RU2731412C1 - Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов - Google Patents

Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов Download PDF

Info

Publication number
RU2731412C1
RU2731412C1 RU2020101530A RU2020101530A RU2731412C1 RU 2731412 C1 RU2731412 C1 RU 2731412C1 RU 2020101530 A RU2020101530 A RU 2020101530A RU 2020101530 A RU2020101530 A RU 2020101530A RU 2731412 C1 RU2731412 C1 RU 2731412C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
container
calibration phantom
cover
calibration
phantom
Prior art date
Application number
RU2020101530A
Other languages
English (en)
Inventor
Евгений Валерьевич Садырин
Александр Гургенович Сукиязов
Андрей Леонидович Николаев
Борис Игоревич Митрин
Андрей Сергеевич Васильев
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет", (ДГТУ)
Priority to RU2020101530A priority Critical patent/RU2731412C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2731412C1 publication Critical patent/RU2731412C1/ru

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D18/00Testing or calibrating apparatus or arrangements provided for in groups G01D1/00 - G01D15/00

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Изобретение относится к трехмерным вращательным рентгеновским средствам получения изображения для использования в компьютерной томографии и идентификации плотности отдельных участков рентгеновского изображения. Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов, содержащее герметичный контейнер с жидкостью, в котором укреплен объект исследования и составной цилиндрический калибровочный фантом, отличающееся тем, что на крышке контейнера находятся два намагниченных по толщине взаимно притягивающихся магнита, один из которых, управляющий, расположен на внешней стороне упомянутой крышки и выполнен с возможностью перемещения по поверхности крышки, а другой, управляемый – на её внутренней стороне, при этом с внутренним магнитом жестко связана немагнитная трубка, ориентированная перпендикулярно плоскости крышки, внутрь трубки вставлен немагнитный шток, положение которого фиксируется за счет трения, на свободном конце штока укреплен калибровочный фантом, установленный соосно с осью вращения контейнера в непосредственной близости к исследуемой области объекта. Изобретение обеспечивает возможность изменения позиции составного цилиндрического калибровочного фантома относительно интересуемой области объекта исследования без нарушения герметичности контейнера. 5 ил.

Description

Изобретение относится к трехмерным вращательным рентгеновским средствам получения изображения для использования в компьютерной томографии и идентификации плотности отдельных участков рентгеновского изображения. Изобретение может быть использовано при исследованиях в направлении физического и стоматологического материаловедения, например при исследовании физико-химических механизмов повреждения зубной эмали.
Технология рентгеновской компьютерной томографии (КТ) разработана в начале 1970-х годов и позволяет неразрушающим образом исследовать внутреннюю структуру объекта, как природного, так и искусственного происхождения. Проекции изучаемого объекта при прохождении через него рентгеновских фотонов под разными углами обзора реконструируются для получения набора виртуальных сечений объекта. При этом обычная рентгенография ограничивается предоставлением двумерных изображений, которые представляют собой суммирование поглощенных фотонов в исследуемом материала вдоль пути рентгеновского излучения, генерируемого источником. Пространственное разрешение КТ для применения в медицине обычно составляет около 1 мм3 (минимальный геометрический элемент - воксель - реконструированного объемного изображения является кубом стороной около 1 мм), при этом современные системы компьютерной рентгеновской компьютерной микротомографии (микро-КТ) способны получать трехмерные изображения объекта с разрешением, меньшим 1 мкм3. Помимо оценки геометрии исследуемого объекта, КТ применяется для изучения плотности минерализации на основе значений по шкале серого цвета (от 0 до 65535) изображения КТ, позволяющей визуализировать затухание рентгеновского излучения, проходящего через образец. Ряд работ демонстрируют, что значения данной шкалы пропорциональны плотности минерализации. Для количественного определения плотности минерализации требуется калибровка зависимости значения серого от плотности изучаемого образца для конкретных условий проведения томографии (температура, влажность, среда, позиция источника излучения и детектора по отношению друг к другу). С этой целью помещают рядом с исследуемым образцом другой образец - калибровочный фантом, который представляет собой эталон с известными значениями плотности его составляющих.
Для минимизации погрешности измерения и получения максимальной детализации итоговой реконструкции необходимо:
- провести позиционирование калибровочного фантома как можно ближе к исследуемому объекту;
- установить калибровочный фантом по оси вращения предметного столика микро-КТ над или под образцом;
- соблюсти соразмерность исследуемой области и калибровочного фантома.
Таким образом, для исследования локального участка образца, например, не целого зуба, а одного из его жевательных бугорков на предмет количественного снижения плотности минерализации в области кариеса, оператору необходимо провести следующее позиционирование: подвести в емкости с дистиллированной водой калибровочный фантом соразмерный с жевательным бугорком по оси вращения бугорка под или над ним, и зафиксировать его таким образом, чтобы он не перекрыл исследуемую область зуба.
Известны применения калибровочных фантомов при медико-биологических исследования на томографах. Например, (U.S. Patent 5,335,260, G01D 18/00, Aug. 2, 1994), согласно которому рентгеновский снимок биологического объекта (руки человека), находящегося в контейнере с жидкостью производится одновременно с расположенным рядом калибровочным объектом, который имеет вид ступенчатого параллелограмма и выбранного для эталона материала; ступенчатый ослабитель. Степень поглощения рентгеновских лучей связывается с плотностью материала тем, что она зависит как от плотности, так и от толщины. Известен также другой вид калибровочного фантома (U.S. Patent, 4,985,906, GON 23/00, Jan. 15, 1991), который представляет собой систему параллельных цилиндрических емкостей, запаленных жидкостями различной плотности. Данный калибровочный фантом располагается непосредственно на исследуемом биологическом объекте или под ним. Основным недостатком приведенных аналогов является недостаточная точность, обусловленная тем, что при 3-d рентгеновских снимков с помощью томографа, для разных проекций рентгеновские лучи проходят через калибровочный фантом по-разному. Поэтому, приемлемая точность будет только при определенной проекции изображения.
Известны применения калибровочных фантомов для микробиологических объектов, например, тканей парадонта: (RU №2320267 С2 М. Кл. А61В 6/00, опубл. 27.03.2008). В данном аналоге используется ступенчатый калибровочный фантом. Для повышения точности размер фантома соизмерим с размером объекта (зуба). Однако он, как и в предыдущих аналогах, находится с одной стороны объекта и разным образом проявляется при различных проекциях, что снижает точность и технологические возможности, т.к. актуален только для одной проекции.
Наиболее близкой по технической сущности является решение проблемы калибровочного фантома, позволяющего проводить оценку плотности объекта при любой проекции объекта является изготовление калибровочного фантома в виде соосного набора дисков из материалов различной плотности, ось которого совпадает с осью вращения в томографе (Alyahya, A., Alqareer, A. and Swain, М, 2019. Microcomputed Tomography Calibration Using Polymers and Minerals for Enamel Mineral Content Quantitation. Medical Principles and Practice, 28(3), pp. 247-255). Сам объект находится в герметичном контейнере с жидкостью. Калибровочные диски имеют размер, соизмеримый с исследуемым зубом. При таком решении для любой проекции изображение калибровочного фантома будет иметь одинаковый вид. Это значительно расширяет технологические возможности метода и повышает его точность. Недостатком приведенного технического решения является невозможность оперативного изменения положения оси калибровочных фантомов. Кроме того, в ряде случаев требуется исследовать область объекта небольшого объема, расположенную вне оси объекта. Для этого имеется возможность изменить ось вращения путем параллельно смещения контейнера.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства позиционирования дискового калибровочного фантома относительно заданного положения оси вращения объекта без нарушения герметичности контейнера с жидкостью, что должно расширить технологические возможности и точность определения плотности материала объекта в микрообластях.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов, содержащее герметичный контейнер с жидкостью, в котором укреплен объект исследования и составной цилиндрический калибровочный фантом, при этом на крышке контейнера находятся два намагниченных по толщине взаимно притягивающихся магнита, один из которых, управляющий, расположен на внешней стороне упомянутой крышки, и выполнен с возможностью перемещения по поверхности крышки, а другой управляемый - на ее внутренней стороне, при этом с внутренним магнитом жестко связана немагнитная трубка, ориентированная перпендикулярно плоскости крышки, внутрь трубки вставлен немагнитный шток, положение которого фиксируется за счет трения, на свободном конце штока укреплен калибровочный фантом, установленный соосно с осью вращения контейнера в непосредственной близости к исследуемой области объекта.
Технический результат, состоящий в возможности изменения позиции составного цилиндрического калибровочного фантома относительно интересуемой области объекта исследования без нарушения герметичности контейнера с помощью двух намагниченных по толщине взаимно притягивающихся магнита, один из которых (управляющий) расположен на внешней стороне крышки контейнера, а другой (управляемый) - на ее внутренней стороне, при этом с внутренним магнитом жестко связана легкая немагнитная трубка, ориентированная перпендикулярно плоскости крышки, внутрь трубки вставлен немагнитный шток, положение которого фиксируется за счет трения, на свободном конце штока укреплен калибровочный фантом. Перед проведением исследований на рентгеновском микро томографом составной калибровочный цилиндрический фантом устанавливают соосно с осью вращения контейнера в непосредственной близости к исследуемой области объекта.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на
фиг. 1 - приведена конструкция устройства позиционирования калибровочного фантома;
фиг. 2 - приведено пояснение взаимодействия управляющего и управляемого магнита;
фиг. 3 - фотография экспериментального контейнера для исследования выделенной области зуба на рентгеновском микротомографе, закрепленном на стандартном держателе образцов установки Versa 520 (Zeiss, США);
фиг. 4 - калибровка зависимости значения серого от плотности изучаемого образца;
фиг. 5 - результаты исследований объекта с калибровочным фантомом, полученные с использование ПО VGstudio Max (Volume Graphics, Германия).
Устройство позиционирования калибровочного фантома содержит герметичный контейнер 1 с жидкостью, в котором укреплен объект исследования 2 и составной цилиндрический калибровочный фантом 3. Контейнер закрывается герметично крышкой 4 на которой находятся два намагниченных по толщине взаимно притягивающихся магнита 5 и 6. Верхний магнит 5, является управляющим. Нижний магнит 6 является управляемым и, благодаря магнитному притяжению к магниту 5, всегда находится под ним. С управляемым магнитом 6 жестко связана легкая немагнитная трубка 7, внутрь которой с трением вставлен металлический или пластмассовый пруток 8, на свободном конце которого укреплен калибровочный фантом 3, представляющий собой набор дисков из материалов различной плотности.
Устройство работает следующим образом. Контейнер 1 для исследуемого микрообъекта подготавливается предварительно: укрепляется объект 2, выбирается ось вращения контенера 9 рентгеновском микротомографе. С помощью регулируемого прутка 8 фиг. 1) устанавливается вертикальное положение калибровочного фантома 3. Крышка 4 фиксируется на контейнере 1. Управляющий магнит 5 перемещается по поверхности крышки так, чтобы его ось совпала с осью вращения контейнера 9. При этом управляемый магнит 6 вместе с калибровочным фантомом 3 переместится в нужное положение. После этого можно проводить исследование на микротомографе.
Для доказательства реализуемости и работоспособности предлагаемого изобретения был изготовлен лабораторный макет. В качестве контейнера использован пластмассовый одноразовый шприц 15 мл. Верхняя крышка изготовлена из плексигласа толщиной 0,8 мм. В качестве управляющего и управляемого магнитов использованы неодимовые магниты в форме цилиндров диаметром 4 и высотой 4 мм. Калибровочный фантом изготовлен из набора трех кубиков с скругленными гранями (около 1 мм): магниевый сплав Ма2-1.м (плотность составляет 1,78 г/см3), алюминиевый спеченый сплав САС 1-400 (плотность составляет 2,69 г/см3), титан ВТ 1-0 (плотность составляет 4,5 г/см3). Пруток 8 изготовлен из алюминия.
Фотография лабораторного макета приведена на фиг. 2. Экспериментальные исследования зуба с использованием предлагаемого устройства позиционирования проведены на установке Versa 520 (Zeiss, США). Образец представляет собой шлиф (тонкая пластина) верхнечелюстного моляра человека, удаленного у пациента в стоматологическом отделении клиники Ростовского государственного медицинского университета по ортодонтическим причинам (комитет по этике Ростовского государственного медицинского университета одобрил исследование, в котором был использован данный зуб (Sadyrin и соавт., 2020), пациент дал информированное согласие). Были применены следующие параметры сканирования: напряжение рентгеновской трубки 80 кВ, ток 81 мкА, размер пикселя 40 мкм, вращение образца на 360°, время экспозиции 1 с. В процессе сканирования получена 2001 проекция образца с калибровочными фантомами.
В качестве контейнера был использован одноразовый шприц 5 мл. Образец зуба 2 фиксировался на дне шприца стомотологическим воском 10. Калибровочный фантом 3 ориентируется по выбранной оси вращения 9. Контейнер с помощью обрезка иглы 11 фиксировался в патроне 12, укрепленном на стойке 13 стандартного держателя образцов 14 установки Versa 520 (Zeiss, США). В микротомографе столик укреплялся так, чтобы указанные элементы были коаксиальны.
На фиг. 3 представлена калибровочный график, полученный на основании обработки данных плотности минерализации составляющих калибровочного фантома с градациями значений серого цвета на рентгенограмме. С помощью этого градуировочного графика находилась плотность исследуемого объекта в требуемой точке.
На фиг. 4 представлены результаты эксперимента совместно со шкалой плотности.
Таким образом, экспериментальные исследования показали работоспособность предлагаемого изобретения и высокую эффективность в позиционировании калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов.

Claims (1)

  1. Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов, содержащее герметичный контейнер с жидкостью, в котором укреплен объект исследования и составной цилиндрический калибровочный фантом, отличающееся тем, что на крышке контейнера находятся два намагниченных по толщине взаимно притягивающихся магнита, один из которых, управляющий, расположен на внешней стороне упомянутой крышки и выполнен с возможностью перемещения по поверхности крышки, а другой, управляемый - на ее внутренней стороне, при этом с внутренним магнитом жестко связана немагнитная трубка, ориентированная перпендикулярно плоскости крышки, внутрь трубки вставлен немагнитный шток, положение которого фиксируется за счет трения, на свободном конце штока укреплен калибровочный фантом, установленный соосно с осью вращения контейнера в непосредственной близости к исследуемой области объекта.
RU2020101530A 2020-01-16 2020-01-16 Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов RU2731412C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020101530A RU2731412C1 (ru) 2020-01-16 2020-01-16 Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020101530A RU2731412C1 (ru) 2020-01-16 2020-01-16 Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2731412C1 true RU2731412C1 (ru) 2020-09-02

Family

ID=72421617

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020101530A RU2731412C1 (ru) 2020-01-16 2020-01-16 Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2731412C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4985906A (en) * 1987-02-17 1991-01-15 Arnold Ben A Calibration phantom for computer tomography system
US5335260A (en) * 1992-11-25 1994-08-02 Arnold Ben A Calibration phantom and improved method of quantifying calcium and bone density using same
RU2320267C2 (ru) * 2005-12-12 2008-03-27 Татьяна Андреевна Гайдарова Метод использования рентгеноморфометрии для оценки минеральной плотности костной ткани альвеолярной кости
RU186961U1 (ru) * 2018-07-10 2019-02-11 Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы "Научно-практический центр медицинской радиологии Департамента здравоохранения города Москвы" (ГБУЗ "НПЦМР ДЗМ") Устройство фантома для проведения испытаний рентгеновских методов остеоденситометрии

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4985906A (en) * 1987-02-17 1991-01-15 Arnold Ben A Calibration phantom for computer tomography system
US5335260A (en) * 1992-11-25 1994-08-02 Arnold Ben A Calibration phantom and improved method of quantifying calcium and bone density using same
RU2320267C2 (ru) * 2005-12-12 2008-03-27 Татьяна Андреевна Гайдарова Метод использования рентгеноморфометрии для оценки минеральной плотности костной ткани альвеолярной кости
RU186961U1 (ru) * 2018-07-10 2019-02-11 Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы "Научно-практический центр медицинской радиологии Департамента здравоохранения города Москвы" (ГБУЗ "НПЦМР ДЗМ") Устройство фантома для проведения испытаний рентгеновских методов остеоденситометрии

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Alyahya, A., Alqareer, A. and Swain, M., 2019. Microcomputed Tomography Calibration Using Polymers and Minerals for Enamel Mineral Content Quantitation. Medical Principles and Practice, 28(3), pp.247-255. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pfeiffer et al. Hard x-ray phase tomography with low-brilliance sources
Davis et al. X-ray microtomography of bones and teeth
Clarkson et al. Characterization of image quality and image‐guidance performance of a preclinical microirradiator
Dowker et al. X-ray microtomography: nondestructive three-dimensional imaging for in vitro endodontic studies
JP6297504B2 (ja) デジタルラジオグラフィのための装置および方法
JP5606455B2 (ja) 逆投影のためのイメージング装置及びその作動方法
JPH01202685A (ja) X線エネルギーの測定方法
Parsons et al. High‐resolution visualization of airspace structures in intact mice via synchrotron phase‐contrast X‐ray imaging (PCXI)
Zhang et al. Visualising liver fibrosis by phase-contrast X-ray imaging in common bile duct ligated mice
JP2017127624A (ja) X線回折分光用コリメータ、関連装置およびその使用
WO2009156898A2 (en) Medical x-ray examination apparatus and method for k-edge imaging
JP2008119020A (ja) 検出値較正方法、x線ct装置、較正用ファントムおよび保持具
RU2731412C1 (ru) Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов
Reimann et al. A cone beam computed tomography system for true 3D imaging of specimens
Ejima et al. Influence of metal artifacts on in vivo micro-CT for orthodontic mini-implants
Orhan et al. Fundamentals of Micro-CT Imaging
Braga Non‐invasive imaging techniques
Lin et al. Microcomputed tomography
JP5557266B2 (ja) 蛍光エックス線検出装置
Mittone et al. High resolution hard X-ray 3D mapping of a Macaca fascicularis eye: A feasibility study without contrast agents
RU2400141C2 (ru) Способ определения минеральной плотности костной ткани
Seifert et al. Resolving power of 3D x-ray microtomography systems
Vavrik et al. Direct thickness calibration: way to radiographic study of soft tissues
Forsberg A method for experimental dental radiography
Kumakhov et al. Scattered X-rays in medical diagnostics