarize, a different approach to the manufacture of the test object was proposed. As an alternative, a periodic structure of an abs plastic plate with empty cells filled with an mr-contrast liquid was proposed. This method will potentially significantly reduce the cell size without undesirable effects. related to their sticking together.
Keywords: magnetic resonance imaging, phantom, spatial resolution, additive technology, quality control.
