Динамический фантом для калибровки МР-ангиографии

Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод медицинской визуализации, основанный на явлении ядерного магнитного резонанса. Пациента помещают в магнитное поле – постоянное, очень мощное, и переменное, послабее. Магнитный момент ядер водорода под действием этих полей меняет свое направление. При этом возникает электромагнитное излучение, его регистрируют специальными приемниками и получают изображение. Чаще всего таким образом смотрят мягкие ткани. Важно, что МРТ позволяет не только строить изображения неподвижных тканей, но также может с большой точностью измерять скорость движущихся объектов, прежде всего – крови в кровеносных сосудах. Технология визуализации сосудов получила название МР-ангиографии.

Чтобы томограф работал правильно а изображения и измерения соответствовали действительности, его нужно настраивать (калибровать) с помощью специальных приборов, называемых «фантомами». Существуют фантомы и для калибровки режима МР-ангиографии. Обычно такой фантом содержит трубку, через которую прокачивают жидкость с заранее известной скоростью. При калибровке измеряют скорость «как получится», и потом сравнивают результат измерений с действительной скоростью потока в трубке. Если есть разница, вычисляют поправку и записывают ее в память прибора. Эти поправки применяется при всех последующих измерениях скорости кровотока у пациентов. Со временем поправки «съезжают», и тогда прибор калибруется заново. Это делается регулярно при штатном обслуживании прибора.

На практике оказывается, что создать «эталонный» поток жидкости с известной скоростью не так просто. Из-за вязкого трения жидкость течет неравномерно: у стенок медленнее, в центре – быстрее. В лучшем случае известно среднее значение скорости.  Качество калибровки из-за этого снижается.

Мы разработали фантом, который позволил полностью решить эту проблему. Удалось не только создать «кровеносный сосуд» с фиксированной скоростью внутри, но также сделать непрерывно меняющуюся палитру точно задаваемых скоростей. В нашей модели наполнитель никуда течет – вместо воды используется желе из агарозы. Объемная концентрация молекул H₂O в нем точно такая же, как и в любой жидкости человеческого организма. Если закрепить такое желе на механическом приводе и заставить его двигаться, скорость  движения можно задать с большой точностью.

Изделие представляет собой два полых вращающихся диска, заполненных агарозным гелем (рис. 1, 2). На дисках как на шкивах натянуты силиконовые трубки, также заполненные гелем – они имитируют кровеносные сосуды. Конструкция приводится в движение электродвигателем, обороты которого можно регулировать с большой точностью. Если частота вращения диска ω известна, линейную скорость в каждой точке легко посчитать по формуле v=ω×r (r – расстояние от оси вращения). Эта точное значение скорости без каких-либо приближений – никакая вязкость и турбулентность на результат не влияют.

Рис. 1. Основной рабочий элемент динамического фантома – пластиковый диск, заполненный агаровым желе. Детали изготовлены из пластика SBS двух разных цветов (идет подбор наилучшего материала). Желобки на поверхности диска используются для проведения трубок, имитирующих кровеносные сосуды. На станине неподвижно закреплены пробирки с МР-контрастными веществами. Они имитируют неподвижные ткани организма – жир, серое и белое вещества мозга – для обеспечения корректной относительной яркости сигнала «крови»

Для изготовления деталей такого фантома, имеющих сложную форму, мы использовали 3Д-принтер Picaso Designer PRO 250. Далеко не сразу удалось найти оптимальные формы и размеры деталей, приходилось много экспериментировать. Также пришлось перебрать не один материал, прежде чем мы получили требуемые характеристики.

Рис. 2. Детали динамического фантома в сборе: установлены трубки, имитирующие сосуды. Вращающийся диск здесь изготовлен из белого HIPS. Рядом еще один экземпляр из зеленого SBS. Какой пластик лучше – покажет исследование на томографе

Когда все технологические вопросы решены, фантом доставили в клинику для измерений (рис. 3).

Рис. 3. Испытания на томографе. 1 – динамический фантом, состоящий из основного диска 2, заполненного агарозным гелем, шкива 4 и силиконовых трубок 3, заполненных МР-контрастной жидкостью. Фантом вращается за счет передачи момента посредством ременной передачи 6 от шкива двигателя 5

На рис. 4 показаны результаты измерения скорости в нашем фантоме. Скорость движения образца меняется от –12 см/с в верхней части диска до +12 см/с в нижней. Скорость измеряется только там, где есть вода. Ни воздух, ни пластмасса на МРТ не регистрируются – соответствующие участки изображения заполнены шумом.

Рис. 4. Сечение фантома, полученное по технологии МР-ангиографии. С помощью различий яркости показаны разные скорости движения жидкости. Четыре кружка по бокам – неподвижные пробирки (в данном случае – с водой). Градиентный клин в центре – сечение движущегося агарозного наполнителя внутри диска. Три черных кружка вверху и три белых внизу – сечения «сосудов»