ERK'2020, Portorož, 376-379 376 Izdelava fantoma za ultrazvoˇ cno medicinsko diagnostiko s postopkom 3D tiskanja Nejc Klanjˇ sˇ cek 1 , Saˇ so Arnuga 2 , Miha Foˇ snariˇ c 2 , Samo Peniˇ c 1 1 Fakuteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Trˇ zaˇ ska 25, SI-1000 Ljubljana, Slovenija 2 Zdravstvena fakulteta, Univerza v Ljubljani, Zdravstvena pot 5, SI-1000 Ljubljana, Slovenija E-poˇ sta: samo.penic@fe.uni-lj.si 3D-printed Medical Ultrasound Phantom Medical ultrasound is today one of the most common and accessible diagnostic imaging method in medicine. No ionizing radiation and low heat exposure o the tissue makes modern ultrasonography a diagnostic technique with al- most no health threat. However, quality control of the ultrasound equipment must still be adequate, otherwise safety of the patient can be endangered, especially from misdiagnosis. The 3D printing technology is becoming widely avail- able and therefore provides efficient means for produc- ing complicated structures. In the presented research, the method of 3D printing was applied to develop and build a low-cost tissue mimicking body (phantom). Such phan- toms are used to test ultrasonic probes and for scientific and educational purposes. In the process of developing a phantom for ultrasonic imaging, several challenges had to be overcome, such as choosing appropriate materials that mimicked human tissues or keeping the phantom wa- tertight. 1 Uvod Ultrazvoˇ cne preiskave so najpogostejˇ sa in najdostopnejˇ sa slikovna diagnostiˇ cna metoda v medicini, saj je relativno varna, cenovno ugodna in sorazmerno enostavna za upo- rabo [1, 2, 3]. Zaradi odsotnosti ionizirajoˇ cega sevanja je prva izbira v predrojstveni diagnostiki (Slika 1) in drugih medicinskih preiskavah, kjer je varnost prioriteta. Akustiˇ cna impedanca, z, je lastnost snovi, ki nam pove, kako se snov odziva na tlak, ki ga povzroˇ ca njeno mehansko valovanje. V preprostem primeru ravnega vala brez faznega zamika med tlakom,p, in hitrost delca snovi, v, velja preprosta zvezaz =p=v. Izkaˇ ze se [1], da lahko takˇ sno akustiˇ cno impedanco izrazimo kot produkt Fizikalna osnova ultrazvoˇ cnih diagnostiˇ cnih naprav je mehansko valovanje nad ˇ cloveˇ sko sluˇ sno mejo (fre- kvence nad 20kHz), ki ga sonda naprave v obliki pulzov oddaja in zaznava njihov odboj od razliˇ cnih delov zno- traj telesa. Pri tem izkoriˇ sˇ ca dejstvo, da je na meji dveh snovi, skozi kateri se ultrazvok ˇ siri, njegova odbojnost sorazmerna z razliko v akustiˇ cnih impedancah obeh sred- stev [1]. Akustiˇ cna impedanca, z, je lastnost snovi, ki nam pove, kako se snov odziva na tlak, ki ga povzroˇ ca njeno mehansko valovanje. V preprostem primeru rav- nega vala brez faznega zamika med tlakom,p, in hitrost Slika 1: Ultrazvoˇ cni posnetek ˇ cloveˇ skega plodu v 20. tednu noseˇ cnosti [4]. delca snovi,v, velja preprosta zvezaz = p=v. Izkaˇ ze se [1], da lahko takˇ sno akustiˇ cno impedanco izrazimo kot produkt z =c; (1) kjer je gostota snovi inc hitrost ˇ sirjenja valovanja. V tabeli 1 je nekaj akustiˇ cnih impedanc v ˇ cloveˇ skem telesu. Odbojnost,R, na meji dveh snovi lahko zapiˇ semo kot [1] Organ Impedanca [kg=(m 2 s)] Pljuˇ ca 0;18 10 6 Ledvice 1;63 10 6 Jetra 1;65 10 6 Miˇ sice 1;71 10 6 Kosti 7;8 10 6 V oda 1;48 10 6 Zrak 0;0004 10 6 Tabela 1: Akustiˇ cne impedance v ˇ cloveˇ skem telesu R = I r I i = z 2 z 1 z 2 +z 1 2 ; (2) kjer staI r inI i jakosti (povpreˇ cni gostoti energijskih to- kov) odbitega in vpadnega valovanja, z 1 in z 2 pa aku- 377 stiˇ cni impedanci snovi po kateri valovanje pride do mejne mejne ploskve in od katere se odbije. Na podlagi jakosti odboja in preteˇ cenega ˇ casa med oddajo in sprejemom signala nato naprava rekonstruira sliko in jo v realnem ˇ casu izriˇ se na zaslon. Za kontrolo kakovosti ultrazvoˇ cnih naprav za medi- cinsko diagnostiko, pa tudi za pedagoˇ sko in raziskovalno delo, se pogosto uporablja testne naprave, t.i. utrazvoˇ cne fantome, ki posnemajo fizikalni odziv ˇ cloveˇ skega tkiva na ultrazvok, ki ga oddajajo diagnostiˇ cne sonde [5, 6, 7, 8]. Trˇ ziˇ sˇ ce ponuja ultrazvoˇ cne fantome za razliˇ cne na- mene, vendar pa so ti zaradi cene nedostopni in/ali zaradi poslovnih skrivnosti izdelave neprimerni za izobraˇ zevanje in raziskovalno delo. Po drugi strani pa sodobna tehno- logija 3D tiskanja omogoˇ ca izdelavo skoraj poljubnih tri- razseˇ znih struktur iz digitalnega modela. Tako lahko ob simuliranju primernih fizikalnih lastnosti sami izdelamo cenovno ugodne ultrazvoˇ cne fantome [9]. V prispevku predstavljamo poskus lastne izdelave ul- trazvoˇ cnega fantoma s pomoˇ cjo aditivne proizvodnje ozi- roma 3D tiskanja. V nadaljevanju najprej natanˇ cno opi- ˇ semo uporabljeno metodo, nato predstavimo rezultate te- stiranja izdelanega prototipa z ultrazvoˇ cno diagnostiˇ cno napravo in v diskusiji med drugim predstavimo naslednje korake za izboljˇ savo prototipa. 2 Metoda 3D tiskanja Metoda 3D tiskanja spada med t.i. aditivne metode, ka- terih skupna lastnost je, da material h konˇ cnemu modelu (izdelku) dodajamo. V tem pogledu se razlikuje od tra- dicionalnih metod, kjer navadno surovemu obdelovancu material odvzemamo (subtraktivne metode). Pod krov- nim izrazom 3D tiskanja poznamo mnoˇ zico razliˇ cnih teh- nologij kot so “Fused deposition Modelling” ali FDM, “Powder bed fusion”, “Inkjet printing”, Stereolitografija ali SLA in druge [10]. ˇ Sirˇ si javnosti sta najdostopnejˇ si metodi sta SLA in FDM. Najpogosteje uporabljena metoda 3D tiskanja je me- toda FDM, kjer tiskalnik nalaga plasti materiala tako, da stali surovino (obiˇ cajno v obliki plastiˇ cnega filamenta) in iz taline gradi model. Principa delovanja prikazuje slika 2. Na voljo je veˇ c vrst plastiˇ cnih materialov, primernih za uporabo v tiskalnikih tega tipa. Velikost modela je pogo- jena z velikostjo mize na kateri gradimo model, ta pa je omejena z dolˇ zino vodil, po katerih koraˇ cni motorji pre- mikajo mobilno mizo in/ali glavo ektruderja. Veˇ cino delov fantoma smo izdelali na FDM 3D ti- skalniku Anycubic i3 Mega, poizvajalca Anycubic. Po navedbah proizvajalca je loˇ cljivost tiskanja 12;5 m v ravnini in2 m v viˇ sino, velikost delovne povrˇ sine pa je 210 210 mm. Najveˇ cja dovoljena viˇ sina tiskanega mo- dela je 205 mm. Priporoˇ cene hitrosti tiskanja so 20–100 mm/s. Uporabili smo glavo s ˇ sobo premera 0,4 mm. 3 Naˇ crtovanje in izdelovanje fantoma Za naˇ crt in izdelavo 3D modela fantoma smo uporabili programsko opremo Solidworks 2017 podjetja Dassault Syst` emes. Na sliki 3 sta prikazana dva glavna sestavna Slika 2: FDM metoda 3D tiskanja: segreta kovinska glava eks- truderja stali plastiko v filamentu (1) in jo naloˇ zi v plasteh tan- kih kolobarjev na model (2). Mobilna miza se premika v dveh ali treh oseh in s tem omogoˇ ca oblikovanje strukture (3) [11]. dela fantoma. Zgornji del slike 3 je tri-dimenzionalni po- gled na ohiˇ sje, ˇ skatlo, v katero vstavimo notranje ogrodje s preˇ cnimi palicami. Na isti sliki spodaj pa je prika- zano ogrodje in preˇ cne palice, ki sluˇ zijo kot ovire za ul- trazvoˇ cno valovanje – fantomski objekti, ki simulirajo razliˇ cna tkiva v telesu. Za takˇ sno konstrukcijo smo se odloˇ cili predvsem zato, ker smo ˇ zeleli spreminjati geo- metrijo samih preˇ cnih palic in s tem primerjati rezultate. Palice so iz materialov razliˇ cnih akustiˇ cnih impedanc, ka- tere posnemajo obnaˇ sanje razliˇ cnih tkiv v ˇ cloveˇ skem te- lesu. Notranjost fantoma je zapolnjena s tekoˇ cino, ki naj bi bila kar najbolj akustiˇ cno podobna razliˇ cnim tkivom v ˇ cloveˇ skem telesu. Pregled snovi, primernih za simulira- nje razliˇ cnih tkiv v ˇ cloveˇ skem telesu smo naˇ sli v obstojeˇ ci literaturi [12]. Pri samem naˇ crtovanju smo naleteli na kar nekaj iz- zivov. Eden veˇ cjih je bila vodotestnost fantoma (slika 4). Pri prvi izvedbi smo tiskali fantoma pri preveliki hitrosti ter tako naredili stene porozne za vodo. To smo poskuˇ sali odpraviti s slojem iz bitumenske mase, s katero smo pre- mazali notranjost fantoma. Ta tehnika se ni obnesla in je bilo potrebno natisniti ˇ se eno ohiˇ sje fantoma. To ohiˇ sje smo prilagodili tako, da smo zamnjˇ sali debelino sten fan- toma in izbrali manjˇ so hitrost tiskanja. ˇ Cas tiskanja ohiˇ sja fantoma je bil 34 ur, ogrodja za notranjo konstrukcijo plastiˇ cnih ovir iz palic pa 12 ur. Nizka hitrost tiskanja in poveˇ cana koliˇ cina izloˇ cene pla- stike (105%) sta bila nujno potrebna parametra, da smo dobili plasti ohiˇ sja fantoma, ki so bile trdno povezane in so dobro zatesnile stene. STL datoteko smo pripravili v rezalniku (angl. “slicer”) Cura 4.2, podjetja Ultimaker, pri ˇ cemer smo uporabili naslednje nastavitve, kateri so bili kljuˇ cni za kvalitetno izdelano ogrodje: 378 Slika 3: Naˇ crt fantoma. Zgoraj: ohiˇ sje, ˇ skatla, v katero vsta- vimo notranje ogrodje s preˇ cnimi palicami. Spodaj: Nosilna konstrukcija s preˇ cnimi ovirami okroglega premera. Slika 4: Testiranje vodotesnosti natisnjenega ohiˇ sja fantoma. • Layer Height: 0;15 mm • Material bed temperature: 55 C • Nozzle temperature: 210 C • Print speed: 60 mm/s • Infill density: 70% • Flow rate extrusion offset factor: 105% • Cool fan speed: 70% Za ohiˇ sje in notranje ogrodje fantoma smo uporabili plastiko PLA (poliaktiˇ cna kislina), zaradi enostavnosti ti- skanja, bioloˇ ske razgradljivosti in dobre mehanske trdno- sti. Plastiˇ cni filament je mat rdeˇ ce barve, premera 1,75 mm, gostote1;24g=cm 3 , priporoˇ cene temperature tiska- nja180 220 C, proizvajalca Plastika Trˇ cek. Ko smo imeli vodotesno ohiˇ sje, smo izdelali ˇ se no- silec fantomskih elementov – v naˇ sem primeru palic z razliˇ cnimi akustiˇ cnimi impedancami, predstavljenimi v tabeli 2. Notranjost fantoma je zasnovana modularno, saj lahko palice menjavamo in spreminjamo njihov poloˇ zaj v fantomu (sliki 5 in 6): Slika 5: Postavitev preˇ cnih ovir v nosilnem ogrodju Slika 6: Struktura nosilne konstrukcije in preˇ cnih palic iz razliˇ cnih plastiˇ cnih materialov. Tudi pri izdelavi pokrova fantoma smo naleteli na ne- kaj vpraˇ sanj, namreˇ c kako zatesniti pokrov in iz kakˇ snega materiala ga izdelati. Zatesnili smo ga s pomoˇ cjo posebej natisnjenega tesnila iz elastiˇ cnega plastiˇ cnega materiala TPU (Plastika Trˇ cek). Nato smo izdelali kar nekaj po- krovov iz razliˇ cnih materialov in razliˇ cnih debelin. Pri tem smo ugotovili, da pokrov ne sme biti predebel in za najprimernejˇ se se je izkazalo, da je izdelan iz tanke gume oz. lateksa (slika 7). 4 Razprava in zakljuˇ cek Z uporabo metode 3D tiskanja smo z izjemo palic razliˇ cnih parametrov za ultrazvoˇ cno valovanje in membrane na po- krovu, uspeli natisniti prototip fantoma. Pri prvih meri- tvah smo nas slikah uspeˇ sno izmerili razdalje med sondo in palicami, ki so ustrezale razdaljam modela. Sooˇ cili smo se z nekaterimi problemi, kot so izbira primernega materiala in parametrov tiskanja, da smo dosegli tesnenje fantoma. 379 Tabela 2: Lastnosti materialov za preˇ cne ovire (filamente) v fantomu. Material Hitrost zvoka (m/s) Gostota (g/cm 3 ) Akustiˇ cna impedanca [kg=(m 2 s)] ABS (siva) 2170 1,07 2;30 10 6 Akril 2750 1,18 3;25 10 6 Najlon 2600 1,12 2;91 10 6 Polikarbonat (prosojen) 2270 1,18 2;68 10 6 Polietilen 1950 0,90 1;56 10 6 Polietilen (HD) 2430 0,96 2;33 10 6 Polietilen (LD) 1950 0,92 1;79 10 6 PVC 2380 1,38 3;28 10 6 Slika 7: Merjenje razdalj med palicami z ultrazvokom skozi membrano iz kirurˇ ske rokavice iz lateksa. Pri nadaljnih raziskavah bomo poskusili izdelati fan- toma z dolgotrajno stabilno zapolnitvijo s primerno tekoˇ ci- no ter z dodatki za merjenje pretokov tekoˇ cin (z t.i. Do- ppler UZ). Zahvala. Ideja za priˇ cujoˇ ce delo se je razvila iz pro- jekta Odprtokodni sistem za zajem in obdelavo medicin- skih slik iz ultrazvoˇ cnih diagnostiˇ cnih naprav po DICOM standardu, ki smo ga med marcem in junijem 2020 izve- dli v okviru programa Po kreativni poti do znanja. Zato se avtorji zahvaljujemo Javnemu ˇ stipendijskemu, razvoj- nemu, invalidskemu in preˇ zivninskemu skladu RS, Mini- strstvu za izobraˇ zevanje, znanost in ˇ sport RS, Evropskemu socialnemu skladu EU, Zdravstveni fakulteti UL ter Uni- verzi v Ljubljani za finanˇ cno in logistiˇ cno podporo. In nenazadnje seveda tudi vsem sodelujoˇ cim na projektu: podjetju ECHOSON d.o.o., mentorju prof. dr. Janezu ˇ Zibertu in ˇ studentom Manci Piˇ sek, Pii Pikelj, Sari Kidriˇ c, Ninu Kleindienstu in ˇ Zanu Regorˇ sku. Literatura [1] A. Thrush, P. R. Hoskins, and K. Martin, Diagnostic Ul- trasound: Physics and Equipment. CRC Press, 2019. [2] V . Jevtiˇ c, J. Matela, and ˇ Surlan M., Diagnostiˇ cna in inter- vencijska radiologija. Sploˇ sni del. Zaloˇ zba Pivec, 2014. [3] S. Arnuga, Izobraˇ zevanje s podroˇ cja ultrazvoka za ra- dioloˇ ske inˇ zenirje: primerjava evropskih izobraˇ zevalnih programov in predlog izobraˇ zevanja v Sloveniji. Lju- bljana: Zdravstvena fakulteta, 2019. [4] Wikipedia contributors, “Ultrasound — Wikipedia, the free encyclopedia,” 2020. [Na spletu; dostopano 20. ju- nij 2020]. [5] Y . H. Kim, “Ultrasound phantoms to protect patients from novices,” The Korean journal of pain, vol. 29, no. 2, p. 73, 2016. [6] K. Nattagh, T. Siauw, J. Pouliot, I.-C. Hsu, and J. A. Cunha, “A training phantom for ultrasound-guided nee- dle insertion and suturing,” Brachytherapy, vol. 13, no. 4, pp. 413–419, 2014. [7] G. Carbajal, A. Lasso, ´ A. G´ omez, and G. Fichtinger, “Im- proving n-wire phantom-based freehand ultrasound cali- bration,” International journal of computer assisted radi- ology and surgery, vol. 8, no. 6, pp. 1063–1072, 2013. [8] E. D. Ehler, B. M. Barney, P. D. Higgins, and K. E. Dusen- bery, “Patient specific 3d printed phantom for imrt qua- lity assurance,” Physics in Medicine & Biology, vol. 59, no. 19, p. 5763, 2014. [9] C. Kollmann, D. Dubravsk` y, and B. Kraus, “An easy-to- handle speed of sound test object for skills labs using ad- ditive manufacturing (raptus-sos),” Ultrasonics, vol. 94, pp. 285–291, 2019. [10] T. D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K. T. Nguyen, and D. Hui, “Additive manufacturing (3d printing): A review of materials, methods, applications and challenges,” Com- posites Part B: Engineering, vol. 143, pp. 172–196, 2018. [11] Wikipedia contributors, “Fused filament fabrication — Wikipedia, the free encyclopedia,” 2020. [Na spletu; do- stopano 20. junij 2020]. [12] M. O. Culjat, D. Goldenberg, P. Tewari, and R. S. Singh, “A review of tissue substitutes for ultrasound imaging,” Ultrasound in medicine & biology, vol. 36, no. 6, pp. 861– 873, 2010.