The design and manufacture of an anthropomorphic head phantom using direct digital manufacturing techniques

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Piedade, Silvestre Alberto
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/45460
Resumo: Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020
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spelling The design and manufacture of an anthropomorphic head phantom using direct digital manufacturing techniquesPET-CTFantoma da CabeçaSegmentaçãoImpressão 3dTeses de mestrado - 2020Departamento de FísicaTese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020Positron emission tomography images are used to obtain in vivo qualitative measurements of physiological parameters. Partial volume effects, by effectively blurring the images, harms this quantitativenature. Phantoms can be used to both evaluate how blurred are the images produced by a positron emission tomography system as well as correct for them, by providing a way to obtain a function that maps how this blur across the images. This function can then be used to remove partial volume effects artifacts. The aim of this study was to develop an anthropomorphic head phantom, with brain and skull structures, to help with the aforementioned tasks, since it will provide a more accurate simulation of real subjects. To build a phantom with structures as complex as grey and white matter and the skull, 3d printing techniques were used. The models were obtained from magnetic resonance images using seeded region growing algorithms. The segmented models obtained had the basic structure of the target tissues except for the grey matter model which ended up incomplete. Due to this and failure to design a robust brain phantom we were only able to print the cranium portion of the head phantom, and due to the very long print time required, even of this only a small part was printed. This is the beginning of the project and although a full phantom has not been created we showed that, after some optimizations, it is viable to print a realistic skull phantom, using a polycaprolactonehydroxyapatitemisture that mimics bone’s radiological properties.Imagens de Positron Emission Tomography (PET) são obtidas detetando a distribuição e concentração de um radiofármaco nos tecidos de um sujeito. Radiofármacos são moléculas que no organismo se comportam de modo semelhante a alguma outra molécula que participe num processo fisiológico, de modo a que estas possam tomar o seu lugar. Em adição, são dopadas com elementos radioactivos de modo a que a sua distribuição monitorizada. Ao escolher um radioisótopo somos então capazes de quantificar o processo fisiológico no qual este participa. A glucose, por exemplo, é utilizada para quantificar a intensidade de procesos metabólicos. Os radioisótopos irão emitir positrões que irão interagir com os tecidos para gerar um par de fotõs que irão viajar em direções opostas. Durante o processo de construção da imagem são as deteções destes pares de fotões que são utilizadas. Ao atravessar um meio, existe uma probabilidade destes fotões serem absorvidos. Quanto mais denso o meio, maior esta probablidade. No corpo humano, ao cruzar estruturas mais ou menos densas, ossos e pulmões, por exemplo, a quantidade de eletrões atenuados irá variar, distorcendo as imagens geradas. Ao fazer um scan de Computed Tomography (CT), podemos obter um mapa da atenuação das estruturas que é utilizado para corrigir estes efeitos. Efeitos de volumes parciais (PVE) fazem com que as imagens geradas pareçam algo desfocadas. Estes efeitos têm 2 origens: 1) Como os positrões emitidos pelos radiofármacos têm sempre de atravessar alguma matéria até originarem o par de fotões que será detetado. Até uma distribuição pontual de radiofármaco será observada como um volume. 2) Como os sensores têm uma resolução espacial limitada, os píxeis correspondentes a fronteiras entre duas estruturas irão conter informação misturada das duas. Isto faz com que as fronteiras entre regiões não sejam tão nítidas. Para vários tratamentos é importante avaliar quantitavimanente certos parâmetros fisiológicos. Por exemplo, é possível avaliar a resposta de um tumor a tratamentos através da sua taxa metabólica, que podemos quantizar com imagens de PET. Infelizmente efeitos de PVE, afetam a precisão destas medidas, ao desfocar as imagens. Torna-se então importante estudar estes efeitos, como os reduzir e avaliar o seu efeito nos vários sistemas de imagem. Para testar e avaliar a qualidade das imagens geradas por equipamentos PET e o quão fielmente representam a realidade são usados fantomas, objectos que tentam representar o corpo humano, de modo a evitar a exposição de pacientes a estes processos desnecessariamente. Existe ainda a vantagem de sabermos exatamente o resultado esperado para as imagens. Regra geral, estes fantomas correspondem a versões muito simplistas da realidade, recorrendo a formas geométricas simples como retângulos e esferas. O objectivo deste trabalho é desenvolver um fantoma antropomórfico, com estruturas realistas, do cérebro e crânio utilizando tecnologias de impressão 3d para avaliar a performance de equipamentos de PET/CT. Para obter modelos realistas que podemos passar a uma impressora 3d recorremos à segmentação de imagens de ressonância magnética e CT utilizando algoritmos seeded region growing. Estes algoritmos pegam num ponto inicial (semente), com o qual comparam os valores dos píxeis vizinhos. Caso a diferença de intensidades entre os píxeis vizinhos e a média da região que está a ser segmentada seja menor que um limite pré-definido, estes são acrescentados à região segmentada. É através deste limite e das sementes iniciais que variamos os resultados da segmentação. Este algoritmo em particular adequasse a esta tarefa uma vez que as regiões correspondentes às matérias branca e cinzenta têm contornos complexosmas com baixa variação de intensidade dos píxeis no seu interior. Tentámos aplicar o mesmo algoritmo para segmentar o crânio e o cérebro. Devido à estrutura do osso do crânio, esponjoso (logo menos denso) no centro fomos capazes de segmentar o seu contorno corretamente à custa de uma maior espessura deste. Quanto ao cérebro, apesar da matéria branca e ventrículos terem sido corretamente segmentados, a matéria cinzenta, que neste contexto pode ser vista como uma camada ao redor da matéria branca, possui várias zonas onde é inexistente. Nestas, ou se apresenta como matéria branca ou não existe de todo. Utilizámos os modelos da matéria branca e cinzenta para remover o excesso do modelo do crânio e, de seguida, dividimos este modelo em múltiplas peças que a impressora à nossa disposição é capaz de imprimir. Para o fantoma do cérebro tentámos apenas recriar uma região oca correspondendo à matéria cinzenta. Para tal dilatámos o modelo da matéria cinzenta, de modo a obter a parede exterior deste e utilizámos o modelo da matéria branca para obter a sua parede interior. Esta abordagem gerou uma câmara oca correspondente à matéria cinzenta com uma espessura muito inferior ao esperado e que, em certas regiões era até inexistente (devido aos modelos utilizados). Um problema maior, no entanto, é que esta abordagem não teve em conta a robustez mecânica do fantoma, não tendo estruturas de suporte nem podendo garantir uma forma eficaz de encher e vazar o fantoma com os radiofármacos de modo a testá-lo. Assim sendo apenas avançamos para a fase de impressão 3d do modelo do crânio. De modo a que o fantoma do crânio se comporte de modo semelhante ao osso (em relação às suas propriedades imagiológicas), criámos uma mistura de policaprolactona (PCL) e hidroxiapatita (HA) em proporção de 50%. Para imprimir a peça utilizámos uma impressora 3d feita por medida que nos permite personalizar os materiais com os quais queremos imprimir. Utilizámos um bocal de 0:3mm que apesar de permitir maior detalhe exige um grande número de passagens para gerar cada camada da peça. Estimámos que, para imprimir todas as pecas do crânio, demoraríamos cerca de 5 meses pelo que apenas imprimimos uma única parte. A peça que imprimimos demontra que é possível utilizar a impressora BIOMATE para este tipo de trabalhos uma vez que mesmo sem material de suporte fomos capazes que obter estruturas como arcos e rampas, necessárias para a impressão de estruturas complexas, apesar de ser necessário referir que não de forma perfeita. Será necessário continuar a optimizar o processo, em particular tentar minimizar deformações geradas enquanto camadas já impressas arrefecem durante o processo de impressão. Apesar de não termos concretizado todos os objetivos a que nos propusemos temos agora uma ideia melhor de onde concentrar os nossos esforços: Obter boas imagens nas quais basearemos a segmentação; Perceber a melhor forma de passar de um modelo do cérebro para uma estrutura oca do fantoma que permitirá o fluxo de radiofármaco e Possiveis formas de expeditar o processo de impressão.Matela, Nuno Miguel de Pinto Lobo e, 1978-Mitchel, GeoffreyRepositório da Universidade de LisboaPiedade, Silvestre Alberto2020-12-18T17:36:26Z202020202020-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/45460TID:202606520enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:47:20Zoai:repositorio.ul.pt:10451/45460Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:57:53.880419Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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