Entwicklung und Evaluation von 3D-Druck-Phantomen für die diagnostische und interventionelle Röntgenbildgebung

Mit 3D-Drucker erstelltes Phantom einer Schwangeren im CT

Hintergrund

Für die Qualitätssicherung bei der medizinischen Anwendung von ionisierender, also besonders energiereicher Strahlung am Menschen werden Testkörper, sogenannte Phantome, benötigt, um die Bildqualität und Dosisverteilung messen zu können. Anthropomorphe Phantome bilden den menschlichen Körper in seiner Anatomie und Gewebezusammensetzung möglichst realistisch nach. Sie sind damit eine besonders gute Annäherung von Patient*innen. Kommerziell verfügbare Phantome repräsentieren allerdings nur Personen mit Standardkörpermaßen und sind daher für bestimmte Personengruppen nicht geeignet. Insbesondere für korpulente Personen, Kinder mit unterschiedlichen Staturen oder auch schwangere Patientinnen weichen die Behandlungsparameter, die Bildqualität sowie die Dosisbelastung stark von den Werten für Standardpatient*innen ab.

Zielsetzung

Das verwendete 3D-Druck-Verfahren ist ein Filament-basiertes-Schmelzschichtverfahren. Dieses bietet viele Möglichkeiten für die Herstellung von Phantomen, wie zum Beispiel die Verwendung von Kunststoff- und Komposit-Materialien, welche zusätzlich Stein-, Metall- oder Holzpartikel enthalten, oder der Verringerung der Dichte von gedruckten Objekten durch geeignete Druckstrukturen. Der zur Verfügung stehende 3D-Drucker kann so bis zu drei verschiedene Filamenten gleichzeitig verarbeiten.

Durchführung

Das Projekt wurde in drei Arbeitsabschnitte eingeteilt:

• Die Charakterisierung der Gewebeäquivalenz von kommerziell verfügbaren 3D-Druck-Materialien,
• den Vergleich von 3D-gedruckten mit konventionell hergestellten Phantomteilen sowie
• die Validierung eines individualisierten Phantoms mittels Computersimulationen an einem virtuellen Modell.

Für das erste Teilprojekt wurden mehr als 20 verschiedene 3D-Druck-Proben aus den unterschiedlichsten Filament-Typen und mit verschiedenen Druck-Einstellungen (z.B. der Innen-Dichte) hergestellt. Für Röntgenstrahlung mit Energien, wie sie auch in der Röntgenbildgebung verwendet werden, wurden die Schwächungs- und Absorptionseigenschaften dieser Proben gemessen und mit typischen Werten des menschlichen Gewebes verglichen, um geeignete Materialien und Druckeinstellungen zur Imitierung von Geweben in Phantomen zu klassifizieren.¹

Unter Verwendung geeigneter Materialien wurden daraufhin Teile des Thorax und der Brust eines konventionell hergestellten Phantoms mit dem 3D-Drucker reproduziert. Durch Untersuchungen am Computertomographen konnten die jeweiligen Bildgebungseigenschaften verglichen werden. Messungen mit Thermolumineszenz-Dosimetern (TLD) ermöglichten einen Vergleich der Dosisverteilungen im Inneren der unterschiedlich hergestellten Phantome.²

Im letzten Teilprojekt wurde mit den zuvor entwickelten Methoden das Phantom einer schwangeren Frau auf Basis eines virtuellen Menschen-Modells gedruckt. Damit ergab sich die Möglichkeit, die gemessene Dosis im Fötus während einer CT-Untersuchung der Mutter mit Ergebnissen aus Computer-Simulationen am virtuellen Modell der Schwangeren zu vergleichen. Solche Simulationen sind die derzeit etablierte Methode für Dosisabschätzungen bei Schwangeren.

Ergebnisse und Zusammenfassung

Weichteilgewebe und die innere Knochenstruktur lassen sich gut durch 3D-Druck-Materialien in ihren radiologischen Eigenschaften nachbilden. Lediglich für den dichteren Anteil von Knochen (die Kortikalis) konnte kein Material mit ähnlichen Eigenschaften gefunden werden. Die 3D-gedruckten Phantomteile waren weitgehend äquivalent zu den konventionell hergestellten Phantomteilen in ihrer Geometrie, dem Gewebekontrast und der absorbierten Dosis. Die gemessene fetale Dosis im 3D-gedruckten Phantom einer Schwangeren für eine CT-Aufnahme stimmte mit den Ergebnissen der Computer-Simulation am entsprechenden virtuellen Modell überein.

Somit besteht die Möglichkeit, individuelle Phantome für Anwendungen in der diagnostischen und interventionellen Radiologie mittels 3D-Druck-Techniken herzustellen. Die damit erzielbaren Ergebnisse hinsichtlich Bildqualität und Dosisverteilungen sind äquivalent zu etablierten Methoden.

Publikationen

1. Kunert P, Trinkl S, Giussani A, Reichert D, Brix G. Tissue equivalence of 3D printing materials with respect to attenuation and absorption of X-rays used for diagnostic and interventional imaging. Medical Physics. Dec 2022;49(12):7766-7778.

2. Kunert P, Schlattl H, Trinkl S, Giussani A, Klein, L, Janich, M, Reichert, D, Brix, G. Reproduction of a conventional anthropomorphic female chest phantom by 3D printing: Comparison of image contrasts and absorbed doses in CT. Medical Physics. July 2023;50(8):4734-4743