3D gedruckter Kopf hilft der University of Pittsburgh MRI-Scans zu verbessern

Phantome sind nicht nur gespenstische Figuren unserer Vorstellungskraft, sie sind auch numerische oder physikalische Modelle, die menschliche Eigenschaften darstellen und eine kostengünstige Möglichkeit bieten, elektromagnetische Anwendungen zu testen. Sossena Wood, eine biotechnologische Doktorandin an der Universität von Pittsburgh, hat in der Swanson School of Engineering einen realistischen Phantomkopf für die Magnetresonanzforschung entwickelt.

Wood begann ihre Zeit bei Pitt als Studentin in der Abteilung für Elektrotechnik und Computertechnik, wo sie Tamer Ibrahim, einen Associate Professor für Bioingenieurwesen, kennenlernte. Sie begann während ihres letzten Jahres mit der Forschung in seinem Labor, der Radiofrequency (RF) Forschungseinrichtung, und beendet nun ihre Dissertation, die ähnliche Forschung wie ein Doktorand in der Abteilung für Bioengineering beinhaltet.

Ibrahim stellte sich voe, einen 3D-gedruckten Phantomkopf zu entwerfen, der in seinem Labor mit der einzigartig entwickelten Ultrahochfeldtechnologie verwendet werden kann. „In dem RF Research Facility, verwenden wir einen Ganzkörper-7-Tesla-Magnetresonanztomograph (7T MRT), die eine der stärksten klinischen Human MRI-Geräte in der Welt ist“, sagte Ibrahim. Die 7T Ultrahochfeldtechnologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug, aber leider gibt es bei dieser Art der Bildgebung einige Rückschläge.

“Wenn Sie sich von niedrigeren zu höheren Feldern bewegen, werden die erzeugten Bilder weniger einheitlich und lokale Erwärmung wird häufiger”, erklärte Ibrahim. “Wir wollten einen anthropomorphen Phantomkopf entwickeln, der uns hilft, diese Probleme besser zu verstehen, indem wir einen sichereren Weg für die Untersuchung der Bildgebung wählen. Wir verwenden das Gerät zur Analyse, Auswertung und Kalibrierung der MRT-Systeme und Instrumente, bevor wir neue Protokolle am Menschen testen.”

Forscher verwenden derzeit numerische Simulationen, um die Wirkung elektromagnetischer (EM) Felder auf biologisches Gewebe bei unterschiedlichen Frequenzen zu untersuchen. Wood sagte: „EM numerische Modellierung ist bisher ein Standard gewesen, um diese Interaktionen zu analysieren, und wir wollten ein Phantom schaffen, dass die menschliche Form für den Einsatz ähnelt, um die EM-Modellierung zu Validieren, wodurch eine realistischere Umgebung zum Testen bereitstellt wird.“

Bevor Wood die 3D-Struktur drucken konnte, musste sie Berechnungsarbeit leisten, um den digitalen Bauplan für das Modell zu erstellen. Sie begann mit einem 3T-MRI-Datensatz eines gesunden Mannes, den sie durch Segmentierung charakterisierte und in acht Gewebeabteilungen zerteilte, was ihr Modell von anderen grundlegenden Phantomköpfen unterscheidet. Laut Wood helfen diese Abteilungen, die Bildgenauigkeit zu verbessern, indem sie als eine Art “Geschwindigkeitsschwelle” für das Feld wirken.

Nach der Berechnung verwendete Holz einen MRI-Scanner um ein 3D-Digitalbild von einem gesunden männlichen Kopf zu erstellen. Sie bearbeitete den Kopf mit Computersoftware, um ein Design erstellen, ändern, analysieren und optimieren zu können.

Der nächste Schritt war, den Prototyp zu drucken, der drei Semester bis zur Fertigstellung dauerte. “Wir haben einen von DSM Somos entwickelten Kunststoff für unser Druckmaterial verwendet, weil wir damit haltbare und detaillierte Teile mit einer ähnlichen Leitfähigkeit wie der menschliche Körper herstellen konnten”, sagte Wood. “Um mit dem Modell, eine soweit gehend reale Umgebung nachzuahmen, haben wir Füllöffnungen für den Prototyp geschaffen, wo wir Flüssigkeiten abscheiden können, die verschiedenen Gewebetypen ähneln.”

Jetzt, wo Wood einen vollständig gedruckten anthropomorphen Phantomkopf hat, ist sie in der Lage, ihn zu montieren und zu testen. Das Phantom hat viele Anwendungen unter anderem Tests, um zu sehen, ob bestimmte Implantate möglich für den MRI sind oder den Temperaturanstieg in verschiedenen Geweben auf der Grundlage verschiedener RF-Instrumentierung zu erfassen.

“Bei der MR-Bildgebung wird die Energie der RF-Strahlung im Gewebe des Patienten in Wärme umgewandelt, was sich insbesondere bei Implantaten, die nicht vom Scanner überwacht werden, nachteilig auf die Gesundheit des Patienten auswirken können”, erklärt Wood. “Mit unserem Phantomkopf können wir die Sicherheit unserer Bildgebung testen, indem wir Sonden in bestimmten Bereichen des Kopfes platzieren und die Auswirkungen messen”, sagte Ibrahim.

Ibrahim und Wood hoffen, dass dieses Modell schließlich kommerziell entwickelt wird und anderen die Möglichkeit bietet, Forschung zu betreiben, ohne auf menschliche Tests angewiesen zu sein.