Разработка фантома для определения пространственного разрешения в магнитно-резонансной томографии с применением аддитивных технологий

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 разрешения.

П ЯР 3 Me Гр	Единицы измерении
Значение коэффициента К^	—
Среднее значение яркости М	—
Ветчина шума о	—
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 каждого из рядов тест объекта из пяти серий изображений

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

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 про- веденного 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-