Gedruckte 3D Phantome für die digitale Radiographie

Abstract

X-ray phantoms are an important part of the quality assurance and adjustment of X-ray systems and their optimization. However, anamorphic phantoms are expensive and need to be handled with great care. This makes it difficult to optimize the X-ray settings or parameters of the image processing software for a specific pathology and compare them between different systems or manufacturers. 3D printing with its different methods and materials allows to approach the problem in different ways. For my diploma thesis I used two different printing systems (stereolithography and fused deposition modelling). First, I tested the available materials for their radiological properties and their suitability for use as a phantom material. For this purpose, I printed several test cylinders whose CT images provided me with information about their geometric accuracy and homogeneity. With the CT number their linear absorption coefficient of the X-rays could be determined. With a provided X-ray image of a premature baby I developed a Python script, which calculates a corresponding height from the grey value of the image and creates a 3D model for the print. The script also corrects the perspective projection caused by the finite distant X-ray point source. First, the dependency between the grey value and the height of the system had to be found. For this purpose, a step pyramid with the desired material was printed and x-rayed. The resulting grey values of the image and the height were fitted by means of a polynomial function. With the knowledge gained from the CT images, I selected two materials and used those to print two premature baby phantoms. To quantitative analyse the printed phantoms an X-ray was taken on the same machine using the same protocol. The phantoms generated for this work serve as proof-of-concept, future research projects can build on this experience and solve existing problems such as high noise in the X-ray images by more sophisticated and lengthy approaches. They could expand the now single material phantom and combine different materials in one print. The creation of a "phantom library" that can be used to optimize different systems and image processing software for different pathologies is one of the many possible future applications of 3D printing in radiology.

Röntgenphantome sind ein wichtiger Bestandteil in der Qualitätssicherung und Justierung von Röntgensystemen, sowie deren Optimierung. Anamorphe Phantome sind aber teurer, müssen vorsichtig gehandhabt werden und erlauben es nur schwer, die Röntgeneinstellungen oder Parameter der Bildbearbeitungssoftware auf eine bestimmte Pathologie hin zu optimieren und diese zwischen verschiedenen Systemen bzw. Herstellern zu vergleichen. Der 3D-Druck erlaubt mit seinen unterschiedlichen Fertigungsmethoden und Materialien diese Probleme auf verschiedene Weisen anzugehen. Im Rahmen meiner Diplomarbeit habe ich zwei verschiedene Druck Systeme (Stereolithografie und Fused Deposition Modelling) genutzt, um die mir zur Verfügung stehenden Materialien zuerst auf deren radiologischen Eigenschaften zu prüfen und auf ihre Tauglichkeit für den Einsatz als Phantom-Material zu testen. Dazu druckte ich mehrere Testzylinder aus verschiedenen Material, deren CT-Aufnahmen lieferten mir Aufschluss über die geometrische Genauigkeit und Homogenität des Druckes. Mit der CT-Zahl kann außerdem der linearer Absorptionskoeffizient für die Materialien bestimmt werden. Mit einem zur Verfügung gestellten Röntgenbild eines Frühgeborenen entwickelte ich ein Python-Skript, welches mir aus dem Grauwert eine entsprechende Höhe berechnet und mit dieser ein 3D-Modell für den Druck erstellt. Das Skript korrigiert auch die durch die endlich entfernte Punktquelle auftretende perspektivische Projektion. Dazu musste zuerst mithilfe einer Stufenpyramide des gewünschten Druckmaterials der Zusammenhang zwischen dem Grauwert und der Höhe des Systems mittels eines Polynomial Fittes gefunden werden. Mit dem gewonnenen Wissen der CT Aufnahmen wählte ich zwei Materialien aus und nutzte diese beiden dann zum Druck von zwei Frühgeborenen Phantomen. Diese gedruckten Modelle wurden zur quantitativen Untersuchung mit dem gleichen Röntgengerät und dem gleichen Protokoll geröntgt und analysiert. Die für diese Arbeit erzeugten Phantome dienen als Proof-of-Concept, zukünftige Forschungsprojekte können auf diese Erfahrungen aufbauen und bestehende Probleme, wie hohes Rauschen in den Röntgenbildern, durch ausgereiftere und langwierigeren Ansätzen lösen und das jetzige, nur aus einem Material bestehende Phantom, ausweiten und verschiedene Materialien in einem Druckmodell kombinieren. Auch der Aufbau einer „Phantom-Library“, die zur Optimierung verschiedener Systeme und Bildverarbeitungssoftwares von unterschiedlichen Pathologien dienen kann, ist eine der vielen möglichen zukünftigen Anwendungsgebiete des 3D-Druckes in der Radiologie.