Фантом для исследования сосудов через кости черепа с использованием средств ультразвуковой визуализации

Полезная модель относится к области биомедицинского моделирования, в частности - к фантомам для исследований сосудов мозга, и может использоваться в лабораториях ультразвуковой визуализации для обучения специалистов проведению ультразвуковой диагностики сосудов мозга, эхоконтрастирования, проверки оборудования и создания новых диагностических методик и приборов.
Из уровня техники известен фантом для исследования сосудов [1], содержащий заполненный звукопроводящим веществом резервуар с прозрачной эластичной крышкой, в котором размещена система, образованная бифуркациями и соустьями трубок, имитирующая нормальные сосуды и сосуды с патологиями. Недостатком данного технического решения является то, что в нем используются лишь идеализированные модели сосудов и отсутствует модель костной ткани, необходимая для имитации ультразвукового обследования сосудов головы, которые скрыты за костями черепа.
Фантом [1] взят в качестве наиболее близкого аналога заявленного устройства. В отличие от прототипа предлагаемая полезная модель содержит более реалистичные имитации сосудов и может имитировать условия, возникающие при исследовании сосудов мозга, скрытых за костями черепа. 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 используемых моделей сосудов и условий наблюдения при помощи средств ультразвуковой диагностики.
Решение данной задачи достигается тем, что предлагаемое устройство, в отличие от технического решения [1], содержит звукопоглощающий слой, модель костной ткани, крепления для шлангов, крепления для модели сосудов, пазы для креплений, штуцеры, реалистичную фотополимерную модель сосудов, причем звукопоглощающий слой покрывает внутреннюю поверхность резервуара, модель костной ткани располагается внутри резервуара над реалистичной фотополимерной моделью сосудов, реалистичная фотополимерная модель сосудов вставляется в крепления для модели сосудов, крепления для модели сосудов вставляются в пазы, размещенные на стенках внутри резервуара, шланги крепятся к резервуару при помощи креплений для шлангов, шланги соединены с реалистичной фотополимерной моделью сосудов при помощи штуцеров.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение реалистичности фантома и сокращение времени, затрачиваемом специалистом на освоение методик ультразвуковой диагностики.
На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого технического решения. Устройство состоит из креплений для шлангов 1, шлангов 2, резервуара 3, пазов 4, креплений для модели сосудов 5, штуцеров 6, реалистичной фотополимерной модели сосудов 7, звукопроводящего вещества 8, модели костной ткани 9 и звукопоглощающего слоя 10.
Все элементы связаны между собой следующим образом. Звукопоглощающий слой 10 покрывает внутреннюю поверхность резервуара 3, резервуар 3 заполнен звукопроводящим веществом 8, модель костной ткани 9 располагается внутри резервуара 3 над реалистичной фотополимерной моделью сосудов 7, реалистичная фотополимерная модель сосудов 7 вставляется в крепления для модели сосудов 5, крепления для модели сосудов 5 вставляются в пазы 4, размещенные на стенках внутри резервуара 3, шланги 2 крепятся к резервуару 3 при помощи креплений для шлангов 1, шланги 2 соединены с реалистичной фотополимерной моделью сосудов 7 при помощи штуцеров 6.
Работает устройство следующим образом. Резервуар 3 заполняют звукопроводящим веществом 8. В качестве звукопроводящего вещества можно использовать дегазированную воду, приготовленные необходимым образом желе на основе агаг-агара, желатина или аналогов, пластизоль, гель для ультразвукового исследования. Звукопроводящее вещество 8 должно полностью покрывать реалистичную фотополимерную модель сосудов 7 и крепления для модели сосудов 5. Если в качестве звукопроводящего вещества 8 используется текучая среда, например, дегазированная вода или гель для ультразвукового исследования, то вещество должно покрывать модель костной ткани 9, расположенную над реалистичной фотополимерной моделью сосудов 7, для осуществления контакта между ультразвуковым датчиком и моделью костной ткани 9. Если в качестве звукопроводящего вещества 8 используется не текучие среды, например, застывший пластизоль, желе на основе агар-агара или желатина, то для осуществления контакта между ультразвуковым датчиком и моделью костной ткани 9 дополнительно используют текучую звукопроводящую среду. С помощью системы управления потоком по реалистичной фотополимерной модели сосудов 7 пускают жидкость, которая по акустическим свойствам близка к крови. В качестве системы управления потоком может выступать, например, насос фирмы CIRS [2]. Он позволяет осуществлять циркуляцию имитирующей кровь жидкости в диапазоне скоростей от 0.04 мл/мин до 750 мл/мин, необходимое значение скорости устанавливается в зависимости от цели исследования. Реалистичную фотополимерную модель сосудов 7 может иметь как один, так и несколько входов и выходов, к ней может подключаться при помощи штуцеров необходимое количество шлангов для подачи и отвода имитирующей кровь жидкости. 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 потока имитирующей кровь жидкости в доплеровских режимах.
В качестве звукопоглощающего слоя можно использовать двухкомпонентный силикон ToolDecor Т20-25 Fast. Он выполняет функции звукопоглощения и герметизации резервуара.
Резервуар с пазами и крепления для шлангов и сосудов изготавливаются с использованием 3D-принтера методом послойного наплавления. В изготовленном нами образце размеры резервуара ограничивались областью печати 3D-принтера Picasso X Pro 20×20×20 см. Печать выполнялась из PLA пластика.
При изготовлении реалистичной фотополимерной модели сосудов и штуцеров используется 3D-печать высокого разрешения, что позволяет придавать модели необходимую форму, вносить интересующие патологии, такие как аневризмы, тромбы, бляшки и т.д. Мы использовали 3D-принтер Phrozen 4k, работающий по методу LCD фотолитографии. Толщину стенок реалистичной фотополимерной модели сосудов предпочтительно задавать не более 1 мм. При большой толщине стенок ухудшается звукопроницаемость, при малой толщине стенок могут возникнуть трудности с печатью и отверстия или трещины в стенках.
Модель костной ткани изготавливают методом фотолитографии на основе данных компьютерной томографии. Модель костной ткани можно делать съемной, тогда будет возможность проводить исследование при наличии и в отсутствии костной ткани, проводить сравнения. Также можно изготовить несколько образцов модели костной ткани на основе данных компьютерных термограмм различных людей, поскольку у всех людей кости разные, будет возможность учиться выполнять ультразвуковое исследование с использованием специфической для конкретного пациента модели костной ткани.
Фантом может содержать объекты для проверки пространственной, контрастной разрешающих способностей, разрешающей способности по скорости для проверки доплеровских режимов. Эти объекты могут удерживаться в креплениях для сосудов.
Фантом может использоваться для тренировки у врачей ультразвуковой диагностики навыков выявления характерных анатомических характеристик и патологий, в особенности, патологий развития сосудов.
Работа с фантомом обеспечит получение навыков: быстрого подбора режима ультразвукового сканирования для наилучшей визуализации различных областей и патологий; распознания проявления артефактов визуализации и их отличия от изображения кровотока; правильной постановки и координации руки с датчиком по ориентирам на экране ультразвукового прибора.
Источники информации
1. Устройство для обучения диагностике патологий внутренних органов методом эхоконтрастирования. Изобретение RU 2611905 опубликовано 01.03.2017 Бюл. №7.
2. Насос для создания потока фирмы CIRS, США. [Электронный ресурс] URL:https://www.cirsinc.com/products/ultrasounoyzerdine-hydrogel/doppler-flow-pump/ (дата обращения 02.02.2021).