Компьютерная томография (КТ) — современный «продвинутый» способ медицинской визуализации. При таком исследовании пациента просвечивают рентгеновскими лучами многократно в разных направлениях. Получается множество двумерных картинок, похожих на обычные рентгенограммы. Из этих снимков с помощью сложной цифровой обработки синтезируется реалистичное трехмерное изображение исследуемых органов. В дальнейшем врач изучает разные срезы, проекции или объемные реконструкции, получаемые обработкой вокселей исходной 3D-картины. По сравнению с обычной рентгенографией такое исследование дает врачу намного больше диагностических сведений. Плата за информацию — пациента приходится подвергать сильному воздействию ионизирующего излучения.

Важнейшая проблема — определить, как влияет доза облучения на точность медицинского заключения. Если увеличить мощность, изображение становится лучше, но это может повредить пациенту. Насколько можно снизить ее без ущерба для качества диагностики? Это очень важный вопрос. Множество ученых во всем мире работают над созданием низкодозовых протоколов сканирования, и НПКЦ ДиТ в данном вопросе не остался в стороне.

Для проведения научных исследований в радиологии используются так называемые фантомы. Это искусственные модели, по некоторым признакам похожие на исследуемую часть тела человека. С помощью такого объекта можно оценить работу диагностической системы, не облучая при этом пациентов. Существует множество коммерчески доступных фантомов, некоторые из них есть в нашей организации.

Рис. 1. Фантом Lungman — рентгенологическая модель органов грудной клетки

Однако далеко не всегда готовое изделие позволяет решить стоящие перед нами задачи. И тут на помощь приходят технологии 3D-печати. У нас имеются 3 принтера: Picaso Designer Pro 250 (пользуемся 3 года), и с декабря 2019 года — Designer X Pro и Phrozen Shuffle 4K (последний работает по технологии фотолитографии). Технологию печати и материал мы выбираем в зависимости от специфики конкретной проблемы.

За основу берем фантом Lungman производства Kyoto Kagaku, представляющий собой пластиковую модель верхней половины человеческого туловища и легких (рис. 1). В этом фантоме, естественно, имитируются здоровые легкие. Для решения поставленной задачи к нему необходимо добавить модель патологии, которую врач должен обнаружить. Мы моделируем очаги рака легкого разных размеров.

Чтобы построить фантом, используем объемное КТ-изображение (томограмму) реальной опухоли, полученное при обследовании пациента (рис. 2).

Рис. 2. КТ-исследование органов грудной клетки с изображением опухоли легких (показана красной стрелкой)

Из томограммы выделяется участок, содержащий изображение очага. По нему формируется трехмерная модель в формате STL. Модель строится в нескольких разных масштабах, имитирующих рост опухоли (рис. 3). Это необходимо, поскольку очень важно обнаружить опухоль на ранних стадиях ее развития.

Рис. 3. Модели опухолей, подготовленные для печати

Цифровая модель готова, но просто так напечатать ее пока нельзя. Ведь неизвестно, насколько пластики, используемые при 3D-печати, похожи на реальные биологические ткани по способности поглощать рентгеновское излучение. Чтобы выбрать подходящий материал, пришлось изготовить вспомогательный фантом (рис. 4). Для этого мы напечатали два десятка одинаковых дисков из разных материалов. Для исследования важен не только состав пластика, но и его цвет, так как различные пигменты могут поглощать рентгеновское излучение по-разному.

Рис. 4. Вспомогательный фантом. Слева – внешний вид, справа – КТ изображение

Напечатанную модель мы поместили в томограф и просканировали его в разных режимах. Компьютерная томография позволяет количественно измерить коэффициент поглощения рентгеновских квантов. На правой части рис. 4 показан результат одного такого измерения (чем ярче пиксель, тем сильнее поглощение). Оказалось, что, меняя материал, можно имитировать разные виды опухолей. Поэтому печать и последующее сканирование проводились с моделями, изготовленными из различных пластиков (на рис. 5 показан только один пример).

Рис. 5. Модели опухолей, отпечатанные из бесцветного PLA

Эти модели были помещены внутрь «грудной клетки» фантома Lungman (рис. 6).

Рис. 6. Очаги размещены, их расположение зафиксировано на фотографии. Остается собрать фантом и провести КТ-исследование с разными дозами лучевой нагрузки

Фантом поместили в томограф и просканировали несколько раз, постепенно наращивая мощность излучения (для этого меняли ток на рентгеновской трубке). На рис. 7 показаны изображения одного и того же среза при разной силе тока. Думаю, разница качества будет заметна даже неспециалисту. Самая “плохая” картинка (слева вверху) получена при токе 5 мА, самая качественная (справа внизу) — при токе 500 мА.

Рис. 7. КТ-изображения фантома, полученные с использованием различных уровней излучения

Используя полученные КТ-снимки, врачи проводят измерения и делают вывод, насколько можно снижать дозу без ущерба для качества диагностики. Имеет значение не только факт обнаружения опухоли, но и точность измерения ее линейных размеров, объема и коэффициента поглощения рентгеновских квантов. Здесь технологии кончаются и начинается медицина.

Источник

02.07.2020