ДИСКОВЫЙ ФАНТОМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ПРИ ФАЗО-КОНТРАСТНОЙ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ И ОБЪЕМНОЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ФАНТОМА
DISC PHANTOM FOR CONTROLLING SPEED MEASUREMENT WITH PHASE-CONTRAST MAGNETIC RESONANCE IMAGING AND METHOD OF CONTROLLING MEASUREMENT OF LINEAR AND VOLUMETRIC SPEED OF PHANTOM

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к устройствам оценки измерения скоростей потоков жидкостей при фазоконтрастной магнитно-резонансной томографии, и может быть использовано для количественного определения движения жидкости в нейрохирургии, ангиологии и сердечно-сосудистой хирургии.
Фазоконтрастная магнитно-резонансная томография является эффективным методом МРТ диагностики, позволяющим визуализировать и количественно определять скорости движения спинов. Данные о количественных характеристиках движения спинномозговой жидкости - ликвора - позволяют принимать решения специалистам-нейрохирургам при лечении гидроцефалии о виде имплантируемой шунтирующей системы. Быстрые токи ликвора, определяющие ликвороциркуляцию, можно изучать только с помощью фазоконтрастной MP ликворографии (ФМРЛГ) с привязкой к сердечному циклу (Арутюнов Н.В., Петряйкин А.В., Корниенко В.Н.: Изучение ликворотока на основе магнитно-резонансной томографии. Журнал Вопросы Нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко 2000; 3: 29-33).
Оценка работы MP-томографа и представление практических методов тестирования производится с помощью специальных устройств контроля качества изображения, называемых фантомами.
В МРТ фантомом является стандартный искусственный объект, изображение которого получают для проверки качества работы и настройки параметров MP-томографа. Чаще всего фантомы сделаны из стекла или пластика и заполнены веществами, имеющими MP сигнал. Такими веществами являются водные парамагнитные растворы, чистые желатиновые гели, агарозные гели с органическими или парамагнитными добавками и др.
MP фантомы проектируют для исследования широкого диапазона инструментальных параметров и позволяют определять геометрические искажения изображений, пространственное разрешение, расстояние между срезами, толщину среза и его смещение, обусловленное физическими и электронными свойствами. Также фантомы позволяют обнаруживать низкую контрастность, оценивать однородность изображения и определять отношение сигнал/шум. Каждый конкретный фантом может быть предназначен как для тестирования одной или нескольких вышеперечисленных функций, что становится возможным при комбинировании соответствующих элементов фантома. Существует два основных вида фантомов: для контроля однородности и для контроля разрешения.
Известен фантом для оценки линейной скорости потоков жидкости, состоящий из силиконовых полимерных слоев со стенозированными проточными каналами продольной и U-образной формы (Summers, Р.Е., Holdsworth, D.W., Nikolov, H.N., Rutt, В.K. and Drangova, M. (2005), Multisitetrial of MRflowmeasurement: Phantom and protocoldesign. J. Magn. Reson. Imaging, 21: 620-631. doi: 10.1002/jmri.20311). Недостатками данного технического решения являются необходимость использования дополнительного насоса с МР-контрастной жидкостью, имеющего точно задаваемый диапазон движения жидкости, а также параболический профиль скоростей в трубке, что затрудняет определение линейной скорости движения спинов.
Известен дисковый фантом, состоящий из трех частей: двух неподвижных, находящихся по краям фантом, и центральной, приводимой во вращение с помощью сжатого воздуха из пусковых баллонов (Anders Nilsson, Karin Markenroth Bloch, Johannes Töger, Einar Heibergand Freddy Stahlberg, Accuracy of four-dimensionalphase-contrast velocitymapping-forbloodflowvisualizations: aphantomstudy, ActaRadiol 2013 54: 663 riginallypublishedonline 30 April 2013 DOI: 10.1177/0284185113478005). Недостатками данного технического решения являются необходимость использования дополнительных пусковых блоков (баллонов со сжатым воздухом). Также следует отметить неравномерность вращения при низких оборотах.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является движущийся с постоянной угловой скоростью дисковый фантом, заполненный агарозным гелем (Emmanuel P. Durand, Odile Jolivet, Emmanuelltti, Jean-Pierre Tasu and Jacques Bittoun Precision of Magnetic Resonance Velocity and Acceleration Measurements: Theoreticallssues and Phantom Experiments, Joumal of magneticresonanceimaging 13: 445-451 (2001). Недостатками данного технического решения является система, приводящая в движение диск, которая представляет собой длинную трехметровую ось из ПВХ труб, за точное центральное положение которой отвечает антивибрационное устройство, сделанное из трех тефлоновых цилиндров и стеклянного шарикового подшипника. Сложность конструкции делает невозможным использование фантома при проведении технических испытаний МРТ в условиях эксплуатации.
Задачей изобретения является разработка дискового фантома на основе агарозного геля для контроля измерения линейной и объемной скорости движения ликвора.
Техническим результатом, направленным на решение поставленной задачи, является создание устройства-фантома, способствующего повышению качества клинических MP-исследований и точности измерения скорости движения крови и ликвора по магистральным артериям и венам.
Сущность изобретения заключается в том, что в дисковом фантоме на основе агарозного геля применяют ременную передачу, соединяющую шкив, сидящий на валу мотора, с диском, заполненным гелем и выполняющим функцию второго шкива для увеличения частоты вращения предусмотрен дополнительный шкив, который имеет равный диаметр. Диапазон задаваемых линейных скоростей варьирует от 0 до 20 см/с, а при модификации привода и использования шкива меньшего диаметра, закрепленного на оси с диском, возможно расширение диапазона задаваемых скоростей от +72 см/с до -72 см/с. Максимальные габаритные размеры фантома составляют 150×160 мм, что позволяет поместить его в головных катушках MP-томографов различных конструкций.
Схема-чертеж дискового фантома представлена на фиг. 1, где 1 - диск с гелем, который также может выполнять роль шкива, 2а, 2б - шкив, 3 - кронштейн, 4а, 4б - вал, 5 - ременный привод, 6 - мотор, 7 - блок управления, 8 - блок питания.
Заявляемый дисковый фантом состоит из диска 1, заполненного агарозным гелем и закрепленного на валу 4а, который свободно вращается во втулках, опирающихся на кронштейны 3. Все детали фантома изготовлены из немагнитных пластиковых материалов. Поверх диска надет нескользящий материал - латекс, для увеличения силы трения. Крутящий момент передается на фантом посредством ременной передачи 5 со шкива 2б, расположенного на оси электромотора вне магнита на расстоянии 3,5 метра. Шкив также покрыт латексом для увеличения силы трения в области прохождения нити, осуществляющей передачу крутящего момента. Данная конструкция обеспечивает максимальную скорость вращения диска 31 об/мин. Мотор 6 соединен с блоком управления 7, с помощью которого можно регулировать скорость и направление вращения, а также предусмотрена функция плавного старта и остановки для обеспечения оптимального натяжения нити. Блок питания 8 подключается к стандартной сетевой розетке 220 вольт с заземлением, установленной внутри экранированной РЧ кабины MP томографа. Втулки и кронштейны, на которых крепится вращающийся диск, изготовлены из компонентов конструктора LEGO. На фиг. 2. представлена фотография дискового фантома, расположенного в головной катушке. Ось, на которой крепится диск с гелем, а также дополнительный шкив, обеспечивающий переход на более высокую скорость вращения благодаря коэффициенту передачи 1:1, изготовлены из пластика с помощью распечатки на 3D принтере. Компоненты фантома располагаются на ложементе свободно, дополнительно укрепляются в удобных позициях немагнитными утяжелителями - мешочками с песком, специально изготовленными для данной цели.
На фиг. 3. представлена фотография фантома, располагающегося в томографе. Подготовка чертежей деталей (шкивов, оси фантома) производилась в пакете SolidWorks, затем детали распечатывались на 3D принтере с заполнением полостей и разрешением в 100 микрон. В качестве материала использовался PLA (PolyLacticAcid) пластик. Для изготовления геля для заполнения фантома использовалась агароза фирмы HELICON и 0,5 М раствор MP-контрастного вещества «Магневист» фирмы BAYER, Германия. МР-контрастные свойства в данном препарате обеспечивает соединение гадолиния - Gd-DTPA. Все растворы готовились на деионизированной дистиллированной воде. Задание определенной скорости движения спинов (имитирование потока) при фазоконтрастной магнитно-резонансной томографии осуществляется следующим образом.
Перед проведением процедуры сканирования следует установить РЧ-катушку на деке стола пациента и обеспечить ее электрическое питание. Внутри катушки размещают дисковый фантом, заполненный агарозным гелем, и центрируют с помощью нанесенных на его поверхность вспомогательных меток таким образом, чтобы его ось располагалась в горизонтальной плоскости перпендикулярно деки стола. После этого добиваются совпадения приемной РЧ-катушки с изоцентром магнита путем совмещения меток с лазерным прицелом. Далее фантом подключают к стандартной сетевой розетке 220 В и включают блоки питания и управления. После чего с помощью блока управления задают необходимую скорость вращения мотора, приводящего в движение фантом посредством ременной передачи.
2
Способ контроля измерений линейной и объемной скорости движения фантома при фазоконтрастной магнитно-резонансной томографии заключается в следующем. Осуществляют сканирование вращающегося с известной угловой скоростью дискового фантома в фазоконтрастных режимах согласно рекомендациям фирм- производителей MP томографа, например, при исследовании на MP томографе ExcelartVantageAtlas-X (Тошиба, Япония) с индукцией постоянного магнитного поля 1,5 Тл, используется программа FlowQuanti. Сканирование производят в трех взаимоперпендикулярных плоскостях: в аксиальной, корональной и сагиттальной. Фазоконтрастное MP - изображение дискового фантома представлено на фиг. 4, где а) - неподвижный фантом, аксиальный срез, б) - вращающийся дисковый фантом, аксиальный срез, в) - вращающийся дисковый фантом сагиттальный срез. По полученным аксиальным изображениям с помощью встроенного программного обеспечения (при исследовании на MP томографе ExcelartVantageAtlas-X используется программа PSFlow) выделяют области интереса. При контроле измерения линейной скорости отмечают не менее 10 областей интереса, равномерно расположенных вдоль отрезка АБ (фиг. 4б), перпендикулярного оси вращения дискового фантома и делящего его на две равные части. Полученное для каждой области интереса значение линейной скорости потока с соответствующими пространственными координатами сравнивают с заданной эпюрой линейных скоростей. Саггитальный срез фантома и эпюра линейных скоростей представленына (фиг. 5). По результатам эксперимента строят калибровочную кривую (фиг. 6), рассчитывают статистические показатели оценки точности измерения линейной скорости и определяют весовые коэффициенты, которые в дальнейшем используют для определения скорости потоков жидкости на исследуемом магнитно-резонансном томографе. Для рассматриваемого примера (фиг. 6) коэффициент детерминации составил R=0,99, относительная погрешность измерения линейной скорости составила 6,3% (рассчитана по отношению угловых коэффициентов линий регрессии измеренных значений и «идельной» калибровочной кривой). Корректированные значения представлены на фиг. 7, отмечается совпадение «идеальной» калибровочной кривой и корректированных значений. При контроле измерения объемной скорости движения референсные значения объемной скорости рассчитывают из условия, что фантом делает один оборот за известное время с учетом заданной угловой скорости в начале исследования. За данное время через сечение фантома проходит весь объем геля. В качестве области интереса, в которой производится измерение, выбирают все сечение фантома (фиг. 8). После пяти независимых измерений производят оценку относительной погрешности. Так, при исследовании на MP томографе Excelart (Тошиба, Япония) с индукцией основного поля 1,5 Тл, с применением программ FlowQuanti и PSFlow при заданных условиях вращения: 1 оборот за 2,93 секунды (объем геля 364 мл), объемной скорости 123,87 мл/с - погрешность измерения при отключении режима кардиосинхронизации и увеличением числа повторов до 10 составляет 6,15%.
Конструкция дискового фантома, а также применение доступных материалов и элементов электромеханической части фантома позволяют достичь компактных размеров устройства и дают возможность его использования для оценки работоспособности различных моделей МРТ.