DE102018118379A1 - Cardiac phantom suitable for MRI - Google Patents

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Philipp Josef Daum
Ali Yilmaz
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Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
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Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
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Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Herz-Phantom bereitgestellt, aufweisend einen Grundkörper, welcher mindestens zwei Module aufweist, die so miteinander lösbar gekoppelt sind, dass sie einen Modulstapel bilden, wobei der Grundkörper vier Kanäle aufweist, die mindestens durch das erste und zweite Modul verlaufen; einen Hohlraum, welcher einen Druckluftanschluss und eine Zugangsöffnung aufweist, wobei die Zugangsöffnung an dem Grundkörper dicht anliegt; eine erste elastische Kammer, welche in dem Hohlraum angeordnet ist und eine Öffnung aufweist, mit welcher sie an dem ersten Modul anliegt, so dass eine fluidmechanisch dichte Verbindung zwischen dem Inneren der ersten elastischen Kammer und dem ersten und zweiten Kanal besteht; eine zweite elastische Kammer, welche in dem Hohlraum angeordnet ist und eine Öffnung aufweist, mit welcher sie an dem ersten Modul anliegt, so dass eine fluidmechanisch dichte Verbindung zwischen dem Inneren der zweiten elastischen Kammer und dem dritten und vierten Kanal besteht; und vier Rückschlagventile, wobei je ein Rückschlagventil zwischen dem ersten Modul und dem zweiten Modul in jeweils einem der vier Kanal angeordnet ist. Ferner wird auf Basis des hier vorgestellten Herz-Phantoms ein Torso-Phantom bereitgestellt.In various exemplary embodiments, a cardiac phantom is provided, comprising a base body which has at least two modules which are detachably coupled to one another in such a way that they form a module stack, the base body having four channels which run at least through the first and second modules; a cavity which has a compressed air connection and an access opening, the access opening lying tightly against the base body; a first elastic chamber which is arranged in the cavity and has an opening with which it bears on the first module, so that there is a fluid-mechanically tight connection between the interior of the first elastic chamber and the first and second channels; a second elastic chamber which is arranged in the cavity and has an opening with which it bears against the first module, so that there is a fluid-mechanically tight connection between the interior of the second elastic chamber and the third and fourth channels; and four check valves, one check valve each being arranged between the first module and the second module in one of the four channels. Furthermore, a torso phantom is provided on the basis of the heart phantom presented here.

Description

Um herangehenden Ärzten die Möglichkeit zu geben, schwierige Operations- und Behandlungstechniken im Vorfeld zu üben, können Tiermodelle verwendet werden. Geht es beispielsweise um das Einüben einer Operationstechnik an einem Auge, kann hierfür ein Auge von einer Kuh oder einem Schwein zu Übungszwecken verwendet werden. Da sich jedoch einerseits die Tierorange von den entsprechenden menschlichen Organen anatomisch zum Teil unterscheiden und andererseits nicht alle Krankheitsbilder des Menschen im Tiermodell vorkommen, kann dieses Verfahren nicht immer verwendet werden. Daher erlernen Chirurgen nicht selten heute noch komplizierte Eingriffstechniken unter Anleitung ihrer erfahreneren Kollegen bei Operationen direkt am Patienten.Animal models can be used to give prospective doctors the opportunity to practice difficult surgical and treatment techniques beforehand. For example, if you are practicing a surgical technique on one eye, an eye from a cow or a pig can be used for training purposes. However, since the animal oranges differ anatomically from the corresponding human organs on the one hand, and on the other hand, not all clinical pictures of humans occur in the animal model, this method cannot always be used. For this reason, surgeons often learn complicated surgical techniques under the guidance of their more experienced colleagues during operations directly on the patient.

Anstatt bei der Ausbildung von Ärzten auf Tiermodelle zurückzugreifen, können auch Phantome als medizinische Trainingssysteme verwendet werden. Diese Trainingssysteme umfassen eine funktionelle und/oder strukturelle Nachbildung von Körperteilen oder Organen, etwa eines Herzens oder eines Auges, zu Anschauungs- und Übungszwecken. Sie erlauben es einem Arzt, manuelle Geschicklichkeit für die Durchführung eines Eingriffs zu erlangen, ohne dabei das Wohl eines lebenden Patienten zu gefährden. Solche Trainingssysteme sind insbesondere bei komplizierten interventionellen bzw. minimalinvasiven Eingriffen von großem Vorteil und können zudem mehrfach verwendet werden.Instead of using animal models to train doctors, phantoms can also be used as medical training systems. These training systems include a functional and / or structural replication of parts of the body or organs, such as a heart or an eye, for illustrative and exercise purposes. They allow a doctor to acquire manual dexterity to perform an operation without endangering the wellbeing of a living patient. Such training systems are particularly advantageous in the case of complicated interventional or minimally invasive interventions and can also be used several times.

Dem Herz als dem zentralen Organ des menschlichen Körpers kommt bei der Gesundheitstherapie eine besondere Rolle zu. Hierbei gibt es zahlreiche Untersuchungs- und Operationsmaßnahmen, welche die Funktionstüchtigkeit des lebensnotwendigen Muskels untersuchen bzw. wiederherstellen sollen. So stellt beispielsweise der Herzinfarkt eine der bekanntesten und am meisten verbreiteten Herzerkrankungen dar und gehört zu den häufigsten Todesursachen der westlichen Welt. Das Herz und seine Erkrankungen stehen seit Jahrzenten im Fokus der medizinischen Behandlung.The heart, as the central organ of the human body, plays a special role in health therapy. There are numerous examination and surgical measures that are designed to examine and restore the functionality of the vital muscle. For example, myocardial infarction is one of the best known and most widespread heart diseases and is one of the most common causes of death in the western world. The heart and its diseases have been the focus of medical treatment for decades.

Die Magnetresonanztomographie (MRT, auch als Kernspintomographie bezeichnet) stellt heutzutage eines der modernsten medizinischen Bildgebungsverfahren dar. Die rasante Entwicklung in den letzten Jahren hinsichtlich der Leistungsfähigkeit von Magnetresonanz-Tomographen (MR-Tomographen), MRT-Spulen und MRT-Sequenzen hat dazu geführt, dass heutzutage auch MRT-Aufnahmen in Echtzeit, sogenannte „real-time“ (rt) MRT-Aufnahmen durchgeführt werden können, welche zudem eine hohe zeitliche und örtliche Auflösung aufweisen. Diese Technologie kann verwendet werden, um eine optimale Darstellung von Herzstrukturen zu erhalten. Mittels der sogenannten Kardio-MRT können sowohl die Anatomie als auch die Funktion des Herzmuskels untersucht sowie beispielsweise diverse Volumetrie-Parameter ermittelt werden. Zusätzlich ermöglicht die Kardio-MRT eine nichtinvasive Diagnostik bei Herzklappenfehlern.Magnetic resonance imaging (MRI, also known as magnetic resonance imaging) is one of the most modern medical imaging methods today. The rapid development in recent years with regard to the performance of magnetic resonance tomographs (MR tomographs), MRI coils and MRI sequences has led to that nowadays, real-time MRI scans, so-called “real-time” (rt) MRI scans, can also be carried out, which also have a high temporal and spatial resolution. This technology can be used to obtain an optimal display of heart structures. Cardio-MRI can be used to examine both the anatomy and the function of the heart muscle and, for example, to determine various volumetry parameters. In addition, cardio-MRI enables non-invasive diagnostics for heart valve defects.

Auf dem Gebiet der Kardiologie ermöglichen die rt-MRT-Aufnahmen des Herzens nicht nur die Herzaktion bzw. Herzfunktion noch besser und genauer zu erfassen, sondern stellen die Voraussetzung für den Beginn einer ganz neuen MRT-Epoche dar - dem „interventionellen Kardio-MRT“. Mithilfe der neuen rt-MRT-Sequenzen und der gleichzeitigen Entwicklung von MR sicheren bzw. bedingt MR sicheren Untersuchungsmaterialien (z.B. Zugangsschleusen, Führungsdrähte, Führungskatheter, Ablationskatheter, Bioptome, u.v.a.m.) können erstmals sowohl invasive diagnostische Untersuchungen (z.B. Rechtsherzkatheter-Untersuchungen) als auch invasive interventionelle Eingriffe (z.B. Vorhofflatter-Ablationen) mittels Kardio-MRT Bildgebung gesteuert im MRT-Raum durchgeführt werden. Da sich das interventionelle Kardio-MRT noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, besteht hier viel Raum für Weiterentwicklungen und Innovationen. Das Potential dieser Methode schlägt sich nicht zuletzt darin nieder, dass bereits zahlreiche Firmen an der Entwicklung und Zulassung von MRT-tauglichen Untersuchungs- und Behandlungsgegenständen arbeiten.In the field of cardiology, the rt-MRI images of the heart not only enable the heart action or cardiac function to be recorded even better and more precisely, but also represent the prerequisite for the start of a completely new MRI era - the "interventional cardio-MRI" , With the help of the new rt-MRT sequences and the simultaneous development of MR-safe or conditionally MR-safe examination materials (e.g. access gates, guide wires, guide catheters, ablation catheters, bioptomes, etc.), both invasive diagnostic examinations (e.g. right heart catheter examinations) and invasive ones can be performed for the first time interventional interventions (eg atrial fibrillation ablations) can be carried out in a controlled manner in the MRI room using cardio-MRI imaging. Since the interventional cardio-MRI is still at an early stage of development, there is plenty of room for further developments and innovations. The potential of this method is reflected not least in the fact that numerous companies are already working on the development and approval of MRI-compatible examination and treatment objects.

Dieser Entwicklung folgend sind bereits relativ simple MRT-fähige Phantome des Herzens erhältlich, welche jedoch entweder die komplexe Herzanatomie nur unzureichend abbilden und/oder keine Simulation eines wirklich schlagenden Herzens mit gleichzeitiger Auf- und Abwärtsbewegung ermöglichen, die der Zwerchfellbewegung entspricht. Gerade diese systolische bzw. diastolische Kontraktionsbewegung sowie die atemabhängige Vertikalbewegung des Herzens stellen aber die besondere Herausforderung für die Bildgebung des Herzens und die Planung bzw. das Training zukünftiger interventioneller MRT-Verfahren dar.Following this development, relatively simple MRI-compatible phantoms of the heart are already available, which, however, either do not adequately depict the complex heart anatomy and / or do not allow simulation of a really beating heart with simultaneous upward and downward movement that corresponds to the diaphragmatic movement. However, this systolic or diastolic contraction movement as well as the breath-dependent vertical movement of the heart represent the special challenge for the imaging of the heart and the planning or training of future interventional MRI procedures.

Die vorliegende Erfindung stellt ein mindestens MR conditional Herz-Phantom bereit, also eine Herz-Nachbildung, welche in einer MRT-Umgebung verwendbar und mittels MRT abbildbar ist und sich somit für die Entwicklung und Testung von interventionellen MRT-Verfahren in der Kardiologie eignet. Das hier vorgestellte MRT-fähige Herz-Phantom erlangt diese Eigenschaft dadurch, dass es im Wesentlichen und bevorzugt ausschließlich aus nichtferromagnetischen Materialien gefertigt ist. Insbesondere kann das MRT-fähige Herz-Phantom frei von den ferromagnetischen Metallen Eisen, Nickel und Cobalt sein. Der Aufbau des Herz-Phantoms erfolgt aus MRT-geeigneten Materialien, die sowohl für die funktionelle/anatomische Simulation der jeweiligen Herz-Kreislauf-Struktur geeignet sind als auch MRT-Signaleigenschaften aufweisen, die den korrespondierenden in vivo Strukturen beim Menschen entsprechen.The present invention provides an at least MR conditional cardiac phantom, that is to say a cardiac replica which can be used in an MRI environment and mapped by means of MRI and is therefore suitable for the development and testing of interventional MRI methods in cardiology. The MRI-capable cardiac phantom presented here achieves this property in that it is essentially and preferably exclusively made of non-ferromagnetic materials. In particular, the MRI-capable cardiac phantom can be free of the ferromagnetic metals iron, nickel and cobalt. The cardiac phantom is constructed from materials suitable for MRI, which are used both for the functional / anatomical simulation of the respective cardiac Circuit structure are suitable as well as have MRI signal properties that correspond to the corresponding in vivo structures in humans.

Das MRT-fähige Herz-Phantom gemäß der Erfindung weist einen Aufbau auf, welcher vier Rückschlagventile und zwei elastische bzw. flexible Kammern aufweist, wobei erstere den Herzklappen und letztere der linken und rechten Herzkammer entsprechen. Damit spiegelt der Aufbau des erfindungsgemäßen Herz-Phantoms den grundsätzlichen anatomischen Aufbau des Herzes wider und ermöglicht die Simulation eines pulsatilen Blutfluss durch dessen Vorhöfe, Herzklappen und Kammern. Die Vorhöfe sind bevorzugt durch biologische Herzklappen von den Kammern getrennt. Mittels einer Vorrichtung kann mittels Druckstößen durch Gas, beispielsweise Luft, oder Flüssigkeit, welche auf die flexiblen Kammern einwirken, ein künstlicher Blutfluss erzeugt werden durch Zusammendrücken der künstlichen Ventrikel von außen, so dass sich durch die eingebauten Herzklappen in Form von Rückschlagventilen ein anatomisch korrekter Blutfluss an dem hier beschriebenen Herz-Phantom einstellt. Ferner kann eine pneumatische Vorrichtung vorgesehen werden zur Simulation des Herzschlags und der Zwerchfellatmung. Letztere kann simuliert werden, indem eine relative Bewegung des Herz-Phantoms in einem den Torso abbildenden Grundkörper erfolgt, beispielsweise mittels einer pneumatisch arbeitenden Vorrichtung. Je nach Aufbau können zwei größere und zwei kleinere Herzklappen als Rückschlagventile in das Herz-Phantom eingesetzt werden, wobei die größeren Herzklappen der Mitral- und Trikuspidalklappe und die kleineren Herzklappen der Aorten- und Pulmonalklappe entsprechen. In einer beispielhaften Ausführungsform können die größeren Herzklappen einen Durchmesser von 25 mm, die kleineren Herzklappen einen Durchmesser von 19 mm aufweisen.The MRI-capable cardiac phantom according to the invention has a structure which has four check valves and two elastic or flexible chambers, the former corresponding to the heart valves and the latter to the left and right cardiac chambers. The structure of the heart phantom according to the invention thus reflects the basic anatomical structure of the heart and enables the simulation of a pulsatile blood flow through its atria, heart valves and chambers. The atria are preferably separated from the chambers by biological heart valves. An apparatus can be used to generate an artificial blood flow by means of pressure surges through gas, for example air or liquid, which act on the flexible chambers, by compressing the artificial ventricles from the outside, so that the built-in heart valves in the form of check valves result in an anatomically correct blood flow on the heart phantom described here. A pneumatic device can also be provided for simulating the heartbeat and the diaphragmatic breathing. The latter can be simulated by making a relative movement of the cardiac phantom in a basic body that images the torso, for example by means of a pneumatically operating device. Depending on the design, two larger and two smaller heart valves can be used as check valves in the heart phantom, the larger heart valves corresponding to the mitral and tricuspid valves and the smaller heart valves corresponding to the aortic and pulmonary valves. In an exemplary embodiment, the larger heart valves can have a diameter of 25 mm and the smaller heart valves can have a diameter of 19 mm.

Das hier beschriebene MRT-fähige Herz-Phantom eignet sich insbesondere für die Ausbildung von Kardiologen. An dem hier beschriebenen Kardio-MRT-Phantom können sowohl neue interventionelle MRT-Techniken als auch neue MRT-Marialien sicher erprobt und getestet werden. Insbesondere ist hierfür der stark modulare Aufbau von Vorteil, welcher beispielsweise einen schnellen Ein- und Ausbau einer Ebene aus einem neuen zu erprobenden Material ermöglicht. Ebenso können auch verschleißbedingt zu ersetzende Einzelteile des Herz-Phantoms einfach ausgetauscht werden. Der jeweilige interventionelle MRT-Eingriff kann ohne Einsatz von Probanden und Tieren und ohne zeitliche Limitation an einem solchen Kardio-MRT-Phantom getestet und soweit optimiert werden, dass der anschließenden sicheren Durchführung am Patienten praktisch nichts mehr im Wege steht. Beispielhafte Anwendungsgebiete können Entnahmen von Endomyokardbiopsien, Rechtsherz-Katheteruntersuchungen, Platzierung von Aortenstents oder neuen Herzklappen, VF-Flatter-Ablationen (u.v.a.m.) umfassen.The MRI-capable cardiac phantom described here is particularly suitable for the training of cardiologists. On the cardio-MRI phantom described here, both new interventional MRI techniques and new MRI devices can be safely tried and tested. In particular, the highly modular structure is advantageous for this, which, for example, enables a level to be installed and removed quickly from a new material to be tested. Individual parts of the heart phantom that can be replaced due to wear can also be easily replaced. The respective interventional MRI procedure can be tested on such a cardio MRI phantom without the use of test subjects and animals and without time limitation and optimized to such an extent that practically nothing stands in the way of subsequent safe execution on the patient. Exemplary applications can include endomyocardial biopsy, right-heart catheter examinations, placement of aortic stents or new heart valves, VF flutter ablation (and much more).

Das Herz-Phantom gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist einen Grundkörper auf, welcher mindestens zwei Module aufweist, die so miteinander lösbar gekoppelt sind, dass sie einen Modulstapel bilden, wobei der Grundkörper vier Kanäle aufweist, die mindestens durch das erste und zweite Modul verlaufen. Dazu sind in jedem der Module entsprechende Durchgangsöffnungen vorgesehen. Jedes der Module kann plattenartig ausgebildet sein und beispielsweise eine runde Form haben. Die Module können durch geeignete Befestigungsmittel aneinander befestigt sein. Die Befestigungsmittel können beispielsweise Schrauben umfassen, welche durch entsprechende Öffnungen in den Modulen verlaufen. In weiteren Ausführungsformen können Stifte oder Bolzen integral in einem der Module ausgebildet sein, auf die jeweils das andere Modul geschoben wird. Die Stifte können ein Gewinde aufweisen, so dass die beiden Module miteinander durch Aufschrauben von Muttern verbunden werden können. Anstatt eines schraubbasierten Befestigungsmittels kann auch beispielsweise ein Einrastmechanismus verwendet werden. Unabhängig von der Art des verwendeten Befestigungsmittels kann dieses eine lösbare Verbindung der Module miteinander bereitstellen. Zwischen den Modulen kann eine Schicht aus einem weichen Material angeordnet sein, beispielsweise eine Gummischicht, welche die Schnittstelle zwischen den Modulen abdichtet. Bei dem ersten und zweiten Modul kann es sich im Kontext des modularen Gesamtaufbaus des erfindungsgemäßen Herz-Phantoms um zwei Ebenen einer Klappen-Ebene handeln.The cardiac phantom according to various embodiments has a base body which has at least two modules which are detachably coupled to one another in such a way that they form a module stack, the base body having four channels which run at least through the first and second modules. Corresponding through openings are provided in each of the modules for this purpose. Each of the modules can be plate-shaped and, for example, have a round shape. The modules can be fastened to one another by suitable fastening means. The fastening means can comprise screws, for example, which run through corresponding openings in the modules. In further embodiments, pins or bolts can be integrally formed in one of the modules onto which the other module is pushed in each case. The pins can have a thread, so that the two modules can be connected to one another by screwing on nuts. Instead of a screw-based fastener, a snap mechanism can also be used, for example. Regardless of the type of fastener used, this can provide a releasable connection of the modules to one another. A layer of a soft material can be arranged between the modules, for example a rubber layer, which seals the interface between the modules. In the context of the overall modular structure of the cardiac phantom according to the invention, the first and second modules can be two levels of one valve level.

Das Herz-Phantom gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist ferner einen Hohlraum auf, welcher einen Druckluftanschluss und eine Zugangsöffnung aufweist, wobei die Zugangsöffnung an dem Grundkörper dicht anliegt. Die Zugangsöffnung des Hohlraums kann mittig auf dem ersten Modul angeordnet sein. Im Rahmen dieser Beschreibung kann unter dem Hohlraum zugleich auch der diesen bereitstellende (Hohl)Körper gemeint sein. Der Hohlraum kann einen rohrförmigen Teil aufweisen, mit dem er an dem ersten Modul anliegt. An den rohrförmigen Teil des Hohlraums kann sich ein kugelförmiger Teil anschließen. Der Druckluftanschluss kann sich beispielsweise am kugelförmigen Teil des Hohlraums befinden.The cardiac phantom according to various embodiments furthermore has a cavity which has a compressed air connection and an access opening, the access opening lying tightly against the base body. The access opening of the cavity can be arranged centrally on the first module. In the context of this description, the cavity can also mean the (hollow) body providing it. The cavity can have a tubular part with which it rests on the first module. A spherical part can adjoin the tubular part of the cavity. The compressed air connection can be located, for example, on the spherical part of the cavity.

Das Herz-Phantom gemäß verschiedener Ausführungsformen weist ferner zwei elastische Kammern auf: eine erste elastische Kammer und eine zweite elastische Kammer. Jede der zwei elastischen Kammern ist im Wesentlichen in dem Hohlraum angeordnet und weist eine Öffnung auf, mit welcher sie an dem ersten Modul anliegt, so dass eine fluidmechanisch dichte Verbindung zwischen dem Inneren der ersten elastischen Kammer und dem ersten und zweiten Kanal besteht. In analoger Weise besteht eine fluidmechanisch dichte Verbindung zwischen dem Inneren der zweiten elastischen Kammer und dem dritten und vierten Kanal. Jede der zwei elastischen Kammern kann eine taschen- bzw. beutelähnliche Form aufweisen, wobei die Öffnung jedes der Beutel dem ersten Modul zugewendet ist und an diesem dicht anliegt. Die beiden elastischen Kammern können integral in einem Grundkörper aus einem elastischen bzw. einem flexiblen Material ausgebildet sein. Um die Öffnungen der beiden elastischen Kammern kann ein verlängerter Auslauf bzw. ein Kragen angeordnet sein, mittels welchem der die beiden elastischen Kammern enthaltende Grundkörper zwischen dem Hohlraum und dem ersten Modul fixiert werden kann. Die Ausstülpungen des Grundkörpers, welche die elastischen Kammern ausbilden, ragen durch die Zugangsöffnung des Hohlraums in diesen hinein. Unabhängig von der genauen Art der Befestigung der beiden elastischen Kammern zwischen der Zugangsöffnung des Hohlraums und dem ersten Modul besteht keine fluidmechanische Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Inneren der beiden elastischen Kammern, da die Öffnungen der beiden elastischen Kammern am ersten Modul dicht anliegen und zwar so, dass ihre Öffnungen jeweils zwei der vier in dem Grundkörper bereitgestellten Kanäle umfassen (beispielsweise über diesen angeordnet sind). Folglich besteht ebenso keine fluidmechanische Verbindung zwischen dem Hohlraum und den vier in dem Grundkörper vorliegenden Kanälen.The cardiac phantom according to various embodiments also has two elastic chambers: a first elastic chamber and a second elastic chamber. Each of the two elastic chambers is substantially in the cavity arranged and has an opening with which it rests on the first module, so that there is a fluid-mechanically tight connection between the interior of the first elastic chamber and the first and second channels. In an analogous manner, there is a fluid-mechanically tight connection between the interior of the second elastic chamber and the third and fourth channels. Each of the two elastic chambers can have a bag-like shape, the opening of each of the bags facing the first module and lying tightly against it. The two elastic chambers can be integrally formed in a base body made of an elastic or a flexible material. An elongated outlet or a collar can be arranged around the openings of the two elastic chambers, by means of which the base body containing the two elastic chambers can be fixed between the cavity and the first module. The protuberances of the base body, which form the elastic chambers, project into the cavity through the access opening thereof. Regardless of the exact type of attachment of the two elastic chambers between the access opening of the cavity and the first module, there is no fluid mechanical connection between the cavity and the interior of the two elastic chambers, since the openings of the two elastic chambers lie tightly against the first module, and so do so that their openings each comprise two of the four channels provided in the base body (for example, are arranged above this). Consequently, there is also no fluid mechanical connection between the cavity and the four channels present in the base body.

Schließlich weist das Herz-Phantom gemäß verschiedenen Ausführungsformen vier Rückschlagventile auf, wobei je ein Rückschlagventil zwischen dem ersten Modul und dem zweiten Modul in jeweils einem der vier Kanäle angeordnet ist. Bei den vier Rückschlagventilen kann es sich bevorzugt um künstliche Ausgestaltungen der vier Herzklappen des Herzes handeln (Bioprothesen). In mindestens einem des ersten und zweiten Moduls können an den durch diese durchgehenden vier Kanälen Vertiefungen oder sonstige Strukturen vorgesehen sein, welche zum Einsetzen einer biologischen künstlichen Herzklappe geeignet sind. Jedes der Rückschlagventile kann zwischen dem ersten und zweiten Modul geklemmt und damit fixiert werden.Finally, according to various embodiments, the cardiac phantom has four check valves, one check valve each being arranged between the first module and the second module in one of the four channels. The four check valves can preferably be artificial designs of the four heart valves of the heart (bioprostheses). In at least one of the first and second modules, recesses or other structures can be provided on the four channels passing through them, which are suitable for inserting a biological artificial heart valve. Each of the check valves can be clamped between the first and second module and thus fixed.

Durch den hochgradig modularen Aufbau des erfindungsgemäßen Herz-Phantoms lassen sich alle Komponenten einzeln auswechseln. Insbesondere können die Rückschlagventile, welche bevorzugt künstliche Herzklappen umfassen, ohne große Schwierigkeiten ausgetauscht bzw. erneuert werden.Due to the highly modular structure of the cardiac phantom according to the invention, all components can be replaced individually. In particular, the check valves, which preferably comprise artificial heart valves, can be replaced or replaced without great difficulty.

Durch Anschließen einer Druckleitung an den Druckluftanschluss des Hohlraums kann der darin vorherrschende Druck variiert werden. Durch einen Überdruck lassen sich die beiden elastischen Kammern komprimieren, so dass ein sich darin befindendes künstliches Blut aus ihnen herausbefördert wird. Wird der Überdruck wieder abgebaut, so nehmen die beiden Kammern ihre ursprüngliche Form wieder an und können wieder mit künstlichem Blut befüllt werden. Die Rückschlagventile regeln dabei die Richtung des Blutflusses in den vier Kanälen, welche in den beiden Kammern münden. Auf diese Weise lässt sich an dem erfindungsgemäßen Herz Phantom ein Herzschlag simulieren.The pressure prevailing therein can be varied by connecting a pressure line to the compressed air connection of the cavity. The two elastic chambers can be compressed by overpressure, so that an artificial blood contained therein is conveyed out of them. If the excess pressure is reduced again, the two chambers return to their original shape and can be filled with artificial blood again. The check valves regulate the direction of blood flow in the four channels that open into the two chambers. In this way, a heartbeat can be simulated on the heart phantom according to the invention.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Herz-Phantoms kann der Hohlraum mindestens teilweise von einem Gefäß gebildet sein, welches an dem Grundkörper luftdicht anliegt. Der Hohlraum kann bevorzugt ein Glasgefäß aufweisen bzw. von diesem gebildet werden. Der Hohlraum kann ferner um seine Zugangsöffnung herum einen Flansch bzw. Kragen aufweisen, welcher das Befestigen des Hohlraums am ersten Modul erleichtert und den Hohlraum zusätzlich in seiner Position gegenüber dem ersten Modul ausgerichtet. Dazu kann das erste Modul mindestens eine Vertiefung oder eine andere Struktur aufweisen (z.B. Kerben und/oder Fugen), welche an den Flansch bzw. Kragen des Hohlraums angepasst ist. Der Hohlraum kann mittels der Befestigungsmittel, welche zum Zusammenfügen der beiden Module verwendet werden (insbesondere Schrauben bzw. an einem der Module vorgesehene Schraubstifte), an den Grundkörper befestigt werden. Zwischen dem Hohlraum und dem daran angrenzenden Modul kann eine abdichtende Schicht vorgesehen sein, so dass der Hohlraum fluiddicht an das entsprechende Modul gekoppelt ist. Die Zugangsöffnung des Hohlraums kann insbesondere über den vier Kanälen des Grundkörpers angeordnet sein bzw. diese umfassen.According to further embodiments of the cardiac phantom, the cavity can be at least partially formed by a vessel which lies airtight on the base body. The cavity can preferably have a glass vessel or be formed by it. The cavity can also have a flange or collar around its access opening, which facilitates the fastening of the cavity to the first module and additionally aligns the cavity in its position with respect to the first module. For this purpose, the first module can have at least one depression or another structure (e.g. notches and / or joints) which is adapted to the flange or collar of the cavity. The cavity can be fastened to the base body by means of the fastening means which are used to join the two modules (in particular screws or screw pins provided on one of the modules). A sealing layer can be provided between the cavity and the module adjoining it, so that the cavity is coupled to the corresponding module in a fluid-tight manner. The access opening of the cavity can in particular be arranged above the four channels of the base body or can comprise these.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Herz-Phantoms kann der Grundkörper ein weiteres Modul aufweisen, welches im Modulstapel über dem ersten Modul angeordnet ist. Im Kontext des modularen Gesamtaufbaus des erfindungsgemäßen Herz-Phantoms kann es sich bei dem weiteren Modul um eine Ventrikel-Ebene handeln. Das weitere Modul kann dazu verwendet werden, den Hohlraum an das erste Modul (z.B. erstes Klappen-Modul) zu fixieren. Gleichzeitig kann das weitere Modul dazu verwendet werden, die elastische Schicht, in welcher die beiden elastischen Kammern ausgebildet sind, an das erste Modul zu fixieren. Das weitere Modul kann eine Form aufweisen, welche im Wesentlichen der Form der ersten beiden Module entspricht, wobei in dem weiteren Modul eine Öffnung ausgebildet sein kann, durch die oder in der der rohrförmige Teil des Hohlraums verlaufen bzw. angeordnet sein kann. Insofern kann das weitere Modul als eine Klemmscheibe ausgebildet sein und im Wesentlichen eine Ringform haben. Mittels des weiteren Moduls können sowohl der Hohlraum als auch die die elastischen Kammern aufweisende Schicht an den Grundkörper fixiert werden. In dem weiteren Modul können ferner Öffnungen vorgesehen sein, durch welche die schaubbasierten Befestigungsmittel durchgeführt werden können, um das weitere Modul an die anderen beiden Module zu befestigen und so einen Grundkörper mit drei Ebenen zu erhalten.According to further embodiments of the cardiac phantom, the base body can have a further module which is arranged in the module stack above the first module. In the context of the overall modular structure of the cardiac phantom according to the invention, the further module can be a ventricular level. The further module can be used to fix the cavity to the first module (eg first flap module). At the same time, the further module can be used to fix the elastic layer in which the two elastic chambers are formed to the first module. The further module can have a shape which essentially corresponds to the shape of the first two modules, wherein an opening can be formed in the further module, through which or in which the tubular part of the cavity can run or be arranged. In this respect, the further module can be used as a clamping disc be formed and have essentially a ring shape. By means of the further module, both the cavity and the layer having the elastic chambers can be fixed to the base body. Openings can also be provided in the further module, through which the screw-based fastening means can be passed in order to fasten the further module to the other two modules and thus to obtain a base body with three levels.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Herz-Phantoms kann das den Hohlraum ausbildende Gefäß an seiner Zugangsöffnung ein Schraubgewinde aufweisen, mittels welchem es in das das erste Modul und/oder in das weitere Modul einschraubbar ist. Das Schraubgewinde kann sich im Rand des Flansches bzw. des kragenartigen Teils des Hohlraums befinden. Im Falle, dass der Hohlraum über ein Schraubgewinde verfügt, kann das dazu passende Gegengewinde in dem ersten Modul oder in dem weiteren Modul angeordnet sein. Der Hohlraum kann dann zugleich zur Klemmung/Befestigung der beiden elastischen Kammern (bzw. der diese beiden elastischen Kammern tragenden Schicht) am ersten Modul verwendet werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das den Hohlraum ausbildende Gefäß einen Glaskolben aufweisen (statt Glas kann auch ein anderes geeignetes Material verwendet werden), welcher um seine Öffnung herum integral mit einem Flansch ausgebildet ist, wobei in dem Flansch Durchgangsöffnungen für die Befestigungsmittel vorgesehen sein können. Der Außendurchmesser des Flansches kann dem Außendurchmesser des ersten und zweiten Moduls entsprechen. Insbesondere kann ein derart ausgebildeter Glaskolben auf das erste Modul gesetzt werden und an diesen mittels der Befestigungsmittel befestigt werden. Durch die Verwendung eines Glaskolbens mit integral ausgebildetem Flansch kann auf die Verwendung des weiteren Moduls als extra Bauteil verzichtet werden und so ein kompakter Aufbau des Herz-Phantoms erreicht werden.According to further embodiments of the cardiac phantom, the vessel forming the cavity can have a screw thread at its access opening, by means of which it can be screwed into the first module and / or into the further module. The screw thread can be located in the edge of the flange or the collar-like part of the cavity. In the event that the cavity has a screw thread, the matching counter thread can be arranged in the first module or in the further module. The cavity can then also be used for clamping / fastening the two elastic chambers (or the layer supporting these two elastic chambers) to the first module. In further exemplary embodiments, the vessel forming the cavity can have a glass bulb (instead of glass, another suitable material can also be used), which is formed integrally around its opening with a flange, through-openings for the fastening means being able to be provided in the flange. The outer diameter of the flange can correspond to the outer diameter of the first and second module. In particular, a glass bulb designed in this way can be placed on the first module and attached to it by means of the fastening means. By using a glass bulb with an integrally formed flange, the use of the additional module as an extra component can be dispensed with and a compact construction of the cardiac phantom can thus be achieved.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Herz-Phantoms können die erste und die zweite elastische Kammer integral in einem Formteil ausgebildet sein. Das Formteil kann beispielsweise aus Polyurethan in einem Gießverfahren (mittels eines Gießformteils) hergestellt werden. Die beiden elastischen Kammern können innerhalb des einstückigen Formteils eine gemeinsame Trennwand aufweisen, welche zwischen den Kanalöffnungen des ersten und zweiten Kanals einerseits und den Kanalöffnungen des dritten und vierten Kanals andererseits angeordnet ist, wenn das Formteil an dem ersten Modul dicht anliegt. Die Trennwand kann den Fluidaustausch zwischen jeder der beiden elastischen Kammern auf jeweils zwei der vier Kanäle beschränken. Das Ende der Trennwand kann im Bereich der Öffnungen der beiden elastischen Kammern eine Fixiervorrichtung aufweisen, mittels welcher sie - und damit zugleich das die beiden elastischen Kammern aufweisende Formteil - an das erste Modul befestigt werden kann, beispielsweise mittels einer Nut, in die ein entsprechend geformter Steg eingesetzt wird, welcher am ersten Modul angeordnet ist (oder umgekehrt).According to further embodiments of the cardiac phantom, the first and the second elastic chamber can be integrally formed in one molded part. The molded part can be produced, for example, from polyurethane in a casting process (by means of a molded part). The two elastic chambers can have a common partition within the one-piece molded part, which is arranged between the channel openings of the first and second channels on the one hand and the channel openings of the third and fourth channels on the other hand when the molded part lies tightly against the first module. The partition wall can limit the fluid exchange between each of the two elastic chambers to two of the four channels. The end of the partition wall can have a fixing device in the area of the openings of the two elastic chambers, by means of which it can be fastened to the first module, and thus at the same time the molded part having the two elastic chambers, for example by means of a groove into which a correspondingly shaped one is inserted Bridge is used, which is arranged on the first module (or vice versa).

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Herz-Phantoms kann das die beiden elastischen Kammern aufweisende Formteil einen sich radial bis zum Rand des Grundkörpers erstreckenden Kragen aufweisen, welcher zugleich als Dichtung zwischen dem weiteren und dem ersten Modul fungiert. Der Kragen bzw. der radiale Materialausläufer um die beiden Öffnungen der elastischen Kammern herum kann also als Befestigungshilfe und zugleich als Dichtschicht fungieren.According to further embodiments of the cardiac phantom, the molded part having the two elastic chambers can have a collar which extends radially to the edge of the base body and which at the same time functions as a seal between the further and the first module. The collar or the radial material outlet around the two openings of the elastic chambers can thus act as a fastening aid and at the same time as a sealing layer.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Herz-Phantoms kann der Grundkörper ein drittes Modul aufweisen, das als ein das erste und zweite Modul aufnehmendes Modul ausgebildet ist. Bei dem optionalen dritten Modul kann es sich im Kontext des modularen Gesamtaufbaus des erfindungsgemäßen Herz-Phantoms um die Vorhof-Ebene handeln. Das dritte Modul kann die Rolle einer Umhausung einnehmen, in welche die anderen Module des Grundkörpers eingesetzt werden. Das dritte Modul kann zweiteilig aufgebaut sein und eine U-Form aufweisen, wobei am oberen Rand der U-Form ein nach innen gerichteter Kragen angeordnet sein kann. Die anderen Module können in einen der beiden Teile des dritten Moduls eingesetzt werden und mit dessen anderem Teil relativ zueinander fixiert werden. Ein solcher Aufbau kann den Vorteil haben, dass der Grundkörper nach außen weniger freiliegende Schnittstellen aufweist, die undicht werden können. Durch geeignet angeordnete Öffnungen in dem dritten Modul können die in dem ersten und zweiten Modul angeordneten Kanäle fluidtechnisch nach außen geführt werden. Zusätzlich zum Kragen am oberen Rand der U-Form oder alternativ dazu können Befestigungsmittel ausgebildet sein, beispielsweise in Form von Schraubstiften in dem bodenseitigen Teil des dritten Moduls, auf welche die anderen Module aufgesetzt werden und anschließend mit Muttern miteinander verschraubt werden. In alternativen Ausführungsformen kann das dritte Modul analog zum ersten und zweiten Modul ausgebildet sein und als dritte scheibenartige Ebene an das zweite Modul angeordnet werden, ohne die anderen Module zu umfassen. Insbesondere können integral in dem dritten Modul Schraubstifte ausgebildet sein, auf welche die anderen Module aufgesteckt/aufgeschoben werden und von der anderen Seite her mit Muttern verschraubt werden.According to further embodiments of the cardiac phantom, the base body can have a third module, which is designed as a module that accommodates the first and second modules. In the context of the overall modular structure of the heart phantom according to the invention, the optional third module can be the atrial level. The third module can take on the role of a housing in which the other modules of the basic body are inserted. The third module can be constructed in two parts and have a U-shape, wherein an inwardly directed collar can be arranged at the upper edge of the U-shape. The other modules can be inserted into one of the two parts of the third module and can be fixed relative to one another with the other part. Such a structure can have the advantage that the base body has fewer exposed interfaces on the outside that can leak. Through suitably arranged openings in the third module, the channels arranged in the first and second modules can be guided to the outside in terms of fluid technology. In addition to the collar on the upper edge of the U-shape or alternatively, fastening means can be formed, for example in the form of screw pins in the bottom part of the third module, onto which the other modules are placed and then screwed together with nuts. In alternative embodiments, the third module can be designed analogously to the first and second modules and can be arranged as a third disk-like level on the second module without comprising the other modules. In particular, screw pins can be formed integrally in the third module, onto which the other modules are plugged / pushed and are screwed with nuts from the other side.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das Herz-Phantom aus MR-sicheren bzw. bedingt MR sicheren Materialen gefertigt sein. Das Herz-Phantom erfüllt dann die Voraussetzungen einer „MR conditional“ bzw. einer „MR safe“ Vorrichtung und kann problemlos in einer MRT-Umgebung eingesetzt werden. Gemäß der Definition der ASTM (American Society for Testing and Materials - Amerikanische Gesellschaft für Testung und Materialien) werden unter „MR conditional“ Materialien bzw. Vorrichtungen verstanden, welche bedingt MR sicher sind. Bedingt MR sicher sind alle nicht ferromagnetischen Materialien/Werkstoffe. Diese können allerdings noch Artefakte bilden. Unter „MR safe“ werden Materialien bzw. Vorrichtungen verstanden, welche MR sicher sind. MR sicher sind beispielsweise alle Materialien/Werkstoffe aus Keramik oder Kunststoff, da sie weder ferromagnetisch sind, noch Artefakte bilden. Bevorzugt kann mindestens eines der Materialien des Herz-Phantoms zur Verbesserung der MR-Bildgebung, insbesondere der Orts- und Kontrastauflösung, mit einem Material dotiert sein. Hierbei können die Bestandteile des erfindungsgemäßen Herz-Phantoms ein undotiertes, nichtferromagnetisches Matrixmaterial aufweisen, in dem ein Dotiermaterial eingebettet ist. Als Dotiermaterial können unterschiedliche für diesen Zweck geeignete Materialien verwendet werden, beispielsweise Eisenoxid-Verbindungen (FexOy) und/oder Gadolinum-haltige Substanzen, wobei erstere üblicherweise eine Kontrasterniedrigung und letztere eine Kontrasterhöhung herbeiführen.According to a further preferred embodiment, the cardiac phantom can be made of MR safe or conditionally MR-safe materials. The cardiac phantom then fulfills the requirements of an “MR conditional” or an “MR safe” device and can be used without problems in an MRI environment. According to the definition of the ASTM (American Society for Testing and Materials - "MR conditional" materials or devices are understood that are MR conditionally safe. All non-ferromagnetic materials / materials are conditionally MR safe. However, these can still form artifacts. “MR safe” means materials or devices that are MR safe. All materials made of ceramic or plastic, for example, are MR-safe because they are neither ferromagnetic nor form artifacts. Preferably, at least one of the materials of the cardiac phantom can be doped with a material in order to improve MR imaging, in particular the spatial and contrast resolution. The components of the cardiac phantom according to the invention can have an undoped, non-ferromagnetic matrix material in which a doping material is embedded. Different materials suitable for this purpose can be used as the doping material, for example iron oxide compounds (Fe x O y ) and / or gadolinum-containing substances, the former usually reducing the contrast and the latter increasing the contrast.

Die Module des Herz-Phantoms können beispielsweise durch 3D-Druck oder durch ein Gießverfahren aus Polystyrol gefertigt werden. Für die Herstellung mittels Gießverfahren können beispielsweise Gipsformen verwendet werden, da sie leicht vom gegossenen Teil entfernt werden können, ohne dieses zu zerstören. Die Gipsformen können auf Basis von 3D-gedruckten Modul-Mustern hergestellt werden.The modules of the cardiac phantom can be made from polystyrene, for example, by 3D printing or by a casting process. Plaster molds, for example, can be used for the production by means of the casting process, since they can easily be removed from the cast part without destroying it. The plaster molds can be produced on the basis of 3D-printed module patterns.

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ferner ein Torso-Phantom bereitgestellt, aufweisend ein Gehäuse, in dem das Herz-Phantom gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen schwingend aufgehängt ist, und einen pneumatisch angetriebenen Aktuator, um das Herz-Phantom zur Simulation einer Zwerchfellatmung in Bewegung zu versetzen. Das Gehäuse dient zur Nachbildung des Torsos und kann beispielsweise aus Plexiglas bestehen, welches ein nicht ferromagnetisches Material darstellt. Das Herz-Phantom kann folglich auch MR sicher oder zumindest bedingt MR sicher sein. Das Herz-Phantom kann frei beweglich in dem Gehäuse aufgehängt sein, wobei seine Bewegung, je nach Bedarf, auf eine zweidimensionale oder eine eindimensionale Bewegung beschränkt sein kann, beispielsweise mittels zwei oder einer Führungsschiene, welche fest mit dem Gehäuse verbunden ist und entlang welcher das Herz-Phantom bewegt werden kann. Das Herz-Phantom kann beispielsweise mittels mindestens zwei, bevorzugt mittels vier elastischen Kunststoff-Seilen/Bändern im Inneren des Gehäuses aufgehängt sein, wobei im Allgemeinen die Anzahl der Befestigungs-/Aufhängemittel nach Bedarf gewählt werden kann. Bei dem pneumatisch angetriebenen Aktuator kann es sich um eine Vorrichtung handeln, beispielsweise einen Blasebalg, welche mit Druckluft beaufschlagt werden kann und dadurch mechanische Arbeit verrichtet, wobei die mechanische Arbeit mit einer Volumenveränderung einer Kammer innerhalb der Vorrichtung einhergehen kann. Die Volumenänderung in der Vorrichtung kann mit einer uniaxialen Bewegung eines Teils der Vorrichtung zusammenhängen und mittels des durch Druckluft bewegten Teils kann das frei aufgehängte Phantom-Herz in Bewegung/Schwingung versetzt werden. Insbesondere kann es sich bei dem pneumatisch angetriebenen Aktuator um eine Vorrichtung handeln, welche keine elektrischen Bauteile aufweist, so dass das hier vorgestellte Torso-Phantom ebenfalls aus nicht ferromagnetischen Teilen aufgebaut sein kann und damit MR sicher bzw. bedingt MR sicher ist. Das erfindungsgemäße Torso-Phantom ermöglicht somit die Simulation des Einflusses der Atemfunktion auf die Herzlokalisation durch Herbeiführen einer Vertikalbewegung des Herz-Phantoms innerhalb der Torso-Nachbildung in einer synchron zum Herzschlag verstellbaren Geschwindigkeit. Die Herzschlagfrequenz kann dabei frei wählbar sein durch Einstellen der Frequenz der Druckveränderung im Hohlraum des Herz-Phantoms.In various embodiments, a torso phantom is further provided, comprising a housing in which the heart phantom is suspended in accordance with various embodiments and a pneumatically driven actuator to set the heart phantom in motion to simulate diaphragmatic breathing. The housing is used to simulate the torso and can consist, for example, of plexiglass, which is a non-ferromagnetic material. The cardiac phantom can consequently also be MR safe or at least conditionally MR safe. The cardiac phantom can be freely suspended in the housing, and its movement can be limited to a two-dimensional or a one-dimensional movement, as required, for example by means of two or a guide rail which is fixedly connected to the housing and along which the Heart phantom can be moved. The heart phantom can be suspended, for example, by means of at least two, preferably by means of four elastic plastic ropes / bands in the interior of the housing, the number of fastening / suspension means generally being able to be selected as required. The pneumatically driven actuator can be a device, for example a bellows, which can be pressurized with compressed air and thereby perform mechanical work, which mechanical work can be accompanied by a change in volume of a chamber within the device. The volume change in the device can be related to a uniaxial movement of part of the device and by means of the part moved by compressed air, the freely suspended phantom heart can be set in motion / vibration. In particular, the pneumatically driven actuator can be a device which has no electrical components, so that the torso phantom presented here can likewise be constructed from non-ferromagnetic parts and is therefore MR safe or conditionally MR safe. The torso phantom according to the invention thus enables the simulation of the influence of the respiratory function on the heart localization by inducing a vertical movement of the heart phantom within the torso replica at a speed that can be adjusted synchronously with the heartbeat. The heartbeat rate can be freely selected by adjusting the frequency of the pressure change in the cavity of the heart phantom.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren im Detail beschrieben. Zusammen mit der vorangehenden allgemeinen Beschreibung dient die nachfolgende detaillierte Darstellung einiger exemplarischer Ausführungsformen der Erfindung der besseren Erklärung der Erfindung und soll nicht als einschränkend bezüglich der möglichen Ausgestaltung der Erfindung verstanden werden.

  • 1 zeigt einen schematischen Grundaufbau des Herz-Phantoms gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
  • 2 zeigt eine Querschnittansicht des Herz-Phantoms gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf das Herz-Phantoms gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
  • 4 zeigt eine Draufsicht auf das innere des Grundkörpers des Herz-Phantoms gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
  • 5 zeigt eine Querschnittansicht des Torso-Phantoms.
Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying figures. Together with the foregoing general description, the following detailed illustration of some exemplary embodiments of the invention serves to better explain the invention and should not be understood as limiting the possible embodiment of the invention.
  • 1 shows a schematic basic structure of the heart phantom according to various embodiments.
  • 2 shows a cross-sectional view of the heart phantom according to various embodiments.
  • 3 shows a top view of the heart phantom according to various embodiments.
  • 4 shows a plan view of the interior of the base body of the heart phantom according to various embodiments.
  • 5 shows a cross-sectional view of the torso phantom.

In 1 ist der Grundaufbau des Herz-Phantoms 1 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Wie beschrieben, weist das Herz-Phantom 1 einen Grundkörper 2 auf, welcher seinerseits mindestens zwei Module aufweist - in dem in 1 gezeigten Beispiel ein erstes Modul 3 und ein zweites Modul 4. Die Module 3, 4 sind mittels entsprechender Befestigungsmittel 5, die hier als Schrauben dargestellt sind, miteinander lösbar gekoppelt. Die Anzahl der Befestigungsmittel 5 kann nach Bedarf angepasst werden. In einem Ausführungsbeispiel können zwölf Schrauben oder Schraubstifte, die integral mit dem ersten oder zweiten Modul 3, 4 ausgebildet sind, vorgesehen sein. Jedes der Module 3, 4 ist scheibenförmig ausgestaltet und weist im Inneren Durchgangsöffnungen auf. Im zusammengesetzten Zustand sind zumindest die Öffnungen der Durchgangsöffnungen übereinander angeordnet, so dass sie durch den Grundkörper 2 verlaufende Kanäle 6, 7, 8, 9 ausbilden. Im vorliegenden Beispiel münden der erste Kanal 6 und der vierte Kanal 9 jeweils im Rand des zweiten Moduls 4, wohingegen der zweite Kanal 7 und der dritte Kanal 8 in der Bodenfläche des zweiten Moduls 4 münden. Dies ist jedoch keinesfalls eine Notwendigkeit, sondern eine von vielen möglichen Ausführungsformen. Generell können die Mündungspunkte der Kanäle 6, 7, 8, 9 an der Außenfläche des Grundkörpers willkürlich gewählt werden. Der Hohlraum 10 wird von einem Aufsatz 19 gebildet, welcher an dem ersten Modul 1 dicht anliegt. Der Hohlraum weist einen Druckluftanschluss 11 und eine Zugangsöffnung 12 auf. Die Zugangsöffnung 12 entspricht der offenen Seite des Aufsatzes 19, mit dem dieser am ersten Modul 1 anliegt.In 1 is the basic structure of the heart phantom 1 according to various embodiments illustrated. As described, the cardiac phantom points 1 a basic body 2 , which in turn has at least two modules - in which in 1 example shown a first module 3 and a second module 4 , The modules 3 . 4 are by means of appropriate fasteners 5 , which are shown here as screws, releasably coupled together. The number of fasteners 5 can be adjusted as needed. In one embodiment, twelve screws or screw pins that are integral with the first or second module 3 . 4 are trained to be provided. Each of the modules 3 . 4 is disc-shaped and has through openings on the inside. In the assembled state, at least the openings of the through openings are arranged one above the other so that they pass through the base body 2 trending channels 6 . 7 . 8th . 9 form. In the present example, the first channel opens 6 and the fourth channel 9 each in the margin of the second module 4 , whereas the second channel 7 and the third channel 8th in the bottom surface of the second module 4 lead. However, this is by no means a necessity, but one of many possible embodiments. Generally, the mouths of the channels 6 . 7 . 8th . 9 can be chosen arbitrarily on the outer surface of the base body. The cavity 10 is from an essay 19 formed which on the first module 1 fits tightly. The cavity has a compressed air connection 11 and an access opening 12 on. The access opening 12 corresponds to the open side of the essay 19 with which this on the first module 1 is applied.

Das Herz-Phantom 1 weist eine erste elastische Kammer 13 und eine zweite elastische Kammer 14 auf. Beide Kammern 13, 14 sind in dem Hohlraum 10 angeordnet bzw. ragen in diesen hinein und weisen jeweils eine Öffnung auf, mit welcher sie an dem ersten Modul 1 anliegen, so dass eine fluidmechanisch dichte Verbindung zwischen dem Inneren der Kammern 13, 14 und jeweils zwei von den vier Kanälen 6, 7, 8, 9 besteht. Anders ausgedrückt münden jeweils zwei der vier Kanäle 6, 7, 8, 9 in jeweils einer elastische Kammer 13, 14. In 1 wurde auf die Darstellung von Dichtelementen verzichtet, etwa einer Dichtungsschicht, welche zwischen dem ersten Modul 3 und dem zweiten Modul 4 angeordnet ist. Zwischen dem ersten und zweiten Modul 3, 4 sind die vier Rückschlagventile 15, 16, 17, 18 angeordnet. Es ist genau ein Rückschlagventil 15, 16, 17, 18 in jedem Kanal 6, 7, 8, 9 angeordnet, wobei die Durchlassrichtungen von den zwei zu einer elastischen Kammer 13, 14 zugehörigen Rückschlagventile 15, 16, 17, 18 zueinander entgegengesetzt sind. Das heißt, während beispielsweise das erste Rückschlagventil 15, welches die Trikuspidalklappe verkörpern kann, einen Fluidfluss nur in Richtung der ersten Kammer 13 zulässt, lässt das zweite Ventil 16, welches die Pulmonalklappe verkörpern kann, nur einen Fluidfluss aus der ersten Kammer 13 zu, wobei dann die erste Kammer 13 der rechten Herzkammer entspricht. Analog verhält es sich bei dem dritten Rückschlagventil 17, welches die Mitralklappe verkörpern kann und nur einen Fluidfluss in die zweite Kammer 14 zulässt, während das vierte Rückschlagventil 18, welches die Aortenklappe verkörpern kann, nur einen Fluidfluss aus der zweiten Kammer 14 zulässt, wobei dann die zweite Kammer 14 der linken Herzkammer entspricht. Es sollte verstanden werden, dass die Zuordnung der linken und rechten Herzkammer zu den entsprechenden anatomischen Strukturen willkürlich ist.The heart phantom 1 has a first elastic chamber 13 and a second elastic chamber 14 on. Both chambers 13 . 14 are in the cavity 10 arranged or protrude into this and each have an opening with which they on the first module 1 apply so that a fluid-mechanically tight connection between the interior of the chambers 13 . 14 and two each of the four channels 6 . 7 . 8th . 9 consists. In other words, two of the four channels open out 6 . 7 . 8th . 9 in an elastic chamber 13 . 14 , In 1 there was no representation of sealing elements, such as a sealing layer between the first module 3 and the second module 4 is arranged. Between the first and second module 3 . 4 are the four check valves 15 . 16 . 17 . 18 arranged. It is exactly a check valve 15 . 16 . 17 . 18 in every channel 6 . 7 . 8th . 9 arranged, the passage directions from the two to an elastic chamber 13 . 14 associated check valves 15 . 16 . 17 . 18 are opposite to each other. That is, while, for example, the first check valve 15 , which can embody the tricuspid valve, fluid flow only in the direction of the first chamber 13 the second valve 16 , which can embody the pulmonary valve, only fluid flow from the first chamber 13 to, then being the first chamber 13 corresponds to the right ventricle. The same applies to the third check valve 17 , which can embody the mitral valve and only fluid flow into the second chamber 14 allows while the fourth check valve 18 , which can embody the aortic valve, only fluid flow from the second chamber 14 allows, then the second chamber 14 corresponds to the left ventricle. It should be understood that the association of the left and right ventricles with the corresponding anatomical structures is arbitrary.

In 2 ist eine Querschnittansicht eines beispielhaften Herz-Phantoms 1 gezeigt. Elemente, die bereits in Bezug auf 2 beschrieben worden sind, sind darin mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut beschrieben. Das in 2 gezeigte Herz-Phantom 1 weist zusätzlich zu dem ersten und zweiten Modul 3, 4 das dritte Modul 21 sowie das weitere Modul 25 auf. Vorliegend bilden also insgesamt vier plattenartige Module den Grundkörper 2. Das dritte Modul 21 ist hier dicker ausgeführt als die übrigen Module 3, 4, 25. Die Befestigungsmittel umfassen in diesem Beispiel Stifte 26, welche integral mit dem dritten Modul 21 ausgebildet sind und an ihren Enden jeweils ein Gewinde aufweisen, so dass der gesamte Modulstapel mittels Muttern 22 zusammengehalten wird. Der Aufsatz 19, welcher den Hohlraum 10 bildet, weist eine kuppelartige Form auf und geht fließend in einen rohrförmigen Sockel 24 über, welcher in dem weiteren Modul 25 mündet. Der rohrförmige Sockel 24 weist einen Kragen 23 auf, mit dem er in dem weiteren Modul 25 fixiert ist. Der Aufsatz 19 kann auch eine andere als die dargestellte kuppelartige Form annehmen.In 2 Figure 14 is a cross-sectional view of an exemplary cardiac phantom 1 shown. Items already related to 2 have been given the same reference numerals and will not be described again. This in 2 shown heart phantom 1 points in addition to the first and second modules 3 . 4 the third module 21 as well as the other module 25 on. In the present case, a total of four plate-like modules form the basic body 2 , The third module 21 is thicker than the other modules 3 . 4 . 25 , The fasteners include pins in this example 26 which are integral with the third module 21 are formed and each have a thread at their ends, so that the entire module stack by means of nuts 22 is held together. The essay 19 which is the cavity 10 forms, has a dome-like shape and flows smoothly into a tubular base 24 about which in the further module 25 empties. The tubular base 24 has a collar 23 with which he is in the further module 25 is fixed. The essay 19 can also assume a dome-like shape other than that shown.

Die erste und die zweite elastische Kammer 13, 14 sind in einem Formteil 22 ausgebildet und in diesem mittels einer Trennwand 27 voneinander getrennt. Die Trennwand 27 ist an einen Materialsteg 28 des ersten Moduls 3 befestigt, welcher zwischen den beiden Kammern 13, 14 angeordnet ist. Das Formteil 22 weist einen weit radial nach außen verlaufenden Kragen 29 auf und ist mittels diesem zwischen dem weiteren Modul 25 und dem ersten Modul 3 fixiert. Zugleich fungiert dieser Kragen 29 als Dichtung zwischen dem weiteren Modul 25 und dem ersten Modul 3. Zwischen dem ersten Modul 3 und dem zweiten Modul 4 sowie zwischen dem zweiten Modul 4 und dem dritten Modul 21 sind ebenfalls entsprechende Dichtschichten angeordnet, die beispielsweise ein weiches, gummiartiges Material aufweisen können.The first and the second elastic chamber 13 . 14 are in one molded part 22 trained and in this by means of a partition 27 separated from each other. The partition 27 is on a material web 28 of the first module 3 attached, which between the two chambers 13 . 14 is arranged. The molding 22 has a collar extending radially outwards 29 on and is by means of this between the further module 25 and the first module 3 fixed. This collar also works 29 as a seal between the other module 25 and the first module 3 , Between the first module 3 and the second module 4 as well as between the second module 4 and the third module 21 Corresponding sealing layers are also arranged, which for example can have a soft, rubber-like material.

In 3 ist eine Draufsicht auf das in 2 gezeigte Herz-Phantom 1 dargestellt. Anhand der Darstellung in 3 lässt sich gut erkennen, dass die in 2 noch fast auf gleicher Höhe angeordneten Rückschlagventile 15, 16, 17, 18 (was jedoch keine technische Notwendigkeit ist) tatsächlich in ihren entsprechenden Kanälen 6, 7, 8, 9 in einem Abstand voneinander angeordnet sind. Die Dimensionen der Bauteile relativ zueinander, etwa die Relation des Durchmessers des Hohlraums 10 zum Durchmesser des Modulstapels bzw. des Grundkörpers 2 oder das Verhältnis des röhrenförmigen Bereiches 24 des Hohlraums 10 zu dessen oberem, beispielsweise kuppelartigem Teil, sind hier beispielhaft und können nach Bedarf angepasst werden.In 3 is a top view of the in 2 shown heart phantom 1 shown. Based on the representation in 3 it can be clearly seen that the in 2 check valves arranged almost at the same height 15 . 16 . 17 . 18 (which, however, is not a technical necessity) actually in their respective channels 6 . 7 . 8th . 9 are arranged at a distance from each other. The dimensions of the components relative to one another, such as the relation of the diameter of the cavity 10 to the diameter of the module stack or the base body 2 or the ratio of the tubular area 24 of the cavity 10 for its upper, for example dome-like part, are examples here and can be adapted as required.

In 4 ist eine Draufsicht auf einen inneren Teil des ersten Moduls 3 dargestellt. Hierbei sind die Rückschlagventile 15, 16, 17, 18 weggelassen, so dass die entsprechenden Kanäle 5, 6, 7, 8 zu sehen sind. Die Rückschlagventile 15, 16, 17, 18 werden, wie bereits beschrieben, in die Kanäle 5, 6, 7, 8 zwischen das erste und zweite Modul 3, 4 eingesetzt. Der Materialsteg 28, an den die Trennwand 27 des Formteils 22 fixiert ist, trennt den Bereich 41 der ersten Kammer 13 im ersten Modul 3 von dem Bereich 42 der zweiten Kammer 13 im ersten Modul 3. Die Bereiche 41, 42 der ersten und zweiten elastischen Kammer 13, 14 entsprechen im Wesentlichen der Grundfläche der Kammern 13, 14, wobei die Grundflächen und/oder die Volumina der Kammern 13, 14 im Allgemeinen andere Formen aufweisen wie auch unterschiedlich sein können.In 4 is a top view of an inner part of the first module 3 shown. Here are the check valves 15 . 16 . 17 . 18 omitted so the corresponding channels 5 . 6 . 7 . 8th you can see. The check valves 15 . 16 . 17 . 18 are, as already described, in the channels 5 . 6 . 7 . 8th between the first and second module 3 . 4 used. The material web 28 to which the partition 27 of the molded part 22 is fixed, separates the area 41 the first chamber 13 in the first module 3 from the area 42 the second chamber 13 in the first module 3 , The areas 41 . 42 the first and second elastic chambers 13 . 14 correspond essentially to the base area of the chambers 13 . 14 , the base areas and / or the volumes of the chambers 13 . 14 generally have other shapes as well as may be different.

Das hier beschriebene Herz-Phantom kann zum Aufbau eines MR-fähigen Torso-Phantoms verwendet werden, welches in 5 veranschaulicht ist. Das Torso-Phantom 50 weist einen Grundkörper 51 auf, welcher beispielsweise aus Plexiglas hergestellt sein kann. Das Herz-Phantom 1 ist schwebend bzw. frei beweglich innerhalb des Torso-Phantoms 50 aufgehängt, angedeutet durch zwei Haltemittel 58, welche beispielsweise elastische Kunststoffbänder aufweisen können. Obwohl nur zwei Haltemittel 58 dargestellt sind, kann ihre Anzahl und Positionierung auf dem Herz-Phantom 1 und am Grundkörper 51 nach Bedarf angepasst werden. Das Torso-Phantom 50 weist einen ersten Druckluftanschluss 53 und einen zweiten Druckluftanschluss 54 auf. Mittels des ersten Druckluftanschlusses 53 kann der mechanische Aktuator 52 (z.B. eine Pumpvorrichtung) über eine erste Druckluftleitung 56 mit Druckluft beaufschlagt werden. Der mechanische Aktuator 52 weist einen durch Druckluftzufuhr beweglichen Teil auf, welcher mittels einer Materialstange 57 mit dem Herz-Phantom 1 gekoppelt ist, so dass seine Bewegung auf das Herz-Phantom 1 übertragen werden kann und folglich dieses in Bewegung versetzt werden kann. Der zweite Druckluftanschluss 54 ist über eine zweite Druckluftleitung 55 an den Druckluftanschluss 11 des Hohlraums des Herz-Phantoms 1 gekoppelt. Der Hohlraum kann oszillierend mit Druckluft beaufschlagt werden, um ein Zusammendrücken und Entspannen der beiden elastischen Kammern herbeizuführen und so einen Herzschlag zu simulieren. Die Anschlussleitungen, welche an die Kanäle im Grundkörper des Herz-Phantoms 1 angeschlossen sind, um die Zirkulation des künstlichen Blutes zu ermöglichen, sind in dieser Darstellung nicht gezeigt. Da die Druckluftzufuhr über zwei getrennten Druckluftanschlüsse 53, 54 erfolgt, ist die Bewegung des Herz-Phantoms 1 innerhalb des Grundkörpers 51 ist von der Kompression/Entspannung der beiden flexiblen Kammern im Herz-Phantom 1 grundsätzlich unabhängig dahingehend, dass die beiden Vorgänge unabhängig voneinander regelbar sind.The cardiac phantom described here can be used to build an MR-capable torso phantom, which 5 is illustrated. The torso phantom 50 has a basic body 51 which, for example, can be made of plexiglass. The heart phantom 1 is floating or freely movable within the torso phantom 50 suspended, indicated by two holding means 58 , which can have, for example, elastic plastic bands. Although only two holding devices 58 are shown, their number and positioning on the cardiac phantom 1 and on the body 51 be adjusted as needed. The torso phantom 50 has a first compressed air connection 53 and a second compressed air connection 54 on. By means of the first compressed air connection 53 can the mechanical actuator 52 (eg a pump device) via a first compressed air line 56 be pressurized with compressed air. The mechanical actuator 52 has a movable part by compressed air supply, which by means of a material rod 57 with the heart phantom 1 is coupled so that its movement on the heart phantom 1 can be transmitted and consequently this can be set in motion. The second compressed air connection 54 is via a second compressed air line 55 to the compressed air connection 11 the cavity of the heart phantom 1 coupled. Compressed air can be applied to the cavity in an oscillating manner in order to compress and relax the two elastic chambers and thus simulate a heartbeat. The connecting cables that connect to the channels in the base body of the cardiac phantom 1 are connected to allow the circulation of the artificial blood are not shown in this illustration. Since the compressed air supply via two separate compressed air connections 53 . 54 is the movement of the heart phantom 1 inside the body 51 is from the compression / relaxation of the two flexible chambers in the cardiac phantom 1 basically independent in that the two processes can be controlled independently of each other.

Claims (10)

Herz-Phantom, aufweisend: einen Grundkörper, welcher mindestens zwei Module aufweist, die so miteinander lösbar gekoppelt sind, dass sie einen Modulstapel bilden, wobei der Grundkörper vier Kanäle aufweist, die mindestens durch das erste und zweite Modul verlaufen; einen Hohlraum, welcher einen Druckluftanschluss und eine Zugangsöffnung aufweist, wobei die Zugangsöffnung an dem Grundkörper dicht anliegt; eine erste elastische Kammer, welche in dem Hohlraum angeordnet ist und eine Öffnung aufweist, mit welcher sie an dem ersten Modul anliegt, so dass eine fluidmechanisch dichte Verbindung zwischen dem Inneren der ersten elastischen Kammer und dem ersten und zweiten Kanal besteht; eine zweite elastische Kammer, welche in dem Hohlraum angeordnet ist und eine Öffnung aufweist, mit welcher sie an dem ersten Modul anliegt, so dass eine fluidmechanisch dichte Verbindung zwischen dem Inneren der zweiten elastischen Kammer und dem dritten und vierten Kanal besteht; vier Rückschlagventile, wobei je ein Rückschlagventil zwischen dem ersten Modul und dem zweiten Modul in jeweils einem der vier Kanal angeordnet ist.Heart phantom, comprising: a base body which has at least two modules which are detachably coupled to one another in such a way that they form a module stack, the base body having four channels which run through at least the first and second modules; a cavity which has a compressed air connection and an access opening, the access opening lying tightly against the base body; a first elastic chamber which is arranged in the cavity and has an opening with which it bears against the first module, so that there is a fluid-mechanically tight connection between the interior of the first elastic chamber and the first and second channels; a second elastic chamber which is arranged in the cavity and has an opening with which it bears against the first module so that there is a fluid-mechanically tight connection between the interior of the second elastic chamber and the third and fourth channels; four check valves, one check valve each being arranged between the first module and the second module in one of the four channels. Herz-Phantom gemäß Anspruch 1, wobei der Hohlraum mindestens teilweise von einem Gefäß, bevorzugt einem Glaskolben, gebildet wird, welcher an dem Grundkörper luftdicht anliegt.Heart phantom according to Claim 1 , wherein the cavity is at least partially formed by a vessel, preferably a glass bulb, which lies airtight on the base body. Herz-Phantom gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Grundkörper ein weiteres Modul aufweist, welches im Modulstapel über dem ersten Modul angeordnet ist.Heart phantom according to Claim 1 or 2 , wherein the base body has a further module which is arranged in the module stack above the first module. Herz-Phantom gemäß Anspruch 3, wobei das Gefäß an seiner Zugangsöffnung ein Schraubgewinde aufweist, mittels welchem es in das das erste Modul und/oder in das weitere Modul einschraubbar ist.Heart phantom according to Claim 3 , wherein the vessel has a screw thread at its access opening, by means of which it can be screwed into the first module and / or into the further module. Herz-Phantom gemäß Anspruch 3, wobei das Gefäß mittels des weiteren Moduls an das erste Modul befestigt ist.Heart phantom according to Claim 3 , wherein the vessel is attached to the first module by means of the further module. Herz-Phantom gemäß Anspruch 2, wobei die erste und die zweite elastische Kammer in einem Formteil ausgebildet sind und eine gemeinsame Trennwand aufweisen, welche zwischen den Kanalöffnungen des ersten und zweiten Kanals einerseits und den Kanalöffnungen des dritten und vierten Kanals andererseits angeordnet ist, wenn das Formteil an dem ersten Modul dicht anliegt.Heart phantom according to Claim 2 , wherein the first and the second elastic chamber are formed in a molded part and a common Have partition, which is arranged between the channel openings of the first and second channels on the one hand and the channel openings of the third and fourth channels on the other hand when the molded part lies tightly against the first module. Herz-Phantom gemäß Anspruch 3 und 6, wobei das Formteil einen sich radial bis zum Rand des Grundkörpers erstreckenden Kragen aufweist und zugleich als Dichtung zwischen dem weiteren und dem ersten Modul fungiert.Heart phantom according to Claim 3 and 6 , wherein the molded part has a collar extending radially to the edge of the base body and at the same time functions as a seal between the further and the first module. Herz-Phantom gemäß Anspruch 3, wobei der Grundkörper ein drittes Modul aufweist, das als ein das erste und zweite Modul aufnehmendes Modul ausgebildet ist.Heart phantom according to Claim 3 , wherein the base body has a third module, which is designed as a module accommodating the first and second modules. Herz-Phantom gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Herz-Phantom aus MR-sicheren bzw. bedingt MR sicheren Materialen gefertigt ist; eine wobei diese Materialien zur Verbesserung der MR-Bildgebung mit einem Material dotiert sein können.Heart phantom according to one of the preceding claims, the cardiac phantom is made of MR-safe or conditionally MR-safe materials; one where these materials can be doped with a material to improve MR imaging. Torso-Phantom, aufweisend: ein Gehäuse, in dem das Herz-Phantom gemäß einem der Ansprüche 1-9 schwingend aufgehängt ist; und eine pneumatisch angetriebenen Aktuator, um das Herz-Phantom zur Simulation einer Zwerchfellatmung in Bewegung zu versetzen.Torso phantom, comprising: a housing in which the cardiac phantom is suspended according to any one of claims 1-9; and a pneumatically driven actuator to set the cardiac phantom in motion to simulate diaphragmatic breathing.
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