Разработка фантомов для ядерной медицины основана на последовательном описании вычислительной и экспериментальной биологических моделей объекта исследования. Вычислительные фантомы применяют для описания геометрии объекта исследования и моделирования распространения зондирующего излучения, тогда как экспериментальные фантомы служат для целей проведения тестов контроля качества оборудования и стандартизации протоколов функциональных исследований. Распространённым примером является дозиметрическое планирование радионуклидной терапии и посттерапевтическая сцинтиграфия.
Введение
Исторически термин «фантом» использовали для обозначения экспериментальной модели человеческого тела в большинстве литературных источников. Однако этот термин также применяют для обозначения объектов, с помощью которых проводят контроль качества и калибровку оборудования. Кроме того, фантомами называют математические модели геометрических и физических структур организма.
Экспериментальный фантом имитирует геометрические, физические, а в некоторых исполнениях и физиологические особенности человеческого тела или его части в соответствии с методом физического воздействия (электромагнитное излучение, элемен тарные частицы, звук и т.д.). На сегодняшний день существует большое многообразие видов фантомов. Они производятся из разных материалов и имеют разные параметры.
Фантомы бывают гомогенными, гетерогенными и антропоморфными. Но наибольшее распространение получили фантомы из воды и близких к ней по химическому и физическому составу материалов (наличие схожего эффективного атомного номера и электронной плотности). Также применяются фантомы, смоделированные посредством вычислительной техники в специальных средах программирования, например, GATE. В задачи ядерной медицины, в которых задействованы фантомы, входит фундаментальное изучение распределения введенного радиофармацевтического препарата (РФП), расчет лучевой нагрузки на ткани организма.
Основным измерительным оборудованием в ядерной медицины на данный момент считают системы однофотонной эмиссионной компьютерной (ОФЭКТ) и позитронной эмиссионной (ПЭТ) томографии. Часто ОФЭКТ и ПЭТ комбинируют с системой рентгеновской компьютерной томографии, реже совмещают с системой магнитно-резонансной томографии. Актуален вопрос стандартизации количественных характеристик изображений при проведении диагностических процедур, для чего требуется разработка стандартных образцов
Фантомы — неотъемлемая часть системы менеджмента качества измерительного оборудования. Их применение совместно с средствами автоматизации обработки изображений ядерной медицины позволяют количественно (оператор-независимо) определить и гарантировать точность измеренных параметров распределения РФП в организме. В разработке фантомов участвуют врачи-специалисты и инженерно-технический персонал, непосредственно вовлеченный в работу с оборудованием. С развитием технологий медицинской визуализации, станций пост-обработки изображений, ростом вычислительной мощности персональных компьютеров, применение математических фантомов стало доступно непосредственно в медицинских учреждениях.
Экспериментальные фантомы для ядерной медицины
Разработка и применение экспериментальных фантомов в ядерной медицине связаны, прежде всего, с необходимостью контроля и поддержания требуемого уровня качества получаемой диагностической информации в процессе эксплуатации оборудования. В данном случае под фантомом понимается физический объект, состоящий из конструктивных элементов с заданными физическими характеристиками, позволяющих моделировать определенные свойства или параметры биологических объектов. На сегодняшний день по функциональному назначению можно выделить три основные группы фантомов: –– для оценки и контроля эксплуатационных параметров ПЭТ- и ОФЭКТ-сканеров; –– для проведения калибровки и оценки точности и воспроизводимости показателей, используемых при количественном анализе, например, стандартизованного показателя накопления (SUV); –– тканеэквивалентные антропоморфные фантомы для оптимизации протоколов исследований.
Фантомы для контроля характеристик ПЭТ- и ОФЭКТ-сканеров
Первые две группы фантомов используются при проведении технических испытаний в рамках программы обеспечения контроля качества (Quality Assurance), включающей в себя как периодический технический контроль, проводимый специализированными организациями, так и контроль на постоянство параметров, осуществляемый квалифицированными сотрудниками медицинских организаций с использованием специально разработанных фантомов либо рекомендованными государственными образцами. Подробное описание методологии проведения испытаний ПЭТ- и ОФЭКТ-систем приводится в соответствующих зарубежных руководствах Международного агентства по атомной энергетике (МАГАТЭ, IAEA) и Национальной ассоциации электротехнической промышленности (NEMA), а также в стандартах Международной электротехнической комиссии (МЭК, IEC), ряд из которых переведен на русский язык.
Для оценки фракции рассеяния излучения и потери счета ПЭТ-систем предлагается использовать фантом в виде сплошного цилиндра из полиэтилена с плотностью 0,9 г/см3, внутри которого параллельно оси цилиндра на расстоянии 45 ± 1 мм от центра имеется отверстие диаметром 6,4 ± 0,2 мм для размещения полиэтиленовой трубки с линейным источником 18F (рис. 1а). Представленная конструкция позволяет измерять относительную чувствительность системы позитронно-эмиссионных томографов к рассеянному излучению, а также оценивать скорость эквивалентного счета шума (NECR), которая является существенным параметром для оценки производительности ПЭТ-сканера и влияние времени простоя системы и генерации случайных событий на нескольких уровнях активности источника.
Совершенно иное техническое решение реализовано при создании фантома для оценки томографической чувствительности ПЭТ-систем. В данном случае источником сигнала служит цилиндрическая трубка, заполняемая дистиллированной водой с растворенным в ней радиоизотопом 18F заданной активности. Контролируемый параметр определяется методом регрессионного анализа исходя из зависимости скорости истинных совпадения от коэффициента ослабления материала для пяти алюминиевых коаксиальных втулок длиной 700 мм, толщиной стенки 12,5 мм и внешним диаметром 9,5, 12,5, 15,9, 19,1 мм соответственно (рис. 1б).
Рис. 1. Фантомы для контроля характеристик ПЭТ систем: (а) — оценки фракции рассеяния и потери счета; (б) — оценки томографической чувствительности; (в), (г) — контроля качества изображения (внешний вид и полученное изображение соответственно)
Особое место среди представленного испытательного оборудования занимают фантомы для оценки качества изображения. В их составе имеются полые сферические объекты для имитации «горячих» (при условии заполнения радиоактивными веществами) и «холодных» очагов. Полученные изображения подобных фантомов позволяют оценить такие параметрыкачества, как относительный контраст и неравномерность «фонового» сигнала. Кроме того, данный фантом позволяет определить точность количественной оценки концентрации радиоактивного изотопа путем построения функций зависимости значений коэффициента восстановления от размера очага. Представленный на рис. 1в фантом позволяет моделировать очаги диаметром и 37,0 ± 1,0, 28,0 ± 1,0, 22,0 ± 1,0, 17,0 ± 1,0, 13,0 ± 0,5, 10,0 ± 0,5 мм.
Рис. 2. Фантом для контроля характеристик ОФЭКТ-систем: (а) — подготовка фантома к исследованию; (б) — сбор проекций; (в) — реконструированное изображение фантома на станции обработки изображения
Принципиальным отличием ОФЭКТ от ПЭТ является энергия излучения источника. Тогда как ПЭТ‑изображение формируется аннигиляционным излучением с энергией 511 кэВ, то в ОФЭКТ принято говорить о диапазоне энергий от 80 до 360 кэВ. Также важно акцентировать внимание на способе формирования изображения. Основные элементы в ОФЭКТ-системах — кристалл и коллиматор. От их геометрии зависит чувствительность и пространственное разрешение. Поэтому задачи контроля качества и стандартизация протоколов исследования сводятся к изучению параметров комбинации кристалла с коллиматором. Применяется универсальный наливной фантом (рис. 2) с цилиндрическими и сферическими вставками для определения равномерности восстановления распределения источника, контраста, пространственного разрешения, чувствительности, шума, линейности, а также тестирования специализированного программного обеспечения. При работе с различными радионуклидами необходимо контролировать градуировку спектрометрического тракта ОФЭКТ, для этого проводят тест с гаммаисточником излучения известной энергии.
Тканеэквивалентные антропоморфные фантомы
Третья группа — антропоморфные фантомы, изготавливаемые из тканеэквивалентных (композитных) материалов, обеспечивающих поглощение и рассеяние рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне энергией от 10 до 3000 кэВ, соответствующее реальным органам и тканям и моделирующее “фоно- вую” область. При их изготовлении используют эквивалентные по электронной плотности материалы: эпоксидные смолы для имитации костных структур плотностью 1,3 г/см3, парафин с разным содержанием NaCl для имитации мягких и жировой тканей (1,04 г/см3 и 0,9 г/см3 соответственно), пористое дерево для имитации легочной ткани (0,26 г/см3) и пр. Для имитации источника излучения («горячих» очагов) на этапе проектирования выделяют области, которые в дальнейшем изготавливают из состава с легированным радионуклидом, либо наполняют на этапе проведения эксперимента раствором с интересующим радионуклидом, например, 99mTc, 131I. К достоинствам антропоморфных фантомов можно отнести анатомически правильное расположение интересующих органов и точное воспроизведение ослабления и рассеяния ионизирующего излучения.
Рис. 3. Примеры тканеэквивалентных антропоморфных фантомов: (а) — Myocardial SPECT Phantom HL (Kyoto Kagaku co, LTD); (б) — Whole Body Phantom PBU-60 (Kyoto Kagaku co, LTD; (в) — ELSA; (г) — PIXY
Данные преимущества позволяют использовать подобные фантомы не только для качественной оценки получаемых изображений, но также и для оптимизации протоколов исследований. Так, например, фантом, моделирующий грудную клетку (рис. 3а), может быть использован для оценки диагностической ценности получаемых ПЭТ-изображений при проведении ПОЭТ молочной железы. В Японии компанией Kyoto Kagaku Co, LTD, был создан и выпущен на рынок антропоморфный фантом Whole Body Phantom PBU-60 (рис. 3б). Данный фантом обладает практически полным набором внутренних органов человека, полный диапазон суставных движений. Мягкие ткани и органы таких фантомов изготовлены из смол на основе уретана, синтетические кости изготовлены из эпоксидной смолы, суставы — из эпоксидной смолы и уретана с углеродным волокном, винты и крепления изготовлены из поликарбоната. Похожий фантом был изготовлен в Германиикомпанией Erler Zimmer и назван Modular Full Body X-Ray Phantom, в Италии — компанией ELSA (рис. 3в), в Америке — компанией Radiology Support Devices (RDS) и назван PIXY (рис. 3г). Современные фантомы также изготавливают на 3D принтерах, например, Objet Connex 350, Stratasys, MN, по технологии PolyJet, которая аналогична струйной печати с нанесением слоев из жидких фотополимеров, которые далее отвердевают под воздействием ультрафиолета (рис. 4).
Рис. 4. Фантом, изготовленный на 3D-принтере, с единицами радиационной плотности по Хаунсфилду (HU)
Заключение
Приведенные в настоящей работе данные раскрывают актуальность применения фантомов в ядерной медицине, основные принципы их проектирования, производства и доступности на рынке. Перспективным направлением развития остаётся оценка лучевой нагрузки на пациента, персонал, контроль и калибровка характеристик эмиссионных томографов, создание антропоморфных фантомов с использованием новых технологий. Современные направления эмиссионной томографии, такие как радиомика и радиогеномика, требуют количественной характеристики распределения изотопа в тканях организма человека, что возможно только при разработке и соблюдении программ обеспечения качества, неотъемлемой частью которых является разнообразие фантомов.
