DE102014220760A1

DE102014220760A1 - Verfahren zur Herstellung eines Phantoms für die medizinische Bildgebung

Info

Publication number: DE102014220760A1
Application number: DE102014220760.6A
Authority: DE
Inventors: David Grodzki; David-Amadeus Keil; Rainer Kuth; Jochen Russ
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Herstellung eines Phantoms (1) für die medizinische Bildgebung mit einer 3D-Druckvorrichtung, wobei den Raumkoordinaten des herzustellenden Phantoms (1) Stoffgemische zugeordnet werden (100), jedes Stoffgemisch einen vorgebbaren Wert eines vorgebbaren bildgebenden Parameters aufweist und wobei die Stoffgemische durch die 3D-Druckvorrichtung aus Ausgangsstoffen räumlich gedruckt werden (300). Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Test von bildgebenden Verfahren vereinfacht und kostengünstig gestaltet werden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Phantoms für die medizinische Bildgebung mit Hilfe einer 3D-Druckvorrichtung
Hintergrund der Erfindung
Die Magnetresonanztomographie (MRI) ermöglicht im Vergleich zur Computertomographie (CT) einen sehr hohen Weichteilkontrast. Abhängig von den zur Messung gewählten Zeit-Parametern können beispielsweise T1- oder T2-gewichtete MRT-Bilder aufgenommen werden, wobei T1 den Zerfall der Längs- und T2 den Zerfall der Quer-Magnetisierung charakterisiert.
Da MRT keine ionisierende Strahlung verwendet, ist es möglich und erlaubt, zu Testzwecken mit Testpersonen Bildaufnahmen zu machen. Dies ist in vielen Fällen auch notwendig, da die bekannten MR-Phantome die Komplexität der Materialverteilungen eines lebenden Untersuchungsobjekts nur unzureichend wiedergeben können. Heutige MR-Phantome sind meist mit Wasser-Salz-Mischungen oder Fett gefüllt und beinhalten oft nur einfache, eingeklebte Plastikstrukturen, um eventuelle Verzerrungen erkennen und darstellen zu können. In der Offenlegungsschrift DE 10 2010 034000 A1 wird beispielhaft ein derartiges Phantom beschrieben.
Um das Kontrastverhalten bestimmter Anwendungen testen zu können, ist es aber in der Regel notwendig, die Anwendungen wie oben erwähnt intensiv an Personen zu testen. Das ist einerseits teuer und kompliziert zu organisieren, andererseits kommt es zu Problemen durch Personenbewegungen und gegebenenfalls auch zur Pulsation, die das Testen und Verstehen ausgewählter Phänomene unmöglich machen können.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Phantomen anzugeben, das komplexe menschliche Strukturen nachbilden kann.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Verfahren des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird zur Herstellung komplexer Phantome, beispielsweise von MR-Phantomen, ein 3D-Druckverfahren vorgeschlagen, mit dem der Nachbau kompletter anatomischer Strukturen möglich ist, wobei dabei mindestens ein physikalischer bildgebender Parameter (beispielsweise T1 oder T2 für MR-Phantome) korrekt abgebildet wird. Optional können auch röntgenspezifische Parameter, wie zum Beispiel Variationen der Houndsfield-Einheiten über ein Messvolumen, abgebildet werden.
Mit 3D-Druckverfahren ist es möglich, verschiedene Stoffzusammensetzungen (= chemische Zusammensetzungen) mit unterschiedlichen Materialeigenschaften in einem Druckverfahren und in einem Stück herzustellen (= „auszudrucken“). Dabei werden mehrere unterschiedliche Druckmaterialien (= Ausgangsstoffe) und unterschiedliche Mischungen zwischen den Druckmaterialien verwendet. Die Mischungen können über vorgebbare Parameter hergestellt und somit individuell an jede Aufgabenstellung angepasst werden.
Schichtaufbauende Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen, auch als 3D-Druckverfahren bezeichnet, können beispielsweise flüssigkeitsbasiert, wie in der Offenlegungsschrift DE 101 43 218 A1 beschrieben, oder pulverbasiert, wie in der Patentschrift DE 197 23 892 C1 beschrieben, sein.
Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Herstellung eines Phantoms für die medizinische Bildgebung mit einer 3D-Druckvorrichtung, wobei den Raumkoordinaten des herzustellenden Phantoms Stoffgemische zugeordnet werden, jedes Stoffgemisch einen vorgebbaren Wert eines vorgebbaren bildgebenden Parameters aufweist und wobei die Stoffgemische durch die 3D-Druckvorrichtung aus Ausgangsstoffen räumlich gedruckt werden.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Test von bildgebenden Verfahren mittels eines derartigen Phantoms vereinfacht und kostengünstig gestaltet werden kann. Beispielsweise kann die Genauigkeit bzw. Reproduzierbarkeit der Abbildung von MR-relevanten Eigenschaften absolut überprüft werden, während bisher nur eine Relativmessung oder ein Vergleich z.B. symmetrischer Zonen möglich ist.
In einer Weiterbildung kann der bildgebende Parameter eine MR-relevante physikalische Materialeigenschaft sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die physikalische Materialeigenschaft T1, T2, Off-Resonance oder Protonendichte sein.
In einer weiteren Ausbildung kann eine Datenbank erzeugt werden, die für die Ausgangsstoffe die bildgebenden Parameter enthält.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Algorithmus bereitgestellt werden, der aus den Ausgangsstoffen Stoffgemische ermittelt, die den bildgebenden Parameter aufweisen.
Des Weiteren kann zur Simulation von Lufteinschlüssen ein Stoffgemisch ermittelt und gedruckt werden, das in einem MR-Bild nicht sichtbar ist.
In einer Weiterbildung können zur Verbesserung der Stabilität in regelmäßigen, vorgebbaren Abständen oder zur Trennung von Stoffgemischen Plastikwände gedruckt werden, wobei die Plastikwände bei aktuellen kommerziellen 3D Druckern 0,5 bis 2 mm dick sein können.
Außerdem kann in dem Phantom mindestens eine Haltevorrichtung für eine zeitweise oder dauerhafte Installation zusätzlicher Testobjekte vorgesehen sein. Die Haltevorrichtung kann eine Tasche, eine Halterung oder eine Aussparung sein.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: ein Ablaufdiagramm eine Verfahrens zum Herstellen eines MR-Phantoms und
2: eine Draufsicht auf ein MR-Phantom und dessen MRT-Bild.
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines MR-Phantoms 1. Im ersten Schritt 100 wird eine räumliche Darstellung (= Karte) des herzustellenden MR-Phantoms 1 erzeugt, wobei jeder Raumkoordinate des herzustellenden MR-Phantoms 1 ein Stoffgemisch zugeordnet wird. Jedes Stoffgemisch weist einen Wert eines ausgewählten bildgebenden Parameters, beispielsweise T2, auf.
Im nächsten Schritt 200 wird die räumliche Darstellung in eine „*.stl“ Datei umgewandelt, die ein Format aufweist, mit der eine 3D-Druckvorrichtung ansteuerbar ist. Im Schritt 300 werden die Stoffgemische durch die 3D-Druckvorrichtung aus Ausgangsstoffen anhand der „*.stl“ Datei („.stl“ steht für „Surface Tesselation Language“, d.h. ein Standard zur Beschreibung von 3D Oberflächen bei CAD) räumlich gedruckt, wodurch das MR-Phantom 1 gebildet wird.
2 zeigt auf der linken Seite eine Draufsicht auf ein MR-Phantom 1 und auf der rechten Seite eine MR-Bildaufnahme des MR-Phantoms 1. Das MR-Phantom 1 weist links und rechts eines Mittelstegs 2 Lamellen 3 auf, die mittels des beanspruchten Herstellungsverfahrens aus unterschiedlichen Stoffgemischen hergestellt wurden. Das unterschiedliche Stoffgemisch macht sich durch eine unterschiedliche Steifigkeit der Lamellen 3 bemerkbar. Die Steifigkeit nimmt von oben rechts nach oben links ab. Mit der Steifigkeit (= Zusammensetzung des Stoffgemischs) ändern sich auch die magnetischen Eigenschaften und die physikalischen Konstanten, die für eine MR-Bildgebung wichtig sind.
Auf der rechten Seite der 2 ist das mit der PETRA-Sequenz aufgenommene MR-Bild des MR-Phantoms 1 dargestellt. Die Abnahme des gemessenen Signals von oben rechts nach oben links spricht dafür, dass mit zunehmender Steifigkeit die T2-Zeit der Lamelle 3 abnimmt, wie es physikalisch auch aufgrund der steigenden Gitterbindung zu erwarten ist.
Aufgrund der Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens sind hinsichtlich der geometrischen Komplexität des MR-Phantoms 1 kaum Grenzen gesetzt, so dass neben den physikalischen auch beliebige geometrische Eigenschaften genutzt werden können.
Diese Möglichkeit wird zum Erstellen von MR-Phantomen 1 mit vorgebbaren physikalischen Eigenschaften des Stoffgemisches, wie T1-, T2- und / oder Off-Resonance-Werten, verwendet. In einer Datenbank ist mindestens eine MR-relevante Stoffeigenschaft für viele druckbare Ausgangsstoffe gespeichert.
In einer Benutzeroberfläche kann ein Benutzer die gewünschte Verteilung der mindestens einen MR-relevanten physikalischen Eigenschaft (= bildgebender Parameter) gemäß seinen Wünschen oder gemäß einem natürlichen Vorbild definieren. In einem weiteren Aspekt kann eine 2D oder 3D Karte mit der (gemessenen) räumlichen Verteilung der mindestens einen Eigenschaft des Stoffgemisches in einem Algorithmus eingelesen werden, beispielsweise aus einem DICOM-Bild.
Ein Algorithmus berechnet daraufhin den Druckvorgang so, dass die 3D-Druckvorrichtung die für die gewünschte Verteilung notwendigen Ausgangsstoffe an den richtigen Ort druckt. Die Ausgangsstoffe können dabei der oben genannten Datenbank entnommen werden. Alternativ ist es möglich, dass nur wenige Konstellationen in der Datenbank gespeichert sind und gegebenenfalls dazwischenliegende, gewünschte Werte durch Interpolation bzw. anhand einer Formel berechnet werden.
Die Veränderung einer gedruckten T2-Zeit kann beispielsweise anhand veränderter Steifigkeiten erzielt werden. Um eine gezielte Veränderung der T1-Zeit bietet sich die Untermischung von geringen Mengen Magnevist an, Off-Resonance-Eigenschaften könnten durch die Untermischung von Eisenoxid erreicht werden.
Beispielsweise kann auch eine T2-Karte eines menschlichen Kopfes abgebildet sein. In dem oben beschriebenen Verfahren wird diese Karte eingelesen, in einem Algorithmus die für die T2-Werte benötigte Druckmischung (= Stoffgemisch) berechnet und das MR-Phantom 1 dann gedruckt werden.
Gerade bei Kopfphantomen können Lufteinschlüsse, wie in den Nasennebenhöhlen, vorkommen. Ein Lufteinschluss ist ohne Bohrung oder Kleben nicht druckbar. In einem weiteren Aspekt werden daher anstatt von tatsächlichen Lufteinschlüssen sehr steife Stoffgemische mit einer extrem kurzen T2 gedruckt, da diese in MR-Bilder keinen Signalbeitrag liefern – genauso wie Luft. Zudem ist es möglich, dieses sehr steife Stoffgemisch im Außenbereich mit Eisenoxid anzureichern, um den durch den Lufteinschluss entstehenden Suszeptibilitätssprung zu simulieren.
Um eine verbesserte Stabilität des MR-Phantoms 1 zu erzielen, können in einem weiteren Aspekt in regelmäßigen Abständen oder beim Übergang zwischen verschiedenen Stoffgemischen sehr dünne Plastikwände eingezogen werden.
Im oben genannten Beispiel besitzt jeder Bildpunkt (Ortsinformation) einen physikalischen Messwert bzw. Parameter (z.B. T2). Der Parameter kann über ein Mischungsverhältnis der Ausgangsstoffe, das über eine Datenbank definiert ist, beschrieben werden.
Marktübliche Zwei-Komponenten 3D-Drucker benötigen als Eingangsformat ein „*.stl“ Datei. Diese Datei beinhaltet sogenannte Shellinformationen, die das Mischungsverhältnis mit einer Ortsinformation verknüpfen. Mittels eines Algorithmus wird aus MR Bilddaten und den Datenbankinformationen eine Ausgangsdatei erzeugt, die zunächst jeden Bildpunkt als Shell erzeugt und diesem Stoffinformationen zuweist. Auf Basis dieser „*.stl“ Datei kann der 3D-Druck erfolgen.
In einer bevorzugten Form werden Abschnitte unterschiedlicher Dotierung in Nachbarschaft zu Artefakt-produzierenden Objekten bzw. Zonen hergestellt. Artefakt-produzierende Objekte können sein:

• Stoffe mit hohem tax Delta, d.h. hoher Absorption von HF bzw. Umwandlung in Wärme,
• Stoffe mit relativ langen Echozeiten bzw. Echozeiten im Bereich von Flüssigkeiten,
• Stoffe, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben,
• Stoffe, die weichmagnetisch sind,
• Stoffe, die hartmagnetisch sind oder
• Stoffe, die hartmagnetisch sind und eine permanente Magnetisierung aufweisen.

Zu Erleichterung der Benutzung des MR-Phantoms 1 werden im 3D-Druck beispielsweise Taschen, Halterungen oder Aussparungen für die nachträgliche zeitweise oder dauerhafte Installation solcher zusätzlicher Testobjekte integriert.
Mittels des beschriebenen Verfahrens kann auch eine Treppe mit Stufen aus unterschiedlichen Stoffgemischen gedruckt werden. Mithilfe einer Bildanalysesoftware wird ein Bildgebungsmesswert aus dem Patientenvolumen mit zwei Absolutwerten zweier benachbarter Treppenstufen verglichen. Durch Interpolation wird dem Bildgebungsmesswert aus dem Patientenvolumen ein Absolutwert zugeordnet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können Phantome für andere bildgebende Verfahren als MRT hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: MR-Phantom
2: Mittelsteg
3: Lamelle
100: Erzeugung einer räumlichen Darstellung
200: Umwandlung der räumlichen Darstellung in eine „*.stl“ Datei
300: Drucken der „*.stl“ Datei

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010034000 A1 [0003]
DE 10143218 A1 [0009]
DE 19723892 C1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Phantoms (1) für die medizinische Bildgebung mit einer 3D-Druckvorrichtung, wobei – den Raumkoordinaten des herzustellenden Phantoms (1) Stoffgemische zugeordnet werden (100), – jedes Stoffgemisch einen vorgebbaren Wert eines vorgebbaren bildgebenden Parameters aufweist und – die Stoffgemische durch die 3D-Druckvorrichtung aus Ausgangsstoffen räumlich gedruckt werden (300).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bildgebende Parameter eine MR-relevante oder CT-relevante physikalische Materialeigenschaft ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Materialeigenschaft T1, T2, Off-Resonace, Protonendichte oder Houndsfield-Einheit ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenbank erzeugt wird, die für die Ausgangsstoffe die bildgebenden Parameter enthalt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Algorithmus bereitgestellt wird, der aus den Ausgangsstoffen Stoffgemische ermittelt, die den bildgebenden Parameter aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Simulation von Lufteinschlüssen ein Stoffgemisch ermittelt und gedruckt wird, das in einem MR-Bild nicht sichtbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Stabilität in regelmäßigen, vorgebbaren Abständen oder zur Trennung von Stoffgemischen Plastikwände gedruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastikwände 0,5 bis 2 mm dick sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Phantom (1) mindestens eine Haltevorrichtung für eine zeitweise oder dauerhafte Installation zusätzlicher Testobjekte vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung eine Tasche, eine Halterung oder eine Aussparungen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Treppe mit Stufen aus unterschiedlichen Stoffgemischen gedruckt wird.