Bioingeniørstuderende laver bølger i MR-forskning med et 3-D-printet fantomhoved

Fantomer er ikke kun spøgelsesagtige figurer i vores fantasi, de er også numeriske eller fysiske modeller, der repræsenterer menneskelige egenskaber og giver en billig måde at teste elektromagnetiske applikationer på. Sossena Wood, en bioingeniør ph.d. kandidat ved University of Pittsburgh, har udviklet et realistisk fantomhoved til forskning i magnetisk resonans i Swanson School of Engineering.

Wood startede sin ansættelse hos Pitt som bachelorstuderende i Institut for Elektro- og Computerteknik, hvor hun mødte Tamer Ibrahim, en lektor i bioteknik. Hun begyndte forskning i hans laboratorium, radiofrekvensforskningsfaciliteten (RF), i løbet af sit sidste år og afslutter nu sin afhandling med lignende forskning som kandidatstuderende i Institut for Bioteknik.

Ibrahim forestillede sig at designe et 3-D-printet fantomhoved til brug med den unikt designede ultrahøjfeltteknologi i sit laboratorium. "I RF-forskningsfaciliteten, vi bruger en helkrops 7 Tesla magnetisk resonanskamera (7T MRI), som er et af de stærkeste kliniske humane MR-apparater i verden, " sagde Ibrahim. 7T ultrahøj feltteknologi er et kraftfuldt værktøj, men desværre, der er et par tilbageslag, der følger med denne type billeddannelse.

"Når du bevæger dig fra lavere til højere felter, de producerede billeder bliver mindre ensartede og lokaliseret opvarmning bliver mere udbredt, " forklarede Ibrahim. "Vi ønskede at udvikle et antropomorfisk fantomhoved for at hjælpe os med bedre at forstå disse problemer ved at give en sikrere måde at teste billeddannelsen på. Vi bruger enheden til at analysere, vurdere, og kalibrere MR-systemer og instrumentering, før du tester nye protokoller på mennesker."

Forskere bruger i øjeblikket numeriske simuleringer til at studere effekten af ​​elektromagnetiske (EM) felter på biologiske væv ved forskellige frekvenser. Wood sagde, "EM numerisk modellering har været en standard, når man analyserer disse interaktioner, og vi ønskede at skabe et fantom, der lignede den menneskelige form til brug ved validering af EM-modelleringen, derved give et mere realistisk miljø for test."

Før Wood kunne udskrive 3D-strukturen, hun skulle lave beregningsarbejde for at bygge den digitale plan for modellen. Hun startede med et 3T MR-datasæt af en rask mand, som hun karakteriserede ved segmentering og brød ind i otte vævsrum, en funktion, der adskiller hendes model fra andre grundlæggende fantomhoveder. Ifølge Wood, disse rum hjælper med at forbedre billednøjagtigheden ved at fungere som en slags "fartbump" for feltet.

Efter de beregningsmæssige forberedelser, Wood brugte en MR-scanner til at producere et 3D-digitalt billede af en sund mands hoved og kørte sin model gennem computerstøttet design, som er software, der bruges til at skabe, modificere, analysere, og optimere et design.

Næste trin var at printe prototypen, som tog tre semestre at gennemføre. "Vi brugte en plastik udviklet af DSM Somos til vores trykmateriale, fordi det gav os mulighed for at skabe holdbare og detaljerede dele med en lignende ledningsevne som den menneskelige krop, " sagde Wood. "For at hjælpe modellen yderligere med at efterligne et virkeligt miljø, vi skabte påfyldningsporte på prototypen, hvor vi kan afsætte væsker, der ligner forskellige vævstyper."

Nu hvor Wood har et fuldt trykt antropomorfisk fantomhoved, hun er i stand til at samle den og begynde at teste. Fantomet har mange applikationer, herunder test for at se, om visse implantater er i stand til at gå ind i en MRI eller detektere temperaturstigningen i forskellige væv baseret på forskellige RF-instrumenter.

"Med MR-billeddannelse, strømmen fra RF-eksponeringen omdannes til varme i patientens væv, som kan have skadelige virkninger på patientens helbred, især med implantater, hvis de ikke overvåges af scanneren" forklarede Wood. "Med vores fantomhoved, vi kan teste sikkerheden af ​​vores billeddannelse ved at placere sonder inde i visse områder af hovedet og måle effekterne, " sagde Ibrahim.

Ibrahim og Wood håber, at denne model i sidste ende vil blive udviklet kommercielt og give andre mulighed for at forfølge forskning uden at stole på menneskelig testning.