Development and testing of an anthropomorphic aluminum phantom for digital chest radiography

Full Text

Обоснование

В России, как и во всём мире, отмечается тренд на цифровизацию здравоохранения, в частности – внедрение инновационных технических решений в работу служб лучевой диагностики. Так, цифровая рентгенография (взамен аналоговой) давно находит своё применение в повседневной практике амбулаторных учреждений, являясь также одним из основных диагностических методов в составе профилактических исследований [1]. Несмотря на перераспределение внутри структуры парка оборудования для лучевой диагностики, рентгеновские диагностические аппараты и флюорографы на момент 2022 года в г. Москва всё ещё составляли наибольшую долю от всех единиц оборудования [2]. Дополнительное направление цифровизации - внедрение систем искусственного интеллекта (ИИ), который в свою очередь может быть использован в качестве системы поддержки принятия врачебных решений, триажа исследований (определение приоритетности внимания врача-рентгенолога для очерёдности интерпретации), улучшения качества медицинских диагностических изображений. В перспективе же системы ИИ могут использоваться для проведения автономной сортировки профилактических исследований, однако это требует надлежащих методов оценки и контроля качества данных систем [3].

Тестирование технических аспектов подобных систем, связанных непосредственно с выполняемыми рентгенографиями, при участии пациентов неразрывно сопряжено с этическими и радиационными рисками. Регламентированная процедура контроля качества выполнения рентгенографии предполагает анализ тест-объектов без имитации анатомических особенностей. Тем не менее, для последующей оценки систем ИИ требуется использование антропоморфных тест-объектов (фантомов), рентгеновское изображение которых будет максимально приближено к анализируемым изображениям пациентов. На данный момент существует несколько коммерчески доступных фантомов, имитирующих органы грудной клетки, которые возможно использовать как в рентгенографии, так и в компьютерной томографии. Наиболее известным из них является Lungman (Kyoto Kagaku, Токио, Япония), который, несмотря на высокоточную имитацию структур грудной клетки, не лишён недостатков в практическом использовании, а именно – высокой стоимости и сложности изготовления. Таким образом, представляется актуальной разработка антропоморфных анатомически-корректных фантомов, использующих меньшее количество затрачиваемых в производстве труднодоступных, дорогостоящих материалов и технологий производства, которые могли бы использоваться как для независимой оценки качества выполнения рентгенодиагностических процедур, так и калибровки и/или тестирования систем ИИ.

Цель

Цель данного исследования – разработка и апробация антропоморфного алюминиевого фантома для цифровой рентгенографии органов грудной клетки.

Материалы и методы

Проектирование и производство фантома

Основной методикой имитации рентген-позитивных структур для создания фантома является послойное фрезерование алюминиевой заготовки. Заготовка была выполнена из сплава алюминия Д16Т. Зависимость между толщиной материала (в мм) и яркостью пикселя (в единицах шкалы оттенков серого) на рентгеновском изображении определена экспериментально и наглядно представлена на графике (Рис. 1).

Рис. 1. Экспоненциальная линия аппроксимации зависимости толщины материала (в мм) для сплава алюминия Д16Т от яркости пикселей. По оси абсцисс – яркость пикселей единицах шкалы оттенков серого, по оси ординат – толщина материала в мм.

Рис. 2. Эталонная цифровая рентгенограмма, использованная при разработке фантома

В качестве эталона при проектировании фантома была использована цифровая рентгенограмма органов грудной клетки здоровой пациентки 22 лет, без патологических изменений (Рис. 2), полученная в рамках прохождения стандартного профилактического осмотра. Эталонная рентгенограмма была получена с помощью малодозового флюорографа "ФЦМ-Альфа" (АО «Актюбрентген», Казахстан) и представлена в виде DICOM-файла. Были использованы следующие параметры съемки: напряжение – 110 кВ, произведение времени экспозиции на силу тока – 10 мАс, доза излучения – 0,318 мЗв, размер рабочего поля – 400x400 мм.  В последствие данное изображение с использованием полученной зависимости было преобразовано в 3D-модель (Рис. 3).

Финальная модель фантома на основе полученной 3D-модели была произведена методом послойного фрезерования с использованием фрезерного станка с числовым программным управлением MDX-540 (Roland, Япония). Готовый фантом представлен на рис. 4.

Рис. 3. 3D-модель для производства фантома.

Рис. 4. Итоговый образец разработанного рентгеновского алюминиевого фантома.

Апробация фантома и оценка результирующих рентгенограмм

В рамках апробации предполагалось выполнение качественной и количественной оценки получаемых рентгеновских изображений. Апробационные цифровые рентгенограммы были получены на рентгеновском аппарате типа U-дуга «Ренекс-РЦ» (ООО «С.П.Гелпик», Россия). Съёмка выполнялась в трёх стандартных режимах, предусмотренных фирмой-производителем, для пациентов трёх типов («худой», «средний», «полный»). Автоэкспонометр не использовался, применялись фиксированные параметры. Параметры данных режимов представлены в таблице 1.

 

Таблица 1. Параметры съемки изображения, используемые при стандартных режимах исследования пациентов.

 

Режим съёмки	Напряжение, кВ	Расстояние «источник-приёмник», мм	Миллиамперы *секунды, мАс	Ток, А	Время экспозиции, мс	Фильтр, мм Al
«Худой»	118	1500	2,4	429	5,6	2,5
«Средний»	118	1500	3,6	424	8,5	2,5
«Полный»	119	1500	4,7	420	11,1	2,5

 

Осуществлялась качественная, визуальная субъективная оценка соответствия получаемого с помощью фантома рентгеновского изображения эталонному, в которой принимали участие два независимых врача-рентгенолога со стажем работы 10 и 33 года.

Проводилась оценка влияния фантома на пространственное разрешение и контрастную чувствительность для различных рентгенографических режимов с использованием дополнительных тест-объектов установленного образца. Для оценки контрастной чувствительности использован тест-объект ТКЧ-5 (НПП «Доза», Россия), для оценки пространственного разрешения – тест-объект ТПР-4-2 (НПП «Доза», Россия). Пороговая контрастная чувствительность устанавливалась визуально как номинальное значение минимально различимых тестовых отверстий на тест-объекте и определялась в процентах. Максимальное пространственное разрешение устанавливалось визуально по соответствующей на тест-объекте группе максимального количества пар линий с ясно различимым промежутком между ними и определялось как пары линий на мм. Методы определения данных параметров изображения соответствовали ГОСТ Р МЭК 61223-2-9-2001, ГОСТ Р МЭК 61223-2-11-2001, РФ ГОСТ Р МЭК 61223-3-1-2001.

            Проводилось сравнение коэффициентов ослабления рентгеновского излучения при исследовании фантомов и пациентов. В качестве группы сравнения использованы ретроспективно полученные цифровые рентгенограммы 3 пациентов, выполненные с использованием той же самой единицы оборудования. были выполнены прямые сравнения данных показателей. Расчеты проводились для анатомических областей «легочные поля» и «брюшная полость».

Измерения абсолютных значений сигнала в цифровых рентгенограммах (DICOM-файлы) проводились в программе RadiAnt DICOM Viewer версии 2024.2. Для оценки влияния фантома на пространственное разрешение и контрастную чувствительность разных рентгенографических режимов использовались тест-объекты (рис. 5).

Рис. 5. Тест-объекты для оценки влияния на контрастность и пространственное разрешение. А – Рентгенография тест-объектов, б – расположение тест-объектов за приёмником, в – рентгенография фантома с одновременным расположением тест-объектов.

 

Выбранные параметры изображения измерялись в автоматическом режиме аппарата, с фиксированными настройками со следующим расположением тест-объектов:

1. Тест-объекты на приемнике без фантома.
2. Тест-объекты на приемнике за фантомом – легочные поля.
3. Тест-объекты на приемнике за фантомом – брюшная полость.

Апробация фантома для моделирования очаговой патологии лёгких

Проводилась оценка применимости фантома для моделирования процесса рентгенографии ОГК в прямой проекции в норме, моделирования очагового поражения легких, с оценкой результатов экспертами. В качестве объектов, имитирующих патологические образования, использована гомогенная композитная смесь из органических материалов с порошком гипса (СаSO4) с характеристиками, представленными в таблице 2.

 

Таблица 2. Характеристики кальцийсодержащих тест-объектов, имитирующих частично кальцинированные очаги легких

№	Наименование	Плотность (г/мл)	Объемная концентрация гипса (мг/мл)	Массовая концентрация гипса (гр %)	Рентгеновская плотность (HU); 120 кВ, 200 мА водное окружение	Диаметры имитируемых очагов (мм)
1	Имитация очагов высокой плотности	1,38	293,6	21,2	291,3 ± 5,5	20 ± 1 10 ± 0,3 5 ± 0,3 3,8 ± 0,3
2	Имитация очагов средней плотности	1,15	100,0	8,5	113,8 ± 7,1	20 ± 1 10 ± 0,3 5 ± 0,3 3,8 ± 0,3

Анализ полученных изображений проводился двумя экспертами независимо и однократно. Изображения с заведомо не визуализируемыми объектами (очаги 3,8 мм, расположенные на периферии) не анализировались, поскольку выходят за пределы возможностей визуализации.

Результаты

Спроектированный фантом был изготовлен из сплава алюминия Д16Т, его масса составила 6,75 кг [4]. Фантом позволяет имитировать ОГК для изображений, получаемых с помощью рентгеновского аппарата. Изображение, полученное при выполнении рентгенографии фантома (Рис. 6а), с высокой степенью достоверности воспроизводит эталонное изображение (Рис. 6б).

Созданный рентгенологический фантом позволяет имитировать патологические изменения, связанные с «плюс-тенью» на РГ-изображении путём размещения в необходимой позиции пластичных накладок. 

Рис. 6. Сравнение рентгенограмм фантома и прототипа, использованного для разработки: а – рентгенограмма фантома, б – рентгенограмма-прототип.

На рис. 7 представлен фантом (а) с фиксированными кальцийсодержащими тест-объектами, имитирующими кальцинированные очаги диаметром 10 мм, и рентгенограмма фантома с данными тест-объектами (б). Кальцийсодержащие тест-объекты при имитации легочных очагов были расположены в 6-м межреберном промежутке, в срединных отделах. Позиционирование фантома и коллимирование выполнены без технических сложностей.

Рис. 7. Фантом (а) с фиксированными тест-объектами, имитирующими кальцинированные очаги диаметром 10 мм, и (б) рентгенограмма фантома с тест-объектами.

При анализе рентгеновского изображения фантома было определено хорошее общее визуальное сходство с нативным исследованием органов грудной клетки женщины, выполненным при сканировании с отведением лопаток (визуализированы контуры молочных желез, тени лопаток не прослеживаются). Тем не менее, ввиду конструктивных особенностей фантома на результирующих рентгеновских изображениях отмечаются и недостатки. Так, отмечен воздушный канал от винта по верхнему контуру в проекции трахеи. Также выявлены мелкобугристые, неровные края фантома, что связано с его производством процессом фрезерования. Также отмечается дополнительная тень во 2-м межреберье слева, не отмечаемая на рентгенограмме-прототипе (Рис. 8). Кроме того, контуры сосудистого рисунка представляются несколько размытыми.

В Таблице 4 представлены результаты измерений контрастной чувствительности и пространственного разрешения при различных расположениях тест-объектов.

Рис. 8. Замечания по визуализации фантома. Стрелка слева указывает на воздушный канал винта, стрелка справа - на неровные края фантома, стрелка по центру - на тень во 2-м межреберье слева.

Таблица 4. Результаты измерений контрастных и пространственных параметров рентгеновского изображения.

 

№	Расположение тест-объектов	I. Тест-объекты на приемнике		II. Тест-объекты на приемнике за фантомом «легочные поля»		III. Тест-объекты на приемнике за фантомом «брюшная полость»
	Режимы	Контрастная чувствительность, %	Пространственное разрешение, пар. лин./мм	Контрастная чувствительность, %	Пространственное разрешение, пар. лин./мм	Контрастная чувствительность, %	Пространственное разрешение, пар. лин./мм
1	20 мкЗв	0,5	4,3	1,0	4,0	2,0	3,1
2	30 мкЗв	0,5	4,3	1,0	4,0	2,0	3,1
3	40 мкЗв	0,5	4,3	0,5	4,0	2,0	3,1

 

 

 

 

Таблица 5. Отношение коэффициентов ослабления для разных анатомических областей фантома относительно пациентов.

 

	Брюшная полость / легочные поля		Пациенты/Фантом
Коэффициент ослабления	Фантом	Пациенты	Брюшная полость	Легочные поля
(I/I0)	2,352	5,365	6,008	2,634
(Ln (I/I0))	3, 141	2,231	2,412	3,397

Рис. 9. Сравнительные результаты коэффициентов линейного ослабления (I/I0) для фантома и пациентов.

Отношение коэффициентов ослабления для разных анатомических областей фантома относительно пациентов представлены в таблице 5. Сравнительные результаты коэффициентов линейного ослабления (I/I0) для фантома и пациентов представлены на рис. 9. Из гистограмм видно, что у пациентов коэффициенты ослабления больше как для легочных полей, так и для брюшной полости, при этом наиболее выражена разница между поглощением в области брюшной полости и легочными полями.

Рис. 10. Расположение областей зон интереса для измерения интенсивности излучения (сигнал с матрицы детекторов): а – расположение на фантоме, б – расположение у пациента.

Распределение смоделированных очаговых объектов, а также подробная матрица ошибок для экспертов 1 и 2 представлены в таблице 6 в следующем формате: ИП – истинно положительные; ИО – истинно отрицательные; ЛО – ложноотрицательные; ЛП – ложноположительные. Метрики точности для эксперта 1 составили: чувствительность 100%, специфичность 100%, точность 100%. Метрики точности для эксперта 2 составили: чувствительность 87,5%, специфичность 100%, точность 93,33%.

Таблица 6. Результаты определения метрик точности по выявлению очаговой патологии при использовании фантома.

№	Строка табл. 1	мАс	Тест-объект		Расположение тест-объекта	Эксперт 1		Эксперт 2
			Слева	Справа		Слева	Справа	Слева	Справа
1	1	2,4	нет	нет	Средин.	ИО	ИО	ИО	ИО
2	2	3,6	нет	нет	Средин.	ИО	ИО	ИО	ИО
3	3	4,7	нет	нет	Средин.	ИО	ИО	ИО	ИО
10	1	2,4	нет	нет	Средин.	ИО	ИО	ИО	ИО
11	2	3,6	нет	нет	Средин.	ИО	ИО	ИО	ИО
12	3	4,7	нет	нет	Средин.	ИО	ИО	ИО	ИО
13	3	4,7	20 (291)	20 (113)	Средин.	ИП	ИП	ИП	ИП
14	1	2,4	5 (291)	5 (113)	Средин.	ИП	ИП	ИП	ИП
15	2	3,6	5 (291)	5 (113)	Средин.	ИП	ИП	ИП	ИП
16	3	4,7	5 (291)	5 (113)	Средин.	ИП	ИП	ИП	ИП
17	1	2,4	10 (291)	10 (113)	Средин.	ИП	ИП	ИП	ИП
18	2	3,6	10 (291)	10 (113)	Средин.	ИП	ИП	ИП	ИП
19	3	4,7	10 (291)	10 (113)	Средин.	ИП	ИП	ИП	ИП
20	1	2,4	3,8 (291)	3,8 (113)	Периф.	-	-	-	-
21	2	3.6	3,8 (291)	3,8 (113)	Средин.	ИП	ИП	ЛО	ЛО
17	1	2.4	10 (291)	10 (113)	Средин.	ИО	ИО	ИО	ИО

 

Полученные результаты свидетельствуют о наиболее высокой точности по выявлению очаговой патологии Экспертом 1. Метрики данного специалиста по визуализации легких (чувствительность, специфичность, точность) соответствовали 100 %. Несколько менее точно очаги выявлялись Экспертом 2, который не специализируется в легочной патологии. Им не были определены очаги малого размера (3,8 мм).

Обсуждение

Разработанный алюминиевый фантом демонстрирует значительные преимущества перед существующими аналогами, такими как многоцелевой фантом N1 Lungman (Kyoto Kagaku) [5]. В отличие от последнего, который воспроизводит анатомию в натуральную величину с использованием композитных материалов, предложенное решение обеспечивает сопоставимую точность имитации рентгенографических характеристик при низкой себестоимости производства. Важным преимуществом изделия является возможность локализации производства, так как опция использования доступных материалов (алюминий Д16Т) и стандартного ЧПУ-оборудования снижает зависимость от импортных компонентов. Наконец, существенное снижение массогабаритных параметров по сравнению с аналогами (вес изделия составляет 6,75 кг, что на 63% меньше, чем у N1 Lungman), позволяет упростить транспортировку и эксплуатацию.

Основной материал фантома, а именно алюминиевый сплав Д16Т, был выбран по ряду критериев: достаточная однородность структуры (минимизация возможных артефактов на результирующей ренгенограмме); плотность, обеспечивающая эквивалентное биологическим тканям ослабление излучения (2,8 г/см³); лёгкость обработки и экономичность. Изготовление образца с учётом черновой и чистовой обработки заготовки заняло 300 часов. Такая продолжительность связана с использованием низкопроизводительного оборудования, используемого для прототипирования. Использование для изготовления фантома промышленных станков или использование альтернативных технологий позволит существенно сократить время изготовления.

Важным аргументом в пользу выбора сплава алюминия Д16Т также стало свойственное ему распределение яркости пикселей на рентгенографическом изображении в зависимости от толщины, хорошо соответствующее гистограмме распределения яркостей для 14-битной шкалы оттенков серого в полном динамическом диапазоне рентгенограммы-прототипа.

Исходя из указанных в таблице 4 результатов, можно сделать вывод о том, что определение пространственного разрешения и контрастной чувствительности соответствует паспортным данным при расположении объектов на детекторе (с учетом разных показателей кВ – 70 при испытаниях, 120 при текущем исследовании).

Также можно отметить незначительное снижение параметра «пространственное разрешение» при исследовании за фантомом в области легочных полей и снижение контрастной чувствительности на 0,5 % при исследовании в режиме 20 и 30 мЗв. Следовательно, имитируемые легочный рисунок и другие структуры вносят дополнительную погрешность в определение пространственного разрешения в области «легочные поля».

Дополнительно можно наблюдать закономерное значительное снижение параметров «пространственное разрешение» и «контрастная чувствительность» при исследовании за фантомом в области брюшной полости. При этом результаты не зависели от параметров съемки (20–30–40 мЗв).

Указанные данные в целом говорят о том, что хотя фантом достаточно хорошо имитирует относительный паттерн аттенюации сигнала по органам грудной клетки, что подтверждается визуально, коэффициент ослабления излучения, наблюдаемый при сканировании фантома (при 120 кВ) ниже по отношению к сканированию пациентов средней комплекции. Для полных пациентов данные различия будут еще более заметными. По-видимому, именно это привело к результатам оценки пространственного разрешения и контрастной чувствительности для легочных полей, близкой к измерениям в случае размещения тест-объектов на детекторе.

Нельзя не отметить, что подход к оценке применимости фантома для моделирования процесса рентгенографии ОГК в прямой проекции не был лишен недостатков: так, отсутствовала возможность использования различных прототипов для вариантов анатомической нормы. Аугментация нормальных состояний была промоделирована путем разных условий съемки и двойного предъявления одинаковых изображений, что не является полностью корректным подходом. Имитация очагов проводилась моделированием геометрически точных структур в одинаковых участках, не характерных для данной очаговой патологии.

Тем не менее, апробация фантома экспертами рентгенологами подтвердило принципиальную возможность оценки эффективности выявления очаговой патологии при использовании разработанного фантома. Были отмечены конструктивные недостатки, которые, однако, не повлияли на заключение о том, что фантом достаточно хорошо имитирует относительный паттерн аттенюации сигнала по органам грудной клетки. Преодолением же несоответствия коэффициентов ослабления фантома и реального объекта может быть увеличение толщины фантома – области, имитирующей грудную клетку – в 3,4 раза, а брюшной полости – в 2,6 раза (в среднем в 3 раза). Однако это закономерно приведет к утяжелению фантома приблизительно в 3 раза, и его вес может составить до 21 кг, что станет критичным ограничением для его широкого внедрения.

Авторы статьи предполагают, что наиболее рациональным решением данного ограничения представляется учет отмеченного несоответствия путем изготовления образцов патологических процессов и измерения пространственного разрешения и контрастной чувствительности с учетом полученных данных и поправки на выявленные несоответствия. Для повышения коэффициента поглощения можно рассмотреть добавку отдельного листа меди.

Другими важными ограничениями изделия являются возможность имитации только одной проекции, что исключает применение в компьютерной томографии, а также длительное время изготовления фантома.

Заключение

Фантом обеспечивает достоверную имитацию рентгенографических исследований. Изделие позволяет моделировать различные патологические состояния и применять его для оценки диагностической точности специалистов и технологий искусственного интеллекта.

Рентгенологические фантомы - известное решение, использующееся для различных задач в радиологии. Они применяются в рамках научных исследований, образовательных процессов, задач разработки и тестирования рентгенографического оборудования, а также новых протоколов сканирования. Кроме того, фантомы используются для валидации алгоритмов искусственного интеллекта. Отметим, что лучшие образцы данной технологии являются точными анатомическими моделями торса в натуральную величину, тем не менее не позволяющими получить рентгенографическое изображение максимально до степени идентичности имитирующее реальные анатомические структуры.

Разработанный фантом является технологически уникальным решением, обеспечивающим необходимую визуализацию для практического тестирования рентгенодиагностических устройств, оценки точности экспертов и алгоритмов ИИ, при низкой себестоимости относительно аналогов. В дальнейшем планируется разработка дополнительных методик для повышения эффективности использования данной модели.

About the authors

Yury Tengizovich Gogoberidze

Author for correspondence.
Email: gut@vector.ru
ORCID iD: 0009-0001-4879-1521
Russian Federation

Viktor Ivanovich Klassen

Email: kvi@vector.ru

Ilya Aleksandrovich Prosvirkin

Email: pia@vector.ru
ORCID iD: 0009-0008-2391-3714

Ilya Sergeevich Noskov

Email: nis@vector.ru

Alexey V. Petraikin

Moscow Center for Diagnostics and Telemedicine

Email: PetryajkinAV@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0000-0003-1694-4682
SPIN-code: 6193-1656

MD, Dr. Sci. (Med.), Associate Professor

Russian Federation, Moscow

Olga V. Omelyanskaya

Research and Practical Clinical Center for Diagnostics and Telemedicine Technologies

Email: o.omelyanskaya@npcmr.ru
ORCID iD: 0000-0002-0245-4431
SPIN-code: 8948-6152
Russian Federation, Moscow

Rustam A. Erizhokov

Research and Practical Clinical Center for Diagnostics and Telemedicine Technologies; Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)

Email: npcmr@zdrav.mos.ru
ORCID iD: 0009-0007-3636-2889
SPIN-code: 2274-6428

MD

Russian Federation, Moscow; Moscow

References

Supplementary files