Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень з моделюванням різних патологічних станів

Реферат: Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень включає в себе моделювання патологічно змінених уражених тканин та здорових тканин, що оточують патологічно змінені тканини, за допомогою матеріалів з різними пружними властивостями. Крім цього для моделювання здорових і патологічно змінених тканин застосовуються матеріали біологічного походження. UA 113586 U (54) СПОСІБ СТВОРЕННЯ АНТРОПОМОРФНОГО ФАНТОМУ ДЛЯ ОБСТЕЖЕНЬ З МОДЕЛЮВАННЯМ РІЗНИХ ПАТОЛОГІЧНИХ СТАНІВ UA 113586 U UA 113586 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до медицини, зокрема до ультразвукової діагностики, променевої діагностики, медичних пристроїв і стосується медичного фантому для моделювання соноеластографічних обстежень, інтервенційної ультразвукової діагностики (УЗД), який може використовуватись зокрема для імітації як нормальної паренхіми печінки, так і патологічно зміненої, навчання, підвищення кваліфікації лікарів-інтервенціоністів і фахівців з УЗД. За останні 5-7 років соноеластографія, тобто сукупність методик для ультразвукового дослідження пружних властивостей м'яких тканин, стала провідним інноваційним напрямком УЗД. На сьогодні доведено, що зміни пружних властивостей тканин тісно корелюють з різними патологічними станами і тому ультразвукова еластографія має забезпечити спосіб диференціації різних патологій і патологічних станів, які не можуть бути ідентифіковані за допомогою традиційних методів ультразвукової візуалізації. Технологія в даний час досягла тієї стадії, коли численні втілення залишили дослідну лабораторію і з'являються в клінічних умовах. В той же час значні темпи розвитку та розмаїття технологій реалізації, а ще й бажання завоювати широкі сфери клінічного застосування, призвели, як це вже відбувалось традиційно з іншими діагностичними модальностями, до "хвороб зростання". Радіологи отримали цілу низку перспективних інструментів, але з поки що не до кінця опрацьованими принципами візуалізації стосовно різних типів тканин та органів в цілому, клінічної інтерпретації соноеластографічних зображень та визначення еластосеміотики (EFSUMB Guidelines and Recommendations on the Clinical Use of Ultrasound Elastography. Part 1: Basic Principles and Technology. Bamber J., Cosgrove D., Dietrich C. F. et al. // J. Ultraschall in Med. - 2013. - № 34. - P. 169-184; Баранник Е.А., Дынник О.Б., Линская А.В., Марусенко А.И. Ультразвуковая эластография: вчера, сегодня, завтра // Променева діагностика, променева терапія. - № 1. - 2012. - С. 72-77; Дынник О.Б., Линская А.В., Добиляк Н.Н. Сдвигововолновая эластография и эластометрия паренхимы печени (методические аспекты) // Променева діагностика, променева терапія. - 2014. - № 1-2. С. 73-82; Зыкин Б.И., Постнова Н.А., Медведев М.Е. Эластография: анатомия метода // Променева діагностика, променева терапія. - 2012. - № 2-3. - С. 107-113; Линская А.В., Баранник Е.А., Дынник О.Б., Марусенко А.И. Артефакты в режиме сдвигововолновой эластографии. // Матеріали і тези наукового симпозіуму "Новітні напрямки в ультразвуковій діагностиці: еластографія, контрастне підсилення, телерадіологія", Трускавець, 24-26 червня 2014 р. - С. 103-105). Відсутні сьогодні й чіткі показання та стандартні протоколи застосування методу та опису патернів просторового розподілу пружності. Тобто сьогодні ще не усталений категоріальний апарат та прийоми ідентифікації і уникнення артефактів, що пов'язані з фізикою еластографічних методик та індивідуальними особливостями кожного пацієнта. Широке впровадження в клінічну практику ультразвукової еластографії дозволить забезпечити масовість її виконання при дифузних захворюваннях і вогнищевій патології органів та тканин. У зв'язку з цим, особливу актуальність набуває питання підготовки фахівців методикам еластографії на спеціалізованих акустичних фантомах. Акустичні фантоми відіграють важливу роль для контролю якості та при тестуванні ультразвукового обладнання, а також є дуже корисними та безпечними інструментами на початкових етапах навчання клінічних фахівців. Для того, щоб гарантувати, що проведені на фантомах вимірювання узгоджуються з вимірюваннями на біологічних об'єктах, вони мають бути створені з матеріалів, які імітують біотканини (МІБ), демонструючи подібні акустичні властивості у всьому діапазоні частот, що використовуються для діагностики. Згідно зі стандартами Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК-1390) та Американського інституту ультразвуку в медицині (АIUМ), МІБ для створення фантомів для звичайного УЗД обстеження в В-режимі повинен мати наступні акустичні характеристики: швидкість розповсюдження звуку -1 -1 1540 м/с, коефіцієнт затухання від 0,5-0,7 дБ × см × МГц для діапазону частот від 2-15 МГц з лінійною функцією зростання коефіцієнта затухання з частотою. Відомий спосіб створення акустичних фантомів з МІБ біологічного походження, а саме з агару, рослинних або м'ясних продуктів (Matalon T.A., Silver В. US guidance of interventional procedures. Radiology, 1990; 174:43-7; G.A. Chapmanetal. Needle position using ultrasonography. Anaesthesia, 2006; 61:148-58). До переваг цих фантомів належить те, що вони забезпечують достатньо реалістичне відображення тканини та її акустичних характеристик, є простими у виготовленні, недорогими і відносно стійкими, тобто не псуються в процесі одного або декількох сеансів використання. До недоліків усіх відомих фантомів з біологічних матеріалів належить те, що вони адаптовані до мети відтворення акустичних властивостей однієї конкретної тканини або патології. На сьогодні не існує спеціально розроблених стандартів для МІБ, які можуть використовуватись для еластографічних фантомів. Проте, базуючись на рекомендаціях МЕК1390 та АIUМ до МІБ, інтегруючи в дизайн інструментів певні поправки на пружні властивості як 1 UA 113586 U здорової, так і патологічно зміненої цільової тканини, створено декілька комерційних та дослідницьких пружних фантомів для соноеластографії. Встановлено, що МІБ для таких фантомів, окрім стандартних акустичних характеристик, повинні задовольняти цілком визначеним додатковими вимогам щодо пружних властивостей (табл. 1). 5 Таблиця 1 Пропоновані пружні властивості МІБ, згідно з даними клініко-експериментальних досліджень Механічні властивості Діапазон розмірів Референсне Орган цільового ураження Цільове значення значення Пружний контраст (мм) жорсткості (кПа) жорсткості (кПа) Молочна залоза 25 30-200 1,2-8 1-20 Простата 15 10-40 0,7-2,7 5-40 Щитоподібна залоза 10 15-180 1,5-18 10-40 Печінка 3 3-16 1-5,3 10-80 Паренхіма печінки 3-30 Примітка: еластичний контраст - відношення цільового до референсного значення жорсткості для органу 10 15 20 25 30 35 40 Найбільш близьким за технічним рішенням до способу, що заявляється, є спосіб створення соноеластографічного фантому, реалізований у комерційних зразках фантомів компанії CIRS (США) (http;//www.universalmedicalinе.com/CIRS-Elasticity-OA-Phantoms-p/049-umi.htm). Спосіб включає в себе моделювання патологічно змінених уражених тканин та здорових тканин, що оточують патологічно змінені тканини, за допомогою матеріалів з різними пружними властивостями. Компанія CIRS випускає фантоми (моделі 049 і 049а) з різними цільовими значеннями жорсткості (8, 14, 45, 80 кПа), які розроблені спеціально для контролю за якістю та продуктивністю апаратури. Обидва фантоми вироблені із специфічного синтетичного МІБ Zerdine®, причому до складу першого входять сферичні цільові зони ураження діаметром 10 та 20 мм, що імітують патологічно змінені тканини з відмінним від оточення значенням модуля Юнга, а до другого - циліндричні з діаметром в діапазоні 1,58-6,49 мм. До переваг способу належить те, що він дозволяє імітувати соноеластографічні обстеження при одночасному скануванні різних органів (передміхурової залози, молочної залози і печінки) і патологій. Недоліком цього способу створення соноеластографічних фантомів є, по-перше, обмежений діапазон значень модуля Юнга, що призводить до погіршення точності соноеластографічного обстеження при імітуванні одночасного сканування різних органів, по-друге, неадекватне відтворення діапазону відношень зона ураження/нормальна тканина, яке спостерігається в клінічному плані і, по-третє, висока вартість. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу створення фантому для соноеластографічних обстежень, який дозволяє за рахунок застосування біологічних матеріалів знизити вартість фантому, розширити діапазон значень модуля Юнга, діапазон відношень зона ураження/нормальна тканина і моделювати, таким чином, різні патологічні стани в процесі навчання та підвищення кваліфікації лікарів-інтервенціоністів і фахівців з УЗД. Поставлена задача вирішується таким чином: 1. Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень, що включає в себе моделювання патологічно змінених уражених тканин та здорових тканин, що оточують патологічно змінені тканини, за допомогою матеріалів з різними пружними властивостями, який відрізняється тим, що для моделювання здорових і патологічно змінених тканин застосовуються матеріали біологічного походження. 2. Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень за п. 1, який відрізняється тим, що матеріали біологічного походження вибираються у відповідності допружних властивостей здорових і патологічно змінених тканин, які відповідають наперед заданому патологічному стану. 3. Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень за п. 1, який відрізняється тим, що розміри і форма біологічних матеріалів, які моделюють здорові і патологічно змінені тканини, відтворюють розмірну форму здорових і патологічно змінених тканин, які відповідають наперед заданому патологічному стану. 2 UA 113586 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Відмінні ознаки в своїй сукупності є необхідними та достатніми для досягнення поставленої задачі, в інших відомих технічних рішеннях не виявлені, що забезпечує корисній моделі відповідність критерію "новизна". На фіг. 1 показаний загальний вигляд фантому для соноеластографічних обстежень. На фіг. 2 представлене зображення, що було отримане методом зсувнохвильової еластографії, фантому, створеного у відповідності до запропонованого способу. Фантом моделює кісту, коли м'який об'єкт з желатину оточений жорстким середовищем (манка) з модулем Юнга біля 20 кПа. На фіг. 3 представлене зображення того ж фантому, що моделює кісту по Ueno і було отримане методом компресійної еластографії. Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень включає в себе моделювання патологічно змінених уражених тканин та здорових тканин, що оточують патологічно змінені тканини, за допомогою матеріалів біологічного походження з різними пружними властивостями, причому пружні властивості, розміри і форма біологічних матеріалів, які моделюють здорові і патологічно змінені тканини, відтворюють розміри і форму здорових і патологічно змінених тканин, які відповідають наперед заданому патологічному стану. При реалізації запропонованого способу фантом створюють у традиційному вигляді камери з пластику у формі циліндра чи паралелепіпеда, розміри якого такі ж самі, як у звичайних акустичних фантомів (фіг. 1). Камеру заповнюють біологічними матеріалами-наповнювачами, що моделюють здорові та патологічно змінені тканини та структури. Як наповнювачі можливо застосування різноманітних крохмаль(целюлоза)вмісних водних розчинів різної концентрації і калібру зерен (клейстер, каші різних фракцій з різних круп, макаронні вироби, борошно тощо). Зокрема, модуль Юнга наповнювача з діапазону 0,8-3,5 кПа може бути змодельований водними розчинами крохмалю з різною концентрацією крохмалю - 1 частка крохмалю, 49 часток води, температура кипіння 100 °C, час кипіння 1-2 хвилини, час вистигання 120-180 хвилин. Таким чином можна моделювати тканини некротичні, дистрофічні та запальні розм'якшення, як це буває у паренхімі щитоподібної залози, печінки, селезінки, підшлункової залози і кори нирок. М'які об'єкти можна моделювати також за допомогою желатину або агар-агару, як показано на фіг. 2 і 3. Більш високі значення модуля Юнга з діапазону 4-120 кПа можуть бути промодельовані водними сумішами круп (манна, ячнева, рисова та кукурудзяна січка або цільнозернова), як показано в табл. 2, та сумішами різних пропорцій з водними розчинами крохмалю (температура кипіння 100 °C, час кипіння круп 5-10 хвилин, час вистигання 180-240 хвилин). Такими сумішами можна моделювати, наприклад, здорові та патологічно змінені паренхіми щитоподібної залози, печінки, селезінки, підшлункової залози і кори нирок. За допомогою макаронних виробів різних форм та зернових круп у суміші з водою моделюються "крупнозернисті" тканини подібні жировій клітковині, дифузні ураження у фіброгландулярній тканині молочної залози чи паренхімі щитоподібної залози, дифузні патології печінки - фіброз та цироз, гемобластози для селезінки і дифузні ураження паренхіми нирок, досягаючи значення модуля Юнга у 300 кПа. Таблиця 2 Пропоновані пружні властивості МІБ, згідно з даними клініко-експериментальних досліджень Біологічний матеріал-наповнювач Крохмаль Крохмаль Крупа манна Крупа манна Кукурудзяна січка Рис 45 Відношення часток крупа/вода (г/ на 1 л) 30-45 50-60 60-70 100-130 40-50 80-90 Модуль Юнга, кПа 0,8-1,5 2-3 4-5 7-9 10-25 100-120 Внесення в наповнювач різноманітних за розмірами, формою та пружністю біологічних об'єктів дозволяє змоделювати вогнищеву патологію будь-яких органів та систем. Зокрема, як жорсткі об'єкти можуть слугувати жовтки круто зварених курячих чи перепелиних яєць, модуль Юнга яких досягає 100-150 кПа. Аналогічним чином, ракові вогнища моделюються набряклими крупами та сухофруктами і т.д. 3 UA 113586 U 5 Нарешті, послідовне нашарування різних за текстурою та пружністю шарів наповнювача дозволяє моделювати шари шкіри та стінок тулуба (грудної та черевної порожнин), що генерують реверберацію ультразвукових сигналів відгуку, яка негативно впливає на точність вимірювань модуля Юнга. За допомогою нашарувань моделюється також зональне ураження крупних паренхіматозних органів. Наприклад, ураження печінки при алкогольній чи неалкогольній (цукровий діабет) жировій хворобі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень, що включає в себе моделювання патологічно змінених уражених тканин та здорових тканин, що оточують патологічно змінені тканини, за допомогою матеріалів з різними пружними властивостями, який відрізняється тим, що для моделювання здорових і патологічно змінених тканин застосовуються матеріали біологічного походження. 2. Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень за п. 1, який відрізняється тим, що матеріали біологічного походження вибираються у відповідності до пружних властивостей здорових і патологічно змінених тканин, які відповідають наперед заданому патологічному стану. 3. Спосіб створення антропоморфного фантому для соноеластографічних обстежень за п. 1, який відрізняється тим, що розміри і форма біологічних матеріалів, які моделюють здорові і патологічно змінені тканини, відтворюють розміри і форму здорових і патологічно змінених тканин, які відповідають наперед заданому патологічному стану. 4 UA 113586 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5