RU220592U1

RU220592U1 - Thyroid phantom for ultrasound research

Info

Publication number: RU220592U1
Application number: RU2023113020U
Authority: RU
Inventors: Денис Владимирович Леонов; Дарья Викторовна Лейченко; Анастасия Александровна Насибуллина; Юлия Владиславовна Булгакова; Ольга Васильевна Омелянская; Юрий Александрович Васильев
Filing date: 2023-05-19
Publication date: 2023-09-22

Abstract

Полезная модель относится к области медицины, биомедицинского моделирования, в частности - к фантомам для исследований щитовидной железы, и может использоваться в лабораториях ультразвуковой визуализации для обучения специалистов по проведению ультразвуковой диагностики щитовидной железы, манипуляций с ультразвуковой навигацией, проверки оборудования и создания новых диагностических методик и приборов. Из уровня техники известен фантом щитовидной железы [Thyroid Ultrasound Training Phantom. CIRS. https://www.doza.ru/catalog/ultrasound_training_phantoms/2882/], выполненный в форме шеи, содержащий модели щитовидной железы, окружающих железу мягких тканей, трахеи, внутренней яремной вены и общей каротидной артерии как внутренние анатомические ориентиры. Недостатком данного технического решения является его низкая детализация, вызванная отсутствием многих важных анатомических ориентиров, таких как кости, хрящи, лимфатические узлы, позвоночные артерии. В отличие от данного прототипа предлагаемая полезная модель содержит модели костей, хрящей, лимфатических узлов, позвоночных артерий. За счет этого достигается большая реалистичность и расширяется область применения. Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание фантома для ультразвуковых исследований, характеризующегося реалистичностью моделирования и следующей из этого реалистичностью условий наблюдения при помощи средств ультразвуковой диагностики. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение степени соответствия структуры фантома структуре щитовидной железы человека и следующее из этого повышение реалистичности условий проведения ультразвуковых экспериментов в целях обучения специалистов и тем самым повышение качества освоения методик ультразвуковой диагностики и манипуляций под контролем ультразвуковой визуализации, выполняемых с использованием фантома. Работа с фантомом обеспечит получение навыков дифференциальной диагностики узловых образований щитовидной железы, оценки размеров щитовидной железы и узловых образований щитовидной железы, навыка введения иглы для взятия биопсийной пробы. The utility model relates to the field of medicine, biomedical modeling, in particular to phantoms for thyroid research, and can be used in ultrasound imaging laboratories to train specialists in ultrasound diagnostics of the thyroid gland, manipulations with ultrasound navigation, testing equipment and creating new diagnostic techniques and devices. A thyroid phantom [Thyroid Ultrasound Training Phantom. CIRS. https://www.doza.ru/catalog/ultrasound_training_phantoms/2882/], made in the shape of a neck, containing models of the thyroid gland, soft tissue surrounding the gland, trachea, internal jugular vein and common carotid artery as internal anatomical landmarks. The disadvantage of this technical solution is its low detail, caused by the absence of many important anatomical landmarks, such as bones, cartilage, lymph nodes, and vertebral arteries. Unlike this prototype, the proposed utility model contains models of bones, cartilage, lymph nodes, and vertebral arteries. Due to this, greater realism is achieved and the scope of application is expanded. The task to be solved by the claimed utility model is the creation of a phantom for ultrasound research, characterized by realistic modeling and the resulting realistic observation conditions using ultrasound diagnostic tools. The technical result provided by the given set of features is to increase the degree of correspondence of the phantom structure to the structure of the human thyroid gland and the resulting increase in the realism of the conditions for conducting ultrasound experiments for the purpose of training specialists and thereby improving the quality of mastering ultrasound diagnostic techniques and manipulations under the control of ultrasound imaging performed with using a phantom. Working with a phantom will provide skills in differential diagnosis of thyroid nodules, assessment of the size of the thyroid gland and thyroid nodules, and the skill of inserting a needle to take a biopsy sample.

Description

Полезная модель относится к области медицины, биомедицинского моделирования, в частности - к фантомам для исследований щитовидной железы, и может использоваться в лабораториях ультразвуковой визуализации для обучения специалистов по проведению ультразвуковой диагностики щитовидной железы, манипуляций с ультразвуковой навигацией, проверки оборудования и создания новых диагностических методик и приборов.The utility model relates to the field of medicine, biomedical modeling, in particular to phantoms for thyroid research, and can be used in ultrasound imaging laboratories to train specialists in ultrasound diagnostics of the thyroid gland, manipulations with ultrasound navigation, testing equipment and creating new diagnostic techniques and devices.

Из уровня техники известен фантом [1], содержащий модель щитовидной железы, изготовленную из желатина, модель трахеи, изготовленную из пластиковой бутылки, и модель окружающих щитовидную железу и трахею мягких тканей, изготовленных из желатина. Желатин, выбранный для моделирования мягких тканей, близок по некоторым параметрам к тканям человека, так, например, скорость звука в желатине близка к скорости звука в мягких тканях человека, обычно принимаемой равной 1540 метрам в секунду. Недостатком данного технического решения является то, что выбранный материал для имитации мягких тканей недолговечен, подвержен высыханию и появлению бактерий, делающих его непригодным для долговременного применения.A phantom [1] is known from the prior art, containing a model of the thyroid gland made of gelatin, a model of the trachea made of a plastic bottle, and a model of the soft tissues surrounding the thyroid gland and trachea made of gelatin. The gelatin chosen for modeling soft tissues is close in some parameters to human tissues, for example, the speed of sound in gelatin is close to the speed of sound in human soft tissues, usually taken to be 1540 meters per second. The disadvantage of this technical solution is that the selected material for simulating soft tissue is short-lived, susceptible to drying out and the appearance of bacteria, making it unsuitable for long-term use.

Также из уровня техники известен фантом щитовидной железы [2], выполненный в форме шеи, содержащий модели щитовидной железы, окружающих железу мягких тканей, трахеи, внутренней яремной вены и сонной артерии как внутренние анатомические ориентиры. Каждая доля фантома щитовидной железы содержит имитации одной кисты и одного изоэхогенного узлового образования. Недостатком данного технического решения является его низкая детализация, вызванная отсутствием многих важных анатомических ориентиров, таких как кости, хрящи, лимфатические узлы, позвоночные артерии.Also known from the prior art is a thyroid gland phantom [2], made in the shape of a neck, containing models of the thyroid gland, soft tissues surrounding the gland, trachea, internal jugular vein and carotid artery as internal anatomical landmarks. Each lobe of the thyroid phantom contains simulations of one cyst and one isoechoic nodule. The disadvantage of this technical solution is its low detail, caused by the absence of many important anatomical landmarks, such as bones, cartilage, lymph nodes, and vertebral arteries.

Фантом [2] взят в качестве наиболее близкого аналога заявленного устройства. В отличие от прототипа предлагаемая полезная модель содержит модели костей, хрящей, лимфатических узлов, позвоночных артерий. За счет этого достигается большая реалистичность и расширяется область применения.Phantom [2] is taken as the closest analogue of the claimed device. Unlike the prototype, the proposed utility model contains models of bones, cartilage, lymph nodes, and vertebral arteries. Due to this, greater realism is achieved and the scope of application is expanded.

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание фантома для ультразвуковых исследований, характеризующегося точностью имитирования щитовидной железы человека и следующей из этого реалистичностью условий наблюдения при помощи средств ультразвуковой диагностики.The task to be solved by the claimed utility model is the creation of a phantom for ultrasound research, characterized by the accuracy of simulating the human thyroid gland and the resulting realistic observation conditions using ultrasound diagnostic tools.

Решение данной задачи достигается тем, что предлагаемое устройство, в отличие от технического решения [2], содержит кости, хрящи, лимфатические узлы, позвоночные артерии.The solution to this problem is achieved by the fact that the proposed device, in contrast to the technical solution [2], contains bones, cartilage, lymph nodes, and vertebral arteries.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение степени соответствия структуры фантома структуре щитовидной железы человека и следующее из этого повышение реалистичности условий проведения ультразвуковых экспериментов в целях обучения специалистов и, тем самым, повышение качества освоения методик ультразвуковой диагностики и манипуляций под контролем ультразвуковой визуализации, выполняемых с использованием фантома.The technical result provided by the given set of features is to increase the degree of correspondence of the phantom structure to the structure of the human thyroid gland and the resulting increase in the realism of the conditions for conducting ultrasound experiments for the purpose of training specialists and, thereby, improving the quality of mastering ultrasound diagnostic techniques and manipulations under the control of ultrasound imaging, performed using a phantom.

На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого технического решения. Устройство состоит из имитирующего мягкие ткани звукопроводящего материала 1, модели щитовидной железы 2, модели узлового образования 3, модели трахеи 4, модели шейного отдела позвоночника 5, модели ключицы 6, модели ребер 7, модели грудины 8, модели сонной артерии 9, модели яремной вены 10, модели позвоночной артерии 11, модели лимфатических узлов 12, модель хряща 13.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed technical solution. The device consists of a sound-conducting material simulating soft tissue 1, a thyroid gland model 2, a nodule model 3, a trachea model 4, a cervical spine model 5, a clavicle model 6, a rib model 7, a sternum model 8, a carotid artery model 9, a jugular vein model 10, vertebral artery models 11, lymph node models 12, cartilage model 13.

Все элементы фантома расположены так, чтобы обеспечить наилучшую имитацию анатомического расположения моделируемых органов человека и связаны между собой следующим образом. Модель щитовидной железы 2 расположена поверх модели трахеи 4, модель узлового образования 3 находится внутри модели щитовидной железы 2, модель трахеи 4 расположена перед моделью шейного отдела позвоночника 5, модель ключицы 6, модель ребер 7, модель грудины 8 расположены в нижней части фантома у основания модели трахеи 4, модель сонной артерии 9 расположена в направлении модели трахеи 4 и в непосредственной близости от нее (в среднем 10-20 мм), модель яремной вены 10 расположена в направлении модели трахеи 4 и в непосредственной близости от нее (в среднем 15-25 мм), модель позвоночной артерии 11 проходит в непосредственной близости модели шейного отдела позвоночника 5, модель лимфатических узлов 12 примыкает к модели яремной вены 10, модель хряща 13 огибает модель трахеи 4. Элементы 2-13 находятся внутри имитирующего мягкие ткани звукопроводящего материала 1.All elements of the phantom are located in such a way as to provide the best imitation of the anatomical location of the simulated human organs and are interconnected as follows. Thyroid model 2 is located on top of trachea model 4, nodule model 3 is inside thyroid model 2, trachea model 4 is located in front of cervical spine model 5, clavicle model 6, rib model 7, sternum model 8 are located in the lower part of the phantom at the base trachea model 4, carotid artery model 9 is located in the direction of trachea model 4 and in close proximity to it (on average 10-20 mm), jugular vein model 10 is located in the direction of trachea model 4 and in close proximity to it (on average 15- 25 mm), the vertebral artery model 11 passes in close proximity to the cervical spine model 5, the lymph node model 12 is adjacent to the jugular vein model 10, the cartilage model 13 goes around the trachea model 4. Elements 2-13 are located inside the sound-conducting material 1 simulating soft tissue.

Все формирующие фантом модели получены в результате сегментации и анализа томограмм.All models forming the phantom were obtained as a result of segmentation and analysis of tomograms.

На Фиг. 2 представлен пример изготовленного фантома щитовидной железы для ультразвуковых исследований.In FIG. Figure 2 shows an example of a manufactured thyroid gland phantom for ultrasound studies.

На Фиг. 3 и 4 показаны модели костей, хрящей и модель щитовидной железы, являющиеся частью фантома.In FIG. Figures 3 and 4 show bone, cartilage, and thyroid models that are part of the phantom.

На Фиг. 5-7 показаны сонограммы фантома, представляющего собой один из вариантов осуществления полезной модели. На Фиг. 5 - снимок модели щитовидной железы 2 с моделью узлового образования 3. На Фиг. 6 - модель сонной артерии 9 над моделью яремной вены 10. Модель сонной артерии выполнена с диаметром от 5 до 7 мм, модель яремной вены выполнена с диаметром от 10 до 15 мм. На Фиг. 7 - модель щитовидной железы 2 над моделью трахеи 4. Размер модели щитовидной железы над моделью трахеи составил 6,72 мм.In FIG. 5-7 show sonograms of a phantom, which is one of the embodiments of the utility model. In FIG. 5 is a snapshot of a model of the thyroid gland 2 with a model of nodular formation 3. In FIG. 6 - model of the carotid artery 9 above the model of the jugular vein 10. The model of the carotid artery is made with a diameter of 5 to 7 mm, the model of the jugular vein is made with a diameter of 10 to 15 mm. In FIG. 7 - model of the thyroid gland 2 above the model of the trachea 4. The size of the thyroid gland model above the trachea model was 6.72 mm.

Работает устройство следующим образом. На ультразвуковой датчик сканера наносят гель, датчик прикладывают к фантому и выполняют сканирование. На экране сканера наблюдают модель щитовидной железы 2 с моделью узлового образования 3, оценивают размер модели узлового образования, в фантом вводят иглу, стараясь попасть в модель узлового образования. В качестве имитирующего мягкие ткани звукопроводящего материала может использоваться пластизоль, он дольше сохраняет свои свойства, чем желе на основе агар-агара и желатина. В качестве материала для изготовления модели костей используют PLA пластик, поскольку он не вступает в химическое взаимодействие в пластизолем. Ультразвуковой датчик устанавливается в контакте со звукопроводящим веществом в необходимом для исследования положении, положение датчика выбирается исследователем. При этом на экране ультразвукового медицинского диагностического устройства видны интересующие исследователя части фантома в серошкальном режиме или параметры жесткости ткани в режиме эластографии.The device works as follows. Gel is applied to the ultrasound sensor of the scanner, the sensor is applied to the phantom and scanning is performed. A model of the thyroid gland 2 with a model of nodule 3 is observed on the scanner screen, the size of the model of the nodule is assessed, a needle is inserted into the phantom, trying to get into the model of the nodule. Plastisol can be used as a sound-conducting material simulating soft tissue; it retains its properties longer than jelly based on agar-agar and gelatin. PLA plastic is used as a material for making bone models, since it does not react chemically with plastisol. The ultrasonic sensor is installed in contact with a sound-conducting substance in the position required for the study; the position of the sensor is selected by the researcher. At the same time, on the screen of an ultrasound medical diagnostic device, parts of the phantom of interest to the researcher are visible in the gray scale mode or tissue stiffness parameters in the elastography mode.

При изготовлении образца мы предварительно напечатали на 3D принтере Picasso X Pro из пластика PLA форму для заливки размером 200×180×150 мм. В ней разместили предварительно напечатанную на 3D принтере Picasso X Pro из пластика PLA модель костей (Фиг. 3), хрящей, изготовленные из пластизоля модели сосудов, модель щитовидной железы (Фиг. 4) и модель лимфатических узлов. Поскольку для изготовления заливочной формы можно использовать программируемую 3D печать, позволяющую создавать модели из пластиков с большой детализацией, то форма фантома может моделироваться для последующей печати таким образом, чтобы в наибольшей степени соответствовать анатомическим особенностям моделируемого органа.When making the sample, we pre-printed a pouring mold measuring 200x180x150 mm on a Picasso X Pro 3D printer from PLA plastic. It contained a model of bones (Fig. 3), cartilage, vascular models made from plastisol, a model of the thyroid gland (Fig. 4) and a model of lymph nodes, pre-printed on a Picasso X Pro 3D printer from PLA plastic. Since programmable 3D printing can be used to make a casting mold, which allows you to create models from plastics with great detail, the shape of the phantom can be modeled for subsequent printing in such a way as to best match the anatomical features of the organ being modeled.

Фантом может использоваться для тренировки у врачей ультразвуковой диагностики навыков выявления характерных анатомических характеристик и патологий, в особенности, патологий щитовидной железы. Как видно из Фиг. 5-7, с помощью фантома можно получить сонограммы с четко различимыми контурами модели щитовидной железы, модели узлового образования, модели сонной артерии и модели яремной вены.The phantom can be used to train ultrasound diagnostic doctors to identify characteristic anatomical characteristics and pathologies, especially pathologies of the thyroid gland. As can be seen from FIG. 5-7, using the phantom, it is possible to obtain sonograms with clearly distinguishable contours of the thyroid gland model, nodule model, carotid artery model and jugular vein model.

На Фиг. 8 и 9 показаны сонограммы фантомов, представляющих собой дополнительные варианты осуществления полезной модели. На Фиг. 8 показан пример размещения модели трахеи 4, щитовидной железы 2, модели сонной артерии 9, модели яремной вены 10 и модели лимфатического узла 12. На Фиг. 9 показан другой пример размещения модели трахеи 4, щитовидной железы 2, модели сонной артерии 9, модели яремной вены 10 и модели лимфатического узла 12, а также модели узлового образования 3.In FIG. 8 and 9 show sonograms of phantoms, which are additional embodiments of the utility model. In FIG. 8 shows an example of the placement of the trachea model 4, the thyroid gland 2, the carotid artery model 9, the jugular vein model 10 and the lymph node model 12. FIG. 9 shows another example of placement of trachea model 4, thyroid gland 2, carotid artery model 9, jugular vein model 10 and lymph node model 12, as well as nodule model 3.

Работа с фантомом обеспечит получение навыков дифференциальной диагностики узловых образований щитовидной железы, оценки размеров щитовидной железы и образований щитовидной железы, навыка введения иглы для взятия биопсийной пробы. Фантом позволяет развить зрительно-моторную координацию и освоить особенности ультразвукового исследования щитовидной железы.Working with a phantom will provide skills in differential diagnosis of thyroid nodules, assessment of the size of the thyroid gland and thyroid formations, and the skill of inserting a needle to take a biopsy sample. The phantom allows you to develop hand-eye coordination and master the features of ultrasound examination of the thyroid gland.

Источники информацииInformation sources

1. АА Hakimi, WB Armstrong. Improving on the Do-It-Yourself Ultrasound-Guided Fine-Needle Aspiration Simulation Phantom. JUM. Volume 40, Issue 4, April 2021. PP: 815-819. https://doi.org/10.1002/jum.154611. AA Hakimi, WB Armstrong. Improving on the Do-It-Yourself Ultrasound-Guided Fine-Needle Aspiration Simulation Phantom. JUM. Volume 40, Issue 4, April 2021. PP: 815-819. https://doi.org/10.1002/jum.15461

2. Thyroid Ultrasound Training Phantom. CIRS. URL: https://www.doza.ru/catalog/ultrasound_training_phantoms/2882/2. Thyroid Ultrasound Training Phantom. CIRS. URL: https://www.doza.ru/catalog/ultrasound_training_phantoms/2882/

Claims

A thyroid gland phantom for ultrasound studies, made in the shape of a neck and containing models of the thyroid gland, soft tissues surrounding the thyroid gland, trachea, internal jugular vein and carotid artery, characterized in that it additionally contains a 3D printed model of the cervical spine located behind trachea models, clavicle model, rib model, sternum model, located in the lower part of the phantom at the base of the trachea model, vertebral artery model, lymph node model, cartilage model, vertebral artery model passes through the cervical spine model, lymph node model is adjacent to the jugular model veins, a cartilage model goes around a trachea model, models of bones and cartilage are made of PLA plastic, models of vessels, lymph nodes and the thyroid gland are made of plastisol, while all models are located inside a sound-conducting material simulating soft tissues and are obtained as a result of tomogram segmentation.