RU2797398C1 - Способ изготовления фантома для ультразвуковых исследований - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области биомедицинского моделирования. Согласно способу изготовления фантома для ультразвуковых исследований готовят модели включений из поливинилхлоридного пластизоля и примеси для моделирования эхогенности. Берут форму для заливки фантома и размещают в ней модели включений. Форму и модели включений заливают поливинилхлоридным пластизолем, предварительно нагретым до температуры, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро, и имитирующим основные ткани после застывания, возникающего при охлаждении до комнатной температуры. После застывания фантом вынимают из формы для заливки и используют для обучения ультразвуковому исследованию. Предварительно методом трехмерного моделирования и прототипирования изготавливают корпус фантома, для чего используют материал, химически не взаимодействующий с материалом, имитирующим основные ткани. При изготовлении моделей включений используют поливинилхлоридные пластизоли, жесткость которых соответствует жесткости моделируемого включения. Моделям включений придают форму, которая соответствует форме моделируемого включения; и эхогенность, которая соответствует эхогенности моделируемого включения. При изготовлении модели основной ткани органа жидкий поливинилхлоридный пластизоль, нагретый до температуры, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро, заливают в форму для заливки послойно, между слоями размещают модели включений. Технический результат состоит в обеспечении формы, эхогенности и жесткости включений, приближенных к включениям, встречающимся при ультразвуковом исследовании пациентов. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к области биомедицинского моделирования, в частности - к изготовлению моделей для ультразвуковых исследований, и может использоваться в лабораториях ультразвуковой визуализации или на курсах повышения квалификации врачей ультразвуковой диагностики. Фантомы обладают известными характеристиками, потому могут быть использованы для обучения специалистов проведению ультразвуковой диагностики и создания новых диагностических методик и приборов.

В настоящее время обучение врачей проводят по традиционной схеме «наставник - ученик», а объектами исследования являются люди. Для получения практических навыков требуется многократное проведение процедуры, это занимает много времени со стороны как обучаемого, так и наставника. При этом один наставник может обучать одновременно ограниченное количество учеников. Таким образом, данный метод обучения требует хорошо подготовленного медицинского персонала и длительного времени для выработки профессиональных навыков.

Для упрощения процесса обучения используют специальные модели, которые называются фантомами.

Из уровня техники известен способ изготовления фантома [Ошибка! Источник ссылки не найден.], согласно которому берут форму для заливки фантома и при помощи креплений в форму подвешивают на нити предварительно изготовленные из поливинилхлоридного пластизоля сферические включения, затем форму заливают смесью поливинилхлоридного пластизоля с 1% графита, которая после застывания моделирует железистую ткань, в результате получают фантом с включениями.

К недостаткам этого способа относятся:

- невозможность моделировать различную жесткость тканей и, следовательно, непригодность фантома для эластографических исследований;

- отсутствие антропоморфности формы фантома, снижающее его ценность для обучения;

- невозможность тренировать навыки дифференциальной диагностики образований из-за недостаточной приближенности форм включений к встречающимся в клинической практике патологическим образованиям моделируемого органа.

Данный способ принят в качестве ближайшего аналога заявленного способа.

Техническая задача заявленного изобретения состоит в создании антропоморфного фантома с включениями, по форме, эхогенности и жесткости моделирующими включения, встречающиеся при ультразвуковом исследовании пациентов. Тот факт, что включения моделируют форму, эхогенность и жесткость, делает фантом пригодным для развития и проверки не только зрительно-моторной координации врача ультразвуковой диагностики, но и для совершенствования навыков дифференциальной диагностики, а также работы в эластографических режимах ультразвукового сканера.

Основа процесса изготовления фантома заключается в том, что готовят модели включений, при этом используют поливинилхлоридный пластизоль и примесь для моделирования эхогенности, берут форму для заливки фантома и размещают в ней модели включений, форму и модели включений заливают поливинилхлоридным пластизолем, предварительно нагретым до температуры, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро [2 стр. 80], и имитирующим мягкие ткани после застывания, возникающего при охлаждении до комнатной температуры, после застывания фантом вынимают из формы для заливки и используют для обучения ультразвуковому исследованию.

Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения от ближайшего аналога являются:

- использование нескольких поливинилхлоридных пластизолей, различающихся жесткостью по шкале Шора, для моделирования эластографических свойств различных тканей;

- использование форм включений и моделируемого органа, приближенных к формам, встречающимся в клинической практике врача ультразвуковой диагностики.

На Фиг. 1 продемонстрирован результат проектирования формы для заливки фантома молочной железы в системе автоматизированного проектирования.

На Фиг. 2 показана распечатанная на 3D принтере из PLA пластика форма для заливки фантома молочной железы.

На Фиг. 3 представлен внешний вид моделей включений и послойная схема их размещения в фантоме.

На Фиг. 4 дана фотография одного из слоев с четырьмя размещенными включениями в процессе изготовления фантома.

На Фиг. 5 продемонстрирован внешний вид фантома молочной железы после изготовления.

На Фиг. 6 представлен пример сонограммы модели липомы в фантоме молочной железы, полученный на сканере Medison SonoAce 8000 Ex Prime при использовании линейного датчика с несущей частотой 7,5 МГц при глубине до 3 см.

На Фиг. 7 показан пример сонограммы модели кистозного образования, полученный на ультразвуковом сканере BK Ultrasound Specto при использовании линейного датчика с несущей частотой 9 МГц при глубине до 3 см.

На Фиг. 8 представлен пример компрессионной эластограммы модели мягкого включения в фантоме молочной железы, полученной на ультразвуковом сканере БИОСС Ангиодин Соно/П-Ультра с линейным датчиком L5-12/40. Коэффициент деформации 0.65.

На Фиг. 9 представлен пример компрессионной эластограммы модели жесткого включения в фантоме молочной железы, полученной на ультразвуковом сканере БИОСС Ангиодин Соно/П-Ультра с линейным датчиком L5-12/40. Коэффициент деформации 4.98.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанный способ изготовления фантома для ультразвуковых исследований. Согласно разработанному способу в системе автоматизированного проектирования готовят модель формы для заливки, пример которой представлен на Фиг. 1, и печатают эту модель на 3D принтере из материала, не вступающего в химическое взаимодействие с поливинилхлоридным пластизолем. Наши эксперименты показали, что в качестве такого материала может быть использован пластик PLA, в качестве системы автоматизированного проектирования может использоваться, например, Meshmixer, в качестве 3D принтер - Picaso X Pro. В предпочтительном варианте осуществления изобретения форма для заливки соответствует форме моделируемого органа, как показано на Фиг. 2. Изготавливают модели включений, по форме, эхогенности и жесткости воспроизводящие включения, встречающиеся в органе человека, моделью которого является изготавливаемый фантом. На Фиг. 3 показан пример включений, изготовленных в нашем эксперименте для фантома молочной железы. Изготовленные нами включения моделируют кистозные образования, опухоли, липомы, фиброаденомы и фибролипомы. Для моделирования липомы используют поливинилхлоридный пластизоль с примесью 1% графитовой крошки с размером частиц не более длины волны используемого ультразвукового излучения (в наших экспериментах использовались частицы размером не более 140 мкм при исследовании на частотах от 4,7 до 9,4 МГц) и 0.5% металлизированных (алюминиевых) блесток с размером частиц не более длины волны используемого ультразвукового излучения (в наших экспериментах использовались частицы размером не более 200 мкм) и жесткостью хотя бы в 2 раза меньше жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани. Для моделирования фиброаденомы используют поливинилхлоридный пластизоль с примесью 0.5% графита крошки с размером частиц не более длины волны используемого ультразвукового излучения (в наших экспериментах использовались частицы размером не более 140 мкм при исследовании на частотах от 4,7 до 9,4 МГц) и жесткостью, не отличимой от жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани. Для моделирования кистозного образования используют поливинилхлоридный пластизоль без добавления примеси жесткостью хотя бы на 15% меньше жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани. Для моделирования опухоли используют поливинилхлоридный пластизоль без добавления примеси жесткостью хотя бы на 60% больше жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани. Для моделирования эхогенности в поливинилхлоридный пластизоль после нагревания до температуры, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро, добавляют примесь. Эта температура зависит от и используемого пластизоля и в наших экспериментах составляла 150°С. Нагрев выполняется в микроволновой печи с остановками каждый 30 секунд для перемешивания и проверки температуры. В наших экспериментах моделировались включения 4-ех уровней эхогенности: а) поливинилхлоридный пластизоль без примеси - уровень 0; б) с добавлением 0.5% графита - уровень 1; в) с добавлением 1% графита - уровень 2; г) с добавлением 1% графита и 0.5% блесток - уровень 3. Использовался графитовый порошок с размером частиц не более 140 мкм и термостойкие металлизированные блестки с диаметром не более 200 мкм. Включениям придают нужную форму. Для этого используют маникюрные ножницы, при этом вырезают из предварительно изготовленного тканеимитирующего материала, или с использованием шприца заполняют предварительно изготовленную форму для заливки включений. Технология с использованием термостойкого шприца для выдавливания пластизоля в форму небольшого размера широко распространена при изготовлении рыболовных приманок. Для моделирования эластографических свойств при изготовлении включений и тканей фантома выбирают поливинилхлоридный пластизоль нужной жесткости. Поскольку пластизоль представляет собой суспензию поливинилхлорида в жидком пластификаторе, то соотношение этих веществ определяет жесткость, которую можно выразить, например, через величину по шкале Шора [3]. В наших экспериментах использовался материал от 3 до 17 единиц по шкале 00 Шора, что позволяло моделировать включения различной жесткости.

После изготовления включений берут необходимый объем поливинилхлоридного пластизоля для изготовления модели основной ткани органа, нагревают до температуры, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро, добавляют примесь, послойно заливают в форму для заливки фантома. После заливки первого слоя ждут некоторое время, в нашем эксперименте ~30 секунд, после чего помещают включения на поверхность первого слоя, при этом они не должны утонуть, но слегка погрузиться в пластизоль, после этого заливают второй слой, ждут, помещают включения на поверхность второго слоя. Эти действия повторяются для каждого последующего слоя. В нашем эксперименте изготавливали фантом молочной железы, при этом заливали 4 слоя, между которыми располагали от 3 до 5 включений, высота слоя составляла 20 мм, объем фантома 1 литр. На Фиг. 4 показан пример среднего слоя при изготовлении фантома молочной железы. После остывания до комнатной температуры фантом готов к использованию. На Фиг. 5 показан внешний вид фантома. Черный цвет фантому придает графитовая примесь. В наших экспериментах при изготовлении модели основной ткани органа использовался поливинилхлоридный пластизоль жесткостью 11 единиц по шкале Шора с примесью 1% графита. На Фиг. 6-9 показаны сонограммы и эластограммы изготовленного описанным способом фантома молочной железы. Можно видеть, что описанный способ позволяет моделировать включения различной формы, эхогенности и жесткости.

Для большего сходства с моделируемым органом или образованием модель органа, а также модели включений могут быть изготовлены по томографическим данным, а именно, на основе компьютерной или магниторезонансной томографии.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения:

- для трехмерного моделирования и прототипирования используют программу Autodesk Meshmixer версии 2.4 и принтер Picaso X Pro;

- в качестве материала, химически не взаимодействующий с материалом, имитирующим мягкие ткани, используют PLA пластик;

- в качестве материала, имитирующего мягкие ткани моделируемого органа и ткани моделирующих заболевания включений, используют поливинилхлоридный пластизоль соответствующей жесткости по шкале 00 Шора с примесью рассеивателя. Например, для моделирования липомы молочной железы мы использовали пластизоль жесткостью 6 единиц по шкале 00 Шора с примесью 1% графита и 0.5% блесток, а для моделирования железистой ткани молочной железы использовали пластизоль жесткостью 11 единиц по шкале 00 Шора с примесью 1% графита, соответствующая сонограмма представлена на Фиг. 6, а эластограмма показана на Фиг. 8;

- в качестве рассеивателя используют графитовый порошок в концентрации до 1%) и для большей эхогенности добавляют металлизированный блестки в концентрации до 0.5% (в наших экспериментах использовался графитовый порошок с размером частиц не более 140 мкм и термостойкие металлизированные блестки с диаметром не более 200 мкм);

- в качестве температуры, до которой нагревают пластизоль, используют температуру, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро (эта температура зависит от используемого материала. В наших опытах, например, использовался пластизоль Diamond #6 фирмы Red Bug, для которого эта температура равнялась 150 градусам по шкале Цельсия).

Фантом, изготовленный предлагаемым способом, послужит:

- для развития мануального навыка выведения объектов, а именно, навыка поиска необходимого положения датчика для визуализации искомой проекции включения. В клинической практике, когда врач наблюдает очаг с подозрением на злокачественность и развитие осложнений на протяжение нескольких месяцев, ему важно каждый раз получать сонограмму максимально близкой к одной и той же плоскости, чтобы корректно сверять размеры для оценки динамики роста образования;

- хорошим инструментом для обучения навыкам дифференциальной диагностики образований молочной железы;

- средством для обучения работе с эластографическим режимом ультразвуковой визуализации, поскольку может содержать даже такие включения, которые малозаметны в В-режиме, но отличаются от окружающих тканей по жесткости.

Хотя настоящее изобретение описано на примере конкретных вариантов его осуществления, для специалистов будут ясны возможности многочисленных модификаций данного изобретения, не выходящие за границы объема его правовой охраны, определяемого прилагаемой формулой.

Источники информации

1. Carvalho I.M., Matheo L.L., Silva J.F., Costa J.F.S.C., Borba С.М., Krüger M.A., Infantosi A.F.C., Pereira W.C.A. Polyvinyl chloride plastisol breast phantoms for ultrasound imaging. Ultrasonics. Volume 70, August 2016, Pages 98-106. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2016.04.018

2. Штаркман Б.П. Пластификация поливинилхлорида. M.: Химия, 1975. - 248 с.

3. Can You Estimate Modulus From Durometer Hardness for Silicones? [электронный ресурс] URL: https://www.dow.com/content/dam/dcc/documents/en-us/tech-art/11/11-37/11-3716-01-durometer-hardness-for-silicones.pdf.

Claims (12)

1. Способ изготовления фантома для ультразвуковых исследований, состоящий в том, что готовят модели включений, при этом используют поливинилхлоридный пластизоль и примесь для моделирования эхогенности, берут форму для заливки фантома и размещают в ней модели включений, форму и модели включений заливают поливинилхлоридным пластизолем, предварительно нагретым до температуры, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро, и имитирующим основные ткани после застывания, возникающего при охлаждении до комнатной температуры, после застывания фантом вынимают из формы для заливки и используют для обучения ультразвуковому исследованию, отличающийся тем, что

- предварительно методом трехмерного моделирования и прототипирования изготавливают корпус фантома, причем для изготовления используют материал, химически не взаимодействующий с материалом, имитирующим основные ткани;

- при изготовлении моделей включений используют поливинилхлоридные пластизоли, жесткость которых соответствует жесткости моделируемого включения;

- при изготовлении моделей включений им придают форму, которая соответствует форме моделируемого включения;

- при изготовлении моделей включений им придают эхогенность, которая соответствует эхогенности моделируемого включения;

- при изготовлении модели основной ткани органа жидкий поливинилхлоридный пластизоль, нагретый до температуры, при которой диффузия пластификатора в поливинилхлорид происходит наиболее быстро, заливают в форму для заливки послойно, между слоями размещают модели включений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что форма для заливки повторяет форму моделируемого органа.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модели включений получают на основе медицинских томографических данных пациента.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении моделей включений в качестве одной из моделей изготавливают модель липомы, при этом используют поливинилхлоридный пластизоль с примесью 1% графитовой крошки и 0.5% металлизированных блесток с размером частиц не более длины волны используемого ультразвукового излучения и жесткостью хотя бы в 2 раза меньше жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении моделей включений в качестве одной из моделей изготавливают модель фиброаденомы, при этом используют поливинилхлоридный пластизоль с примесью 0.5% графита крошки с размером частиц не более длины волны используемого ультразвукового излучения и жесткостью, не отличимой от жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении моделей включений в качестве одной из моделей изготавливают модель кистозного образования, при этом используют поливинилхлоридный пластизоль без добавления примеси жесткостью хотя бы на 15% меньше жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении моделей включений в качестве одной из моделей изготавливают модель опухоли, при этом используют поливинилхлоридный пластизоль без добавления примеси жесткостью хотя бы на 60% больше жесткости поливинилхлоридного пластизоля, используемого для изготовления модели основной ткани.

Images