心臓モデルにおける3Dプリントの有効性

出典: 広西付加製造協会

現代科学の数々の驚異により、医療専門家や外科医は心臓疾患を修復して患者を救うことができ、彼らが使用するツールは、高度な画像処理、3D 印刷などの技術によって進歩し続けており、時にはその両方が組み合わされています。シドニー大学の Kamarul Amin Abdullah による論文「3D プリント技術を使用した心臓画像の CT 最適化プロトコル」では、3D プリントされた心臓モデルから始まる 3 段階の研究が実施されました。次に、それをラングマンファントム内に入れてスキャンし、研究者らがデータを再構築し、測定と比較を行って線量低減の可能性を判断できるようにした。最後に、異なる強度と「低管電圧での線量最適化研究」を使用したアルゴリズムが評価されました。

ファントムは、CT スキャンなどの画像を改良するためによく使用され、より優れた最適化、品質の評価、使用中に発生する放射線量の判定が可能になります。放射線量はますます懸念されています。
「国立放射線防護測定委員会（NCRP）の最近の報告書によると、CT検査は米国民の放射線量の24％を占めており、1993年以来毎年10％増加している」と研究者らは述べた。。「オーストラリアでは、CT検査による放射線量は2006年から2012年にかけて36パーセント増加しました。したがって、CTによる放射線量の増加は世界的な傾向の一部であり、現在ではCT検査が人口被ばくの最大の原因であると考えられています。」

CT スキャン技術は非常に有用であり、現在では広く使用されており、放射線被曝とともに使用量が増加しています。放射線が DNA に影響を及ぼすことや、スキャン中に肺や乳房が脆弱になることから、がんのリスクが大きな懸念事項となっています。実際、肺への臓器線量が42～91mSv、女性の乳房への臓器線量が50～80mSvの場合、20歳女性のがんリスクは0.7%であったのに対し、男性のリスクは0.03%であった。 80.

曝露中のがんリスクを軽減することが懸念されており、これを実現するための一般的な方法は、次の方法を使用することです。
• 管電流の低減
•管電圧が低い
• トレブルプロトコル
• スキャン範囲の制限
• ビスマスシールド
•ECG制御の管電流変調
• 将来的な心電図ゲーティング
• 反復再構成アルゴリズム「その中でも、IRアルゴリズムは、低露出係数でノイズを低減し、画質を維持しながら線量を減らすことができるため、研究者にとって特に興味深いものです」と研究者らは述べています。「現在、フィルタ補正逆投影（FBP）は、その堅牢性と高速性から、CT画像にデータを再構成するための画像再構成アルゴリズムとして最も広く使用されています。ただし、FBPは本質的に画像ノイズを増加させ、低露出係数でアーティファクトを生成するため、IRアルゴリズムが使用されます。

科学者は、ファントムベースの線量最適化法が冠動脈コンピューター断層撮影血管造影研究に「適している」と考えています。現在、患者データを使用すると、発生する放射線による問題が発生しますが、冠動脈疾患 (CAD) の可能性がある患者を十分に発見することはできません。最適化研究に使用される典型的なモデルは、Catphan シリーズと American College of Radiology モデルであり、これらは包括的かつ複雑であるため、研究チームにとって魅力的です。ただし、ここではより正確なファントムが必要であり、前述のタイプでは必要な機能を十分に再現できません。

人体ファントムの一例としては、Catphan® 500 (The Phantom Laboratory、ニューヨーク州セーラム) があります。このファントムは、CT スキャナーの性能をテストするために広く使用されています。ファントムには、画像品質を評価するための5つのモジュールが含まれています。 (i) スライス幅、感度、ピクセルサイズを評価するCTP401、
（ii）線対と点光源の空間分解能のためのCTP528、
(iv) サブスライス以上のCTP515スライスのコントラストが低いこと、および(v) CTP486の画像均一性。

研究者らによると、ラングマンの擬人化胸部モデルには、実際の患者の心臓とその周囲の構造や組織を模倣したモデルが付属しているという。しかし、心臓の特徴は欠けており、1 つの均質な材料のみでシミュレートされます。

「したがって、CCTA 画像の特徴の欠如は、現在の心臓インサートを、実際の人間の心臓に似た適切な CCTA 画像の外観を提供できる新しく設計された心臓インサートモデルに置き換えることによって解決できる可能性があります」と研究者らは述べています。

研究者らは、解剖学的構造のさまざまな部分を模倣したモデルを作成する方法を研究しており、ファントム開発における 3D プリントの利点についても議論しました。しかし、現在まで、Lungman モデルの 3D プリントされたインサートは作成されていません。

「したがって、この3Dプリント心臓挿入モデルがCCTA線量最適化に有用であることを示す証拠は不足している」と研究者らは述べている。

(a) 京都ケミカル社の人型胸部モデル (b) 取り外し可能な心臓と肺の構造この研究の目的は次のとおりです。
• 体積CT画像データセットから作成された心臓挿入ファントムの3Dプリント
• IRアルゴリズムを評価する際に3Dプリントファントムを研究する
• 低管電圧CCTAプロトコルに最適なIRアルゴリズムの強度を評価する

医学生のトレーニングに使用されるモデル、患者のケアを簡素化するために使用されるモデル、手術前の計画に使用されるモデルなど、さまざまな医療モデルで 3D プリントが使用されています。しかし、幻の心臓の作成に関する研究はそれほど多くありません。この研究では、最初の Lungman 心臓インサートと同じ仕様のインサートを 3D プリントすることができました。
「新しい 3D プリント心臓インサートは Lungman ファントムに配置され、標準 CCTA プロトコルを使用してスキャンされました。結果の画像は、患者および Catphan® 500 ファントムの画像と比較されました。新しい 3D プリント心臓インサートファントム内の減衰材料の HU 値は、患者画像データセット内の組織および Catphan® 500 ファントム内の材料と同等でした。」

「3Dプリントされた心臓挿入ファントムを人体胸部モデル内に配置し、マルチ検出器スキャナを使用して120kVpの管電圧で30回のCT撮影を繰り返した。減衰（ハウンズフィールドユニット、HU）値を測定し、実際の患者とCatphan®500ファントムの画像データセットと比較した」と研究者らは論文で述べている。

研究チームは、IR アルゴリズムを使用すると、画像再構成プロセス中に画像ノイズが低減され、実際に露出が低減できることを発見しました。

「我々の分析の結果、すべてのタイプのIRアルゴリズムが放射線量を大幅に削減し、FBPアルゴリズムとIRアルゴリズムの間に診断画像の品質に大きな違いはなかったことが示された」と研究チームは述べた。
最終的に、3D プリントは線量最適化研究に適しており、IR アルゴリズムの線量削減の調査が可能になることが分かりました。

「提供された証拠は、研究者に3Dプリントファントムに関する新たな視点を提供し、臨床実装のためのCT最適化プロセスの改善を可能にするはずだ」と研究者らは結論付けた。

出典: 広西付加製造協会

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