Динамический фантом для контроля пространственной разрешающей способности при магнитно-резонансной ангиографии

Полезная модель относится к области медицинской техники, а именно к средствам контроля пространственной разрешающей способности (ПРС) при магнитно-резонансной ангиографии.
Магнитно-резонансная ангиография (МРА) является диагностическим методом оценки анатомических и функциональных особенностей кровотока и ликворотока в теле человека. Данный метод заключается в применении специальных МРА импульсных последовательностей для создания контрастности между движущейся биологической жидкостью (кровь, ликвор) и стационарными тканями. Существуют три основных вида МРА: времяпролетная, фазоконтрастная и с контрастным усилением. Метод фазоконтрастной МРА основан на возникновении фазового сдвига движущихся протонов при применении биполярного градиента. Величина сдвига зависит от скорости движения биологических жидкостей, а также от характеристик градиентного поля (индукции и длительности биполярного градиента). При заданных параметрах импульсной последовательности скорость кровотока (ликворотока) может быть определена по величине яркости пикселей внутри области интереса. Также существует возможность установки значения максимальной регистрируемой скорости потока жидкости, соответствующего наиболее интенсивному сигналу на изображении.
Таким образом, МРА широко используется не только для качественной оценки сосудистой и ликворной систем, но также для получения количественных показателей, в том числе при исследовании мелких сосудов, например, при оценке состояния церебрального сосудистого русла. Необходимость визуализации сосудов различного диаметра, разветвленностей, наличия анастомозов требует использования методов МРА с высоким пространственным разрешением (Боголепова Е.А., Нетесова Е.В., Шустрова Г.Э., Абалмасов В.Г.: Опыт клинического применения магнитно-резонансной ангиографии [Электронный ресурс]: электрон, журн. Angiologia.ru. - Электр. журнал. - Москва: Инфомедиа Паблишерз, 2011; №1: с. 51-59. - Режим доступа: http://www.angiologia.ru/journal_angiologia/).
Для обеспечения требуемого качества диагностических данных с заданным значением ПРС требуется периодически проводить оценку данного параметра с использованием фантомов, тест-объектов.
Для контроля параметров и характеристик магнитно-резонансного томографа (МРТ) при использовании последовательности спиновое эхо применяется методика получения контрольных изображений специализированного фантома и последующей их обработки с помощью программного обеспечения (Зеликман М.И., Кручинин С.А., Снопова К.А.: Методика и средства контроля эксплуатационных параметров магнитно-резонансных томографов. Медицинская техника. 2010; 5: с. 27-31). Данный фантом представляет собой полый цилиндр из акрилового пластика, наполненный MP-контрастной жидкостью. Внутри него расположено несколько вставок, необходимых для проведения контроля параметров и характеристик качества MP-изображений, полученных с помощью последовательности спиновое эхо. Для контроля ПРС используется периодическая структура, сформированная из прямоугольных параллелепипедов и зазоров между ними с шагом, равным 2.5, 2.0, 1.5, 1.0, 0.7, 0.5, 0.4 мм.
Известен фантом для оценки параметров магнитно-резонансных изображений при тестировании МРТ по программе аккредитации Американского радиологического колледжа (ACR) (Kaljuste D., Nigul М. Evaluation of the ACR MRI phantom for quality assurance tests of 1.5 T MRI scanners in Estonian hospitals // Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. - 2014. - №63(3). - P. 328-334). Конструкция данного фантома аналогична техническому решению, приведенному выше. Контроль ПРС проводится с использованием структуры из трех пар наборов отверстий с диаметрами от 1.1 мм до 0.9 мм. Проводится визуальная оценка различимости отверстий минимально возможного диаметра на изображении. Исследуемый объект находится в стационарном положении, поэтому использование его для оценки ПРС при МРА невозможно в силу неподвижности периодических структур фантома.
Известен дисковый фантом для контроля измерения скоростей при фазо-контрастной магнитно-резонансной томографии (Пат. 2579824 Российская Федерация, МПК G01R 33/20. Дисковый фантом для контроля измерения скоростей при фазо-контрастной магнитно-резонансной томографии и способ контроля измерения линейной и объемной скорости движения фантома [Текст] / Громов А.И., Сергунова К.А., Петряйкин А.В., Поленок Я.А., Михайленко Е.А.; заявитель и патентообладатель ГБУЗ «НПЦМР ДЗМ». - №2014144054/28; опубл. 10.04.2016, Бюл. №10. - 10 с.). Сущность данного изобретения заключается в наличии вращающегося с заданной угловой скоростью диска, заполненного соединением гадолиния GD-DTPA и закрепленного на валу, который свободно вращается во втулках, опирающихся на кронштейны. Недостатком данного изобретения с точки зрения контроля ПРС является отсутствие периодической структуры.
В качестве ближайшего аналога заявленной полезной модели может быть рассмотрен фантом для моделирования перфузии миокарда (Amedeo Chiribiri et al. Perfusion phantom: an efficient and reproducible method to simulate myocardial first-pass perfusion measurements with cardiovascular magnetic resonance. Magnetic resonance in medicine, vol. 69, no.3, 24.04.2012, pp. 698-707). Данная модель включает пластиковую конструкцию камер сердца и четыре силиконовые трубки равного диаметра, имитирующие артерии и вены сердца, по которым с помощью насоса движется жидкость. Недостатком данного фантома является необходимость подключения насоса, подразумевающего использование длинных трубок с жидкостью, наличие при таком токе жидкости параболического распределения скоростей в поперечном сечении трубки, затрудняющего обработку полученных изображений, а также отсутствие периодической структуры, для которой требуется как минимум три трубки, находящихся на одной прямой.
Медицинская проблема, решение которой обеспечивается при использовании фантома для контроля ПРС при МРА, заключается в необходимости оценки ПРС ангиографических изображений с целью повышения качества диагностических данных при МРА.
Техническая проблема состоит в отсутствии на данный момент средств контроля ПРС при МРА, удовлетворяющих условиям проведения данного исследования, заключающимся в наличии движущегося потока жидкости с заданной скоростью и периодической структуры интенсивности сигнала на изображении.
Использование настоящей полезной модели дает возможность контролировать ПРС при проведении исследований на МРТ в режиме МРА, и как следствие, обеспечить повышение качества диагностических данных при МРА.
Сущность полезной модели заключается в том, что три параллельные силиконовые трубки равного диаметра располагаются на двух шкивах, один из которых заполняется МР-контрастным веществом и помещается в изоцентр магнита, другой находится за пределами радиочастотной катушки. Движение трубок обеспечивается тем, что пара шкивов соединяется с валом двигателя ременной передачей. Контроль ПРС будет проводиться для изображений, полученных при сканировании основного шкива, который помещают внутрь радиочастотной катушки (РЧ-катушки) головы. Максимальные габаритные размеры каждого шкива с опорами 180×160×123 мм. Оба шкива закреплены на подставке длиной 600 мм. Двигатель располагается вне магнита на расстоянии 3,5 метра. Диапазон частоты вращения вала двигателя от 0 до 60 оборотов/мин.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1 - Схема-чертеж динамического фантома для контроля ПРС
Фиг.2 - Рисунок соединения шкивов
Фиг. 3 - Внешний вид шкива с закрепленными на нем силиконовыми трубками
Фиг. 4 - Разрез трубки с MP-контрастной жидкостью
Фиг. 5 - Трубка силиконовая на шкиве
Фиг. 6 - Схема позиционирования шкива в МРТ
Фиг. 7 - Рисунок получения необходимого среза шкива при сканировании в МРТ
Фиг. 8 - Разрез шкива с силиконовыми трубками
Фиг. 9 - Фотография проведения эксперимента с использованием фантома
Фиг. 10 - Фотография расположения фантома на столе пациента в РЧ-катушке
Фиг. 11 - МРА изображение аксиального среза основного шкива с силиконовыми трубками: а) - в покое; б) - в движении; в) - построение линии
Фиг. 12 - Профиль границы периодической структуры силиконовых трубок
Осуществление полезной модели
На фиг. 1 представлена схема-чертеж динамического фантома, где 1 - силиконовые трубки, 2 - основной шкив, 8 - опорный диск, 4 - приводной ремень, 3, 5 и 9 - подставки, 6 - шкив двигателя, 7 - двигатель.
Динамический фантом состоит из основного шкива 2, закрепленного на валу, который вращается в подставке 3, и опорного диска 8, также закрепленного на валу, вращающимся в подставке 5. Все детали выполнены из немагнитных пластиковых материалов. Поверх шкивов надеты силиконовые трубки 1 равного диаметра. Крутящий момент передается на фантом посредством ременной передачи 4 со шкива двигателя 6, расположенного на оси двигателя 7 вне магнита на расстоянии 3,5 метра.
На фиг. 2 рисунок соединения шкивов. На фиг. 3 - вид сверху шкива, закрепленного на валу, с надетыми силиконовыми трубками.
Движение жидкости относительно томографа обеспечивается перемещением герметичной трубки. На фиг. 4 представлен разрез участка трубки в месте соединения ее концов, где 1 - трубка силиконовая, 10 - переходник соединительный, 11 - МР-контрастная жидкость, 12 - элементарный слой жидкости.
Участок трубки 1, соединенной в кольцо переходником 10, заполнен МР-контрастной жидкостью 11 и движется с линейной скоростью V. В условиях, близких к нормальным, жидкость можно считать несжимаемой [Основы гидродинамики: учеб. пособие / С.Д. Чижиумов. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - 106 с.], поэтому элементарный слой 12 также движется со скоростью V. С учетом несжимаемости, каждый последующий элементарный слой жидкости движется со скоростью V.
На фиг. 5 представлен участок трубки на шкиве, где 1 - трубка силиконовая, 2 - шкив.
Так как основной шкив вращается с угловой скоростью w, линейную скорость V элементарного участка трубки можно найти:
где r - расстояние от оси вращения шкива до центра элементарного участка;
ω - угловая скорость вращения шкива.
0
Если вал двигателя вращается с частотой n об/мин, то его угловая скорость w равна
Считаем, что угловая скорость вращения основного шкива равна угловой скорости вращения опорного диска, так как можно пренебречь значением упругого скольжения силиконовых трубок. Данная скорость определяется из формулы передаточного отношения для ременной передачи и равна
где b - диаметр шкива двигателя;
D - диаметра опорного шкива;
ω - угловая скорость вращения опорного шкива;
0
ω - угловая скорость вращения шкива двигателя.
Таким образом, линейная скорость любого элементарного участка силиконовой трубки с жидкостью может быть вычислена следующим образом:
Предлагается использование основного и опорного шкива диаметром D=0.100 м, шкива двигателя диаметром b=0.036 м, частоты вращения ротора двигателя n=1 об/сек. При этом расстояние от оси вращения шкива до центра элементарного участка трубки r = 0,110 м. Тогда расчетная скорость движения элементарного участка силиконовой трубки с MP-контрастной жидкостью составит V=0,248 м/с.
Для диаметра шкива двигателя, равного 0,018 м, линейная скорость примет значение V=0,124 м/с.
Для контроля пространственной разрешающей способности может использоваться периодическая структура, сформированная из трех силиконовых трубок и перегородок между ними. Перед сканированием следует установить РЧ-катушку на деке стола пациента и обеспечить ее электрическое питание. Внутри РЧ-катушки размещается фантом и центрируется относительно нее по срединной линии шкива, как показано на фиг. 6. После этого необходимо добиться совпадения центра приемной РЧ-катушки с изоцентром МРТ путем точного совмещения срединной линии шкива с лазерным лучом. Отсутствие точного позиционирования приведет к искажению периодической структуры и неверным результатам. Далее запускают процедуру сканирования с использование МРА импульсных последовательностей и получают аксиальные изображения по разрезу А-А (фиг. 7, 8) шкива с трубками. На фиг.8 показано, что периодическая структура представляет собой чередование внутреннего диаметра трубки ∅d и зазора (d), состоящего из стенок соседних трубок и перегородок.
Для изготовления фантома использовались детали, напечатанные на 3D-принтере с толщиной слоя 50 мкм по технологии FFF (Fused filament fabrication). Материалами для основного шкива были выбраны пластики: АБС (акрилонитрилбутадиенстирол) и СБС (стирол-бутадиен-стирол). Чертежи всех деталей выполнялись в среде SolidWorks. Основной шкив заполнялся MP-контрастным веществом на основе геля. Для заполнения силиконовых трубок использовалась дистиллированная вода с МР-контрастным веществом, их соединение осуществляли силиконовым переходником, фиксируя стык силиконовым герметиком. Все опоры были вырезаны лазером из оргстекла. Эксперименты проводили на MP томографе Excelart Vantage Atlas-X (Тошиба, Япония) с индукцией постоянного магнитного поля 1,5 Тл с применением режима 3D-TOF (ТЕ=8 мс, TR=32 мс, угол наклона 20°, толщина среза 1.2 мм).
На фиг. 9 представлена фотография проведения эксперимента с использованием фантома. Опорный шкив фантома помещают в головную РЧ-катушку, как показано на фиг. 10.
пр
Полученные МРА изображения неподвижного и движущегося шкива с силиконовыми, заполненными MP-контрастной жидкостью трубками представлены соответственно на фиг. 11а и фиг. 11б. Вдоль центральной оси трубок (как показано на фиг. 11 с) строится профиль границы (Фиг. 12). Далее определяется коэффициент пространственной разрешающей способности (К):
max
где M - среднее значение максимумов яркостей пикселей профиля границ периодической структуры;
min
M - среднее значение минимумов яркостей пикселей профиля границ периодической структуры;
с
М - среднее значение яркостей пикселей сигнала внутри фантома за пределами периодической структуры.
Если расчетное значение коэффициента пространственной разрешающей способности превышает 50%, тогда величина пространственной разрешающей способности соответствует d, заданному шагу периодической структуры.
пр
пр
Первое сканирование рекомендуется делать с шагом периодической структуры d, равным заявленному производителем значению ПРС. Если рассчитанный К с данным шагом меньше 50%, необходимо проводить сканирования с увеличением шага периодической структуры, пока К не превысит 50%.