Desarrollo de un paciente

Aug 02, 2023

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3941 (2023) Citar este artículo

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La validación de la precisión del software de cuantificación en imágenes de tomografía computarizada (TC) es un gran desafío. Por lo tanto, propusimos un fantasma de imágenes de TC que representa con precisión las estructuras anatómicas específicas del paciente e integra aleatoriamente varias lesiones, incluidos patrones similares a enfermedades y lesiones de diversas formas y tamaños, utilizando moldes de silicona e impresión tridimensional (3D). Se agregaron aleatoriamente seis nódulos de diversas formas y tamaños a los pulmones modelados del paciente para evaluar la precisión del software de cuantificación. Mediante el uso de materiales de silicona, se realizaron intensidades de TC adecuadas para las lesiones y el parénquima pulmonar, y se evaluaron sus valores de unidades Hounsfield (HU) en una tomografía computarizada del fantasma. Como resultado, según la tomografía computarizada del modelo fantasma de imágenes, los valores de HU medidos para el parénquima pulmonar normal, cada nódulo, fibrosis y lesiones enfisematosas estaban dentro del valor objetivo. El error de medición entre el modelo de estereolitografía y los fantasmas de impresión 3D fue de 0,2 ± 0,18 mm. En conclusión, el uso de la impresión 3D y el moldeado de silicona permitió la aplicación y evaluación del fantasma de imágenes de TC propuesto para la validación de la precisión del software de cuantificación en imágenes de TC, que podría aplicarse a la cuantificación basada en TC y al desarrollo de biomarcadores de imágenes. .

El uso de la tomografía computarizada (TC) cuantitativa para el diagnóstico de enfermedades pulmonares se está ampliando cada día y se aplica a diversas enfermedades pulmonares. En particular, la investigación relacionada con las enfermedades pulmonares ha aumentado debido al brote de la enfermedad por coronavirus de 2019, y la mayoría de los estudios se realizan utilizando imágenes de tomografía computarizada1,2,3.

La verificación de la corrección de intensidad y la medición cuantitativa de imágenes de TC es un tema muy importante. Aunque en el pasado se han desarrollado varios tipos de maniquíes para imágenes por TC, el desarrollo de maniquíes para imágenes por TC de tórax específicos para pacientes y enfermedades tiene limitaciones. Sin embargo, muchos estudios se han centrado en la fabricación de fantasmas de imágenes de TC para calibrar la intensidad de la imagen de TC y validar la precisión del software de medición cuantitativa. En particular, la impresión tridimensional (3D) específica del paciente y de la enfermedad es posible en comparación con las tecnologías de procesamiento existentes, y se pueden crear prototipos de diseños complejos rápidamente. La impresión 3D puede aplicar varios modelos a la atención médica, como educación y guía quirúrgica4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Muchos estudios también han realizado la fabricación de fantasmas para la cuantificación de imágenes14,15. Hong et al. desarrollaron un fantasma de imágenes pulmonares específico para una enfermedad mediante impresión 3D16. Shin et al. utilizaron la impresión 3D para desarrollar un fantasma pulmonar reproducible y deformable con vías respiratorias impresas en 3D17. Hazelaar et al. produjeron un fantasma para evaluar la calidad de la imagen basada en rayos X y la técnica de verificación de la posición para radioterapia que es muy similar al paciente real18. Kairn et al. desarrollaron un fantasma utilizando un material compatible con tejidos con una sola impresora 3D19. Filippou et al. creó un fantasma avanzado utilizando varias imágenes médicas20. Aunque se han desarrollado varios tipos de maniquíes específicos para pacientes y enfermedades, el desarrollo de un maniquí de imágenes estándar que pueda determinar la precisión de la medición de cada maniquí de imágenes sigue siendo un desafío.

Las intensidades de la TC de tórax reflejan diversos objetos anatómicos, incluidas las vías respiratorias, el parénquima pulmonar, las grasas, los tejidos blandos y los huesos. Además, pueden desarrollarse lesiones con diferentes patrones en el parénquima pulmonar. Sin embargo, la TC cuantitativa depende de factores como los protocolos de imagen, los parámetros de reconstrucción, el movimiento de los pacientes y los artefactos de la TC, excepto las intensidades de la TC. Por lo tanto, la confiabilidad de la TC cuantitativa de tórax debe evaluarse mediante el uso de un fantasma de imágenes específico del paciente y de la enfermedad. Este estudio tuvo como objetivo fabricar un fantasma de imágenes de TC de tórax que refleje la intensidad de la TC de varias lesiones pulmonares utilizando tecnología de impresión 3D y moldes de silicona y evaluar su precisión de cuantificación.

Este estudio retrospectivo se realizó de acuerdo con los principios de la Declaración de Helsinki y las directrices científicas actuales. El protocolo del estudio fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional del Centro Médico Asan, Corea del Sur. La Junta de Revisión Institucional del Centro Médico Asan (AMC) renunció al requisito del consentimiento informado de las imágenes. Todos los métodos se realizaron de acuerdo con las directrices y regulaciones pertinentes.

Para producir un fantasma de imágenes de tomografía computarizada mediante impresión 3D, los estudios sobre los valores de unidades de Hounsfield (HU) han utilizado varios materiales de silicona como materiales de impresión 3D. La investigación de materiales se llevó a cabo basándose en las formas mostradas en imágenes HU y CT de varios materiales. Luego se extrajeron diversas lesiones de las tomografías computarizadas de tórax de los pacientes y se fabricaron fantasmas con materiales adecuados. La evaluación de HU se basó en el valor HU bien conocido de cada estructura anatómica del cuerpo humano21,22. Se evaluaron los errores de medición del tamaño entre los valores de TC de referencia y medidos del diámetro interno del ventrículo derecho, el nódulo sólido, parte del vaso pulmonar y parte de la vía aérea. Luego, los tamaños medidos se analizaron utilizando el método de Bland-Altman. El flujo de trabajo general se muestra en la Fig. 1.

Flujo de trabajo general para fabricar un fantasma de imágenes de tórax mediante impresión tridimensional y fundición de silicona.

Se escanearon un paciente anónimo, varias muestras de silicona para fabricar fantasmas y fantasmas de tórax impresos en 3D utilizando una TC de doble fuente (SOMATOM Definición Flash, Siemens Healthcare) con un protocolo estándar de 120 kVp y 1,0 mm de espesor de corte. Estos datos de exploración también se reconstruyeron a 0,6 mm en la sección axial utilizando software (Syngo CT 2012B).

El fantasma desarrollado refleja la anatomía humana basada en las imágenes de TC de tórax de un paciente. Se diseñaron los lóbulos pulmonares, la columna vertebral, las costillas, el corazón, la grasa y la piel (Fig. 2). Estas estructuras anatómicas se segmentaron utilizando el programa de segmentación de imágenes médicas Mimics (Materialise Inc., Lovaina, Bélgica). Para el diseño del modelo fantasma, se modeló una parte de la sección de TC de tórax con el software 3-matic (Materialise Inc.). Se colocaron al azar parénquima pulmonar normal y enfisema en el lóbulo derecho y nódulo sólido y lesión de fibrosis en el lóbulo izquierdo. Además, se realizó un modelo transversal torácico que incluía el corazón, la aorta, las vértebras y las costillas que rodean los pulmones. Se diseñaron diversas estructuras anatómicas para ensamblarse sobre la placa inferior en relieve negativo. Luego, la piel, las grasas y los músculos se dividieron en capas separadas para reflejar las características de cada anatomía.

Modelado 3D de un fantasma de imagen de TC de tórax basado en imágenes de TC de un paciente. (A) columna vertebral y costillas, (B) pulmones izquierdo y derecho, (C) moldeador de la piel, grasa y músculo, (D) corazón y (E) composición de (A – D). TC, tomografía computarizada; 3D, tridimensional.

El moldeador fantasma se fabricó utilizando materiales de impresión 3D. El moldeador debe ser lo suficientemente fuerte como para evitar fugas de silicona, resistir la fuerza de expansión de la silicona y producir la fase axial de TC de tórax de un adulto real. Por lo tanto, Stratasys Fortus 900MC23 seleccionó e imprimió un material de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) robusto y económico de modelado por deposición fundida (FDM). Además, el modelo de corazón reflejó la forma de un corazón real utilizando material de poliuretano termoplástico (TPU) flexible de FDM (Ultimaker S5, Ultimaker) independientemente del HU. El lomo y las costillas se imprimieron utilizando materiales de ácido poliláctico de FDM hidrófilo (Ultimaker S5, Ultimaker) para la implementación de HU. Luego, se sumergió en el medio de contraste (Ultravist 370 mg I/mL; Bayer Healthcare, Berlín, Alemania) durante 48 h para que el material impreso pudiera absorber el medio de contraste.

Primero, para implementar en detalle el patrón de los alvéolos del parénquima pulmonar, se realizó una TC utilizando algunos materiales de silicona para confirmar su valor de HU. El material de silicona se obtuvo de Smooth-On Co. de FlexFoam-iT! serie (Tabla 1). Estos materiales de silicona son expandibles y duraderos. Estos pueden tener una tasa de expansión desde 15 veces hasta 2 veces. Por lo tanto, la silicona que se utilizará para el fantasma se seleccionó en función de la intensidad de la TC y el patrón de cada silicona. La intensidad de la TC se basó en la HU del cuerpo humano21,22, y el patrón de silicona se seleccionó haciendo referencia al patrón básico correspondiente a cada lesión pulmonar24,25. Por lo tanto, para inducir enfisema, FlexFoam-iT! V se utilizó en el lóbulo inferior derecho del pulmón y, para simular el parénquima pulmonar normal, FlexFoam-iT! Se utilizaron 17. Además, para inducir la fibrosis pulmonar, FlexFoam-iT! Se utilizó 23FR y el parénquima pulmonar que contenía el nódulo sólido se analizó con FlexFoam-iT. X.

Además, para realizar la grasa y el músculo que rodea el pecho se utilizó cera en gel y silicona Ecoflex0020. Se usó silicona Ecoflex 0020 después de mezclar el agente principal y el agente de curado en una proporción de 1:1, y las burbujas de aire se eliminaron usando un desaireador. Además, se utilizó silicona de Dragon Skin FX Pro para modelar la piel.

El rango de valores de CT se evaluó para comparar la precisión del modelo de lenguaje de teselación estándar (STL) diseñado y las mediciones en la imagen de CT del fantasma impreso en 3D. Todas las mediciones fueron repetidas cinco veces cada una por un observador. Para la evaluación de HU, se compararon los valores de HU del parénquima pulmonar normal, enfermedades pulmonares (fibrosis, nódulo sólido y enfisema) y estructuras del tórax (músculo, grasa, piel y hueso). Para medir la precisión de la forma, se seleccionó una parte de cada región anatómica y la longitud se midió utilizando el visor RadiAnt DICOM (Medixant Inc., Poznan, Polonia). Se midieron imágenes STL para impresión 3D e imágenes CT de los fantasmas impresos en 3D (Fig. 3).

Lenguaje de teselación estándar (STL) modelado en 3D y TC de un fantasma impreso en 3D con puntos de referencia especificados para evaluar el error de medición. (A) Diámetro interior del ventrículo derecho, (B) nódulo sólido, (C) parte de un vaso pulmonar y (D) diámetro exterior de las vías respiratorias. TC, tomografía computarizada; 3D, tridimensional.

Este estudio utilizó un material de silicona de dos componentes que forma espuma cuando se mezclan el primer y el segundo agente. El grado de formación de espuma variaba según el tipo utilizado y, como la silicona tiene diferentes porosidades, era adecuada para crear diversos patrones de pulmones que contenían aire. Para realizar el fantasma de imágenes de TC de tórax, se identificaron varios patrones de silicona y HU. Se utilizaron materiales de silicona con diversos patrones y valores de CT para desarrollar fantasmas torácicos con varios HU internos (Tabla 2).

Basándose en la impresión 3D y el molde de silicona antes mencionados, se tomó una sección axial del tórax de una imagen de TC de un paciente para producir un fantasma de imágenes de tórax específico de la enfermedad. Se modelaron los lóbulos pulmonares, el corazón, las vías respiratorias, las capas musculares, las capas de grasa, la piel, las costillas y la columna (Fig. 4). Además, se construyeron aleatoriamente varias lesiones pulmonares. El fantasma de imágenes de tórax se fabricó utilizando diversos materiales, patrones y materiales de silicona de impresión 3D. En la imagen de TC del fantasma se obtuvieron los valores HU del parénquima pulmonar, las lesiones pulmonares, los músculos y las capas de grasa, así como la morfología de la columna y las costillas. Además, se modeló una forma similar a la fase axial de la TC de tórax humano.

Imagen fantasma de impresión 3D e imagen CT. (A) Fabricación del fantasma de tórax utilizando tecnología de impresión 3D (a, enfisema; b, corazón; c, fibrosis; d, parénquima pulmonar normal; e, columna vertebral y costilla; f, músculo; g, grasa; y h, piel ) y (B) imagen de TC del fantasma (a, enfisema; b, corazón; c, fibrosis; d, nódulo sólido; e, parénquima pulmonar normal; f, columna y costilla; g, fisura; h, músculo; i , grasa y j, piel). TC, tomografía computarizada; 3D, tridimensional.

El pulmón humano, que contenía principalmente aire, tenía HU de -600 a -800 en condiciones normales, -850 a -950 en el caso de enfisema, -500 a -700 en fibrosis pulmonar, y -100 en nódulos sólidos, y similares. HU se implementa utilizando varios materiales de silicona. En un cuerpo humano real, el músculo y la grasa que rodean los pulmones tienen entre 10 y 150 HU y -100, respectivamente, y el fantasma también tenía valores similares. Además, el fantasma refleja el mérito visual al reflejar el tono y el color de la piel externa similar al cuerpo humano real (Tabla 3 y Fig. 5).

Varias configuraciones de imagen CT de los fantasmas. (A) Imagen de representación de volumen de TC del fantasma, (B) Imagen de TC del fantasma con configuración de ventana de pulmón y (C) Imagen de TC del fantasma con configuración de ventana de hueso. TC, tomografía computarizada.

Los puntos de referencia correspondientes de las estructuras anatómicas entre el STL modelado en 3D y la imagen de TC de los fantasmas impresos se compararon en función de las mediciones obtenidas y se evaluaron mediante un gráfico de Bland-Altman. La media ± desviación estándar de las diferencias fue de 0,20 ± 0,19 mm (límites de concordancia, de −0,1 a 0,5 mm) (fig. 6).

El análisis de Bland-Altman se utilizó para evaluar las diferencias entre el STL modelado en 3D (estándar) y la TC del fantasma impreso. (a) Diámetro interno del ventrículo derecho, (b) nódulo sólido, (c) parte de un vaso pulmonar y (d) parte de las vías respiratorias. TC, tomografía computarizada; 3D, tridimensional.

El fantasma de imágenes de TC comercializado actualmente se utiliza principalmente para la calibración de la intensidad de la TC, el mantenimiento, la reparación y la evaluación periódica del equipo. Los fantasmas convencionales también tienen algunas limitaciones, ya que no están personalizados para cada paciente y enfermedad, son caros y poco realistas26,27. Por lo tanto, nuestro estudio se centró en la fabricación de un fantasma de imágenes específico para el paciente y la enfermedad utilizando tecnología de impresión 3D que pueda superar las limitaciones de los fantasmas convencionales. El uso de tecnología de impresión 3D con diversos materiales puede simular la intensidad de la TC de diversas lesiones y se puede determinar el tamaño, la forma y la cantidad de lesiones. Por lo tanto, la tecnología de impresión 3D permite fabricar fácilmente fantasmas de imágenes específicos para cada paciente y para cada enfermedad. Por este motivo, Sindi et al. utilizaron aceites de silicona y maní para fabricar un fantasma de mama impreso en 3D específico para el paciente para imágenes por resonancia magnética28. Sin embargo, la resina de fotopolímero como material de impresión 3D puede deformarse. Buytaert et al. utilizaron impresión 3D para fabricar un fantasma específico para el paciente para simular el marco para la angiografía coronaria29. Sin embargo, su fantasma no puede reflejar información de profundidad como un fantasma de imagen médica porque solo se formó una sección transversal limitada de la imagen. Legnani et al. desarrollaron un fantasma vascular 3D para radiocirugía estereotáxica de malformaciones arteriovenosas30. Este estudio sugiere que el método propuesto tiene el potencial de producir modelos específicos de pacientes para aplicaciones de radiocirugía neurovascular e investigación médica.

En el presente estudio, se desarrollaron fantasmas de TC de tórax para reflejar diversas lesiones pulmonares con intensidades de TC reales y validar la precisión de las mediciones cuantitativas del software. Se fabricó un moldeador para el fantasma de tórax usando ABS con 0–200 HU, y la columna y las costillas se imprimieron usando ácido poliláctico hidrofílico (PLA), que se espera que absorba el agente de contraste y tiene una intensidad de TC similar a la de los huesos. Además, la anatomía del corazón se imprimió utilizando material de TPU flexible para que pudiera fijarse en el maniquí torácico. Mediante el uso de materiales de silicona con características espumosas, se crearon varios patrones del parénquima normal y lesiones con intensidad real de TC. Los valores de HU del parénquima pulmonar normal y del enfisema, del nódulo sólido y de la fibrosis variaron de -800 a -600, de -850 a -950, de 100 a -200 y de -500 a -700, respectivamente.

La fortaleza de este estudio se atribuye al modelado de lesiones pulmonares realistas. El uso de tecnología de impresión 3D para crear un fantasma de imágenes ayudó a superar las limitaciones de los fantasmas comercializados existentes. Se han realizado muchos estudios de fantasmas torácicos. Mei et al. demostraron la viabilidad de maniquíes pulmonares impresos en 3D para pacientes con geometría de órganos, textura de imagen y perfiles de atenuación precisos31. Este estudio logró realizar una parte de un pulmón normal con intensidad de TC implementada mediante el método de impresión 3D de píxeles. Además, Hernández-Girón et al. fabricaron un fantasma pulmonar antropomórfico impreso en 3D para evaluar la calidad de la imagen en TC, pero su forma era muy diferente de la anatomía del paciente32. En este estudio, el fantasma evaluó las características de dosis de la imagen de TC, pero la forma del fantasma era diferente a la de un ser humano real. Zhang et al. fabricaron un fantasma antropomórfico personalizado utilizando impresión 3D y materiales compatibles con tejidos33. Craft y Howell prepararon y fabricaron un fantasma de radioterapia específico para el paciente, impreso en 3D y con cortes sagitales a gran escala34. Sin embargo, estos estudios tienen algunas limitaciones en vista de la textura y forma realistas de diversas lesiones pulmonares con intensidad real de TC.

En este estudio, los valores CT HU de diversas lesiones pulmonares se representaron utilizando materiales de silicona. La impresora 3D FDM es el método de impresión más económico y accesible, lo que podría ser una de sus ventajas para aplicaciones clínicas reales. El desarrollo de un fantasma con una intensidad de TC similar y una forma anatómica exacta que represente el cuerpo humano permite la evaluación cuantitativa del software de TC en situaciones realistas. También es útil con fines educativos. Con la imagen de TC del fantasma que presenta diversas lesiones se podría aumentar la eficiencia del entrenamiento en lectura de imágenes para los radiólogos. Además, un modelo específico para el paciente puede ayudar a los médicos a educar y comunicarse sin problemas con los pacientes sobre sus enfermedades.

Este estudio tiene varias limitaciones. En primer lugar, la intensidad de la TC no fue representativa porque el medio de contraste no se absorbió bien. En el futuro, el valor deseado se reflejará mezclando la cantidad adecuada de filamento metálico FDM. En segundo lugar, la forma del corazón no era precisa en la sección axial de la imagen de TC de tórax. Para presentar la forma exacta del corazón, se necesita investigación adicional para producir una imagen similar. En tercer lugar, se utilizó silicona para modelar varias lesiones pulmonares dentro del pulmón, pero el moldeador impreso en 3D utilizado para la ubicación de la silicona no se puede quitar manualmente. Fue difícil retirar el molde debido a la viscosidad de la silicona utilizada, que puede superarse mediante el uso de agentes desmoldeantes de silicona. En cuarto lugar, se utilizó silicona mezclando y espumando el primer y segundo agente. La proporción y la vida útil del primer y segundo agente pueden variar dependiendo de la mezcla individual; por tanto, la porosidad puede cambiar. En el futuro, este problema podrá superarse mediante la automatización y mecanización del proceso de mezcla de silicona. En quinto lugar, la longitud medida entre el modelo 3D y la imagen de TC fantasma impresa en 3D puede diferir según el valor umbral de la imagen de TC35. Por lo tanto, dado que el valor puede cambiar dependiendo del límite entre las superficies interior y exterior de la misma estructura, se puede mantener la reproducibilidad midiendo el mismo valor de configuración de imagen de la imagen CT. En conclusión, utilizando tecnología de impresión 3D y moldes de silicona, creamos un fantasma de imágenes de tórax específico para el paciente y la enfermedad que presenta la intensidad de la TC de las lesiones pulmonares y la forma del tórax humano real. Además, se podrían crear diversas estructuras porosas utilizando moldes de silicona para modelar de forma realista las lesiones pulmonares. A diferencia de estudios anteriores, se fabricó un fantasma más realista reflejando varias estructuras humanas en una sección axial de la TC de tórax, que podría usarse para la evaluación del software de cuantificación y la calibración de la intensidad de la TC.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Descargar referencias

Esta investigación fue apoyada por una subvención del Proyecto de I+D de Tecnología Sanitaria de Corea a través del Instituto de Desarrollo de la Industria de la Salud de Corea (KHIDI), financiado por el Ministerio de Salud y Bienestar de la República de Corea (número de subvención: HR20C0026).

Ninguno declarado por todos los autores excepto Namkug Kim, que es accionista de Anymedi Inc, Corea del Sur. Esta investigación no recibió ninguna subvención específica de agencias de financiación del sector público, comercial o sin fines de lucro.

Departamento de Ciencias Radiológicas, Universidad de Salud de Dongnam, 50 Cheoncheon-Ro 74 Gil, Jangan-Gu, Suwon-Si, Gyeonggi-Do, 16328, República de Corea

Dayeong Hong

Departamento de Radiología, Facultad de Medicina de la Universidad de Ulsan, Centro Médico Asan, 88 Olympic-Ro 43 Gil, Songpa-Gu, Seúl, República de Corea

Joon Beom Seo

Departamento de Radiología y Medicina de Convergencia, AMIST, Centro Médico Asan, Facultad de Medicina de la Universidad de Ulsan, 88 Olympic-Ro 43 Gil, Songpa-Gu, Seúl, 05505, Corea del Sur

Dayeong Hong, Sojin Moon y Namkug Kim

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DH escribió el texto principal del manuscrito y SM preparó todas las figuras. "JBS" y "NK" supervisaron todos los manuscritos, figuras y tablas. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Namkug Kim.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

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Reimpresiones y permisos

Hong, D., Moon, S., Seo, JB et al. Desarrollo de un fantasma de imágenes de tomografía computarizada de tórax específico para cada paciente con lesiones pulmonares realistas mediante moldeo de silicona e impresión tridimensional. Informe científico 13, 3941 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31142-5

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Recibido: 31 de octubre de 2022

Aceptado: 07 de marzo de 2023

Publicado: 09 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31142-5

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