Анатомически и функционально точные фантомы мягких тканей и способ для их формирования

Группа изобретений относится к моделированию в медицине. Способ формирования фантома органа или ткани включает этапы, на которых помещают орган или ткань в контейнер с расплавленным эластомерным материалом; вставляют множество стержней через контейнер и орган или ткань; допускают запитывание и отверждение расплавленного эластомерного материала; удаляют орган или ткань из контейнера; замещают орган или ткань множеством по отдельности удаляемых эластомерных сегментов; удаляют первый эластомерный сегмент и замещают полость, созданную по нему, расплавленным поливиниловым спиртом (PVA), чтобы создать PVA-сегмент; допускают застывание и отверждение расплавленного PVA-сегмента; повторяют этапы до тех пор, пока все эластомерные сегменты не будут удалены. Каждый последующий расплавленный PVA-сегмент сцепляется и/или сплавляется с предыдущим затвердевшим PVA-сегментом так, чтобы сформировать фантом органа или тканей. Раскрыты фантом органа или ткани и способ изготовления фантома сердца. Технический результат состоит в обеспечении анатомической точности. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 19 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к фантомам медицинских органов и, более конкретно, к способу, устройству и системе для создания и/или формирования анатомически и функционально точных фантомов мягких тканей с комплексными характеристиками для изучения изображений.

Уровень техники

Исследователям, работающим с компьютерной томографией (CT), рентгеновскими лучами (X-ray), ЯМР-томографией (MRI), позитронно-эмиссионной томографией/гамма-томографией (PET/SPECT), ультразвуком (US), оптическим формированием изображения, электромагнитной интроскопией (например, радиочастоты, микроволны, ТГц) и другими технологиями обработки изображения требуются мишени формирования изображений. Эти мишени необходимы, среди прочего, для тестирования и проверки функционирования аппаратного и программного обеспечения формирования изображений. Изучение формирования изображений в общем требует использования анатомически и функционально точных фантомов органов. Эти "фантомы" допускают продолжительные исследования для проверки и тестирования оборудования формирования изображений без необходимости в пациентах или иных живых моделях, таким образом избегая ненужного воздействия рентгеновского излучения и других рисков. Фантомы отличаются по сложности в зависимости от различных параметров, например требований по формированию изображения. В некоторых ситуациях простые цилиндры или другие рудиментарные структуры могут быть достаточными, но в других ситуациях необходимы анатомически точные, функционально точные, динамические, комплексные характеристики формирования изображения. Фантомы с высокими уровнями функциональных возможностей могут использовать материалы, которые весьма близки к механическим и/или химическим свойствам ткани, наряду с тем, что поддерживают ЯМР-томографию, рентгеновские лучи, компьютерную томографию, позитронно-эмиссионную томографию/гамма-томографию, ультразвуковое формирование изображения и другие характеристики формирования изображения.

Анатомической точности для мишеней формирования изображений трудно достичь на практике из-за огромной сложности геометрии органов. Коммерчески доступные фантомы в целом предлагают жесткие анатомические представления интересующего органа без динамических тканеэквивалентных биомеханических деформаций/функциональных возможностей или характеристик формирования изображений, которые допускают комплексное тестирование (например, MR, CT, X-ray, US, PET/SPECT).

Фантомы, которые обнаруживают диапазон свойств, которые являются близко имитирующими поведение биологических тканей в терминах появления изображений, механики и/или химических характеристик, являются тем, что необходимо, но до настоящего времени не достигнуто. Настоящее изобретение описывает новую технологию фантомов, которая обращается к недостаткам традиционных мишеней формирования изображений наряду с обеспечением создания/формирования мишеней изображения с высокими функциональными возможностями. Мишени формирования изображений/фантомы, которые создаются/формируются согласно настоящему изобретению, предлагают массу значительных преимуществ, особенно в средах тестирования, например, среды, включающих в себя тестирование комплексного аппаратного и программного обеспечения для реконструкции, сегментации, совпадения, количественного анализа и/или визуализации.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предоставляет преимущественные способы, системы и устройство для создания/формирования анатомически точного фантома мягких тканей или органов. Примерные фантомы, сформированные согласно настоящему изобретению, предлагают тканеэквивалентные механические свойства, которые воспроизводятся непосредственно из исходной структуры, например человеческого органа. Согласно примерным вариантам осуществления фантом создается с помощью наполнения контейнера, содержащего орган или другую интересующую структуру мягких тканей, которая имеет внутреннюю сосудистую сеть, расплавленным эластомерным материалом; вставления множества стержней через контейнер и орган/мягкие ткани, обеспечения застывания и отвердевания расплавленного эластомерного материала; удаления органа/мягких тканей, замещения органа/мягких тканей множеством эластомерных сегментов; удаления эластомерного сегмента и замещения полости, созданной по нему, расплавленным материалом, например поливиниловым спиртом (PVA), чтобы создать PVA-сегмент. Расплавленный PVA-сегмент в целом позволяет застыть и затвердеть, и вышеизложенные этапы повторяют так, чтобы создать дополнительные PVA-сегменты, пока все эластомерные сегменты не будут удалены.

Каждый последующий расплавленный PVA-сегмент в общем сцепляется и сплавляется с предыдущим затвердевшим PVA-сегментом так, чтобы создать главным образом завершенную отливку фантома органа/тканей. В примерных вариантах осуществления фантом органа/тканей может быть создан с помощью позиционирования отливки фантома органа/ткани в приспособлении или другой стабилизирующей структуре, например, в перевернутом положении. Диапазон эластомерных материалов может использоваться согласно настоящему изобретению. В примерных вариантах осуществления эластомерный материал является силиконовым каучуком.

С помощью методики, раскрытой в данном документе, высокоточные и полезные фантомы органов/тканей могут быть созданы эффективным и надежным способом. Большинство органов и анатомических/тканевых структур могут эффективно воспроизводиться для целей фантома, при этом подобный фантом органа/ткани характеризуется свойствами, которые близко имитируют анатомические характеристики основной орган/ткань. В особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения фантом человеческого сердца может быть создан для использования в изучении формирования изображений или тому подобного.

Дополнительные признаки, функции и преимущества раскрытых систем, способов и устройства станут очевидными из подробного последующего описания, в частности, когда будут изучены совместно с прилагаемыми фигурами.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания настоящего изобретения сделана ссылка на последующее подробное описание примерных вариантов осуществления, рассматриваемых в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 является схематическим представлением фантома сердца, созданного с использованием способа "литья по выплавляемой модели" предшествующего уровня техники;

фиг.2 является FD10 рентгеновским изображением "добавленного" PVA-фантома, созданного согласно способу настоящего изобретения;

фиг.3 является ультразвуковым трехмерным изображением "добавленного" PVA-фантома, созданного согласно способу настоящего изобретения;

фиг.4 является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно способу настоящего изобретения, при этом человеческое сердце помещается в контейнер, который затем заполняется силиконовым каучуком;

фиг.5 является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно раскрытому способу, при этом множество стержней опираются на одну сторону контейнера формы;

фиг.6 является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно раскрытому способу, при этом сердце удаляется и формы объема циркулирующей крови теряют совпадение относительно внешнего объема циркулирующей крови;

фиг.7 является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно раскрытому способу, при этом множество стержней повторно вставляются в их предыдущие положения с помощью контейнера формы, чтобы восстановить совпадение;

фиг.8А является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно раскрытому способу, при этом контейнер формы заполняется одним сегментом силиконового каучука;

фиг.8В является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно раскрытому способу, при этом контейнер формы заполняется вторым сегментом силиконового каучука;

фиг.8С является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно раскрытому способу, при этом контейнер формы заполняется третьим сегментом силиконового каучука;

фиг.8D является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно раскрытому способу, при этом контейнер формы заполняется четвертым сегментом силиконового каучука;

фиг.9 является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно раскрытому способу, при этом сегменты силиконового каучука удаляются и замещаются расплавленным PVA;

фиг.10 является схематическим представлением примерного фантома сердца, создаваемого согласно описанному способу, при этом все сегменты силиконового каучука удалены и замещены расплавленным и твердым PVA (вновь добавленный расплавленный PVA соединяется с ранее добавленным/твердым PVA);

фиг.11 является фотографией вида сверху примерного PVA-слепка сердца, который удаляется из совпадающей формы с помощью жестких пластиковых форм в совпадении;

фиг.12А является фотографией вида передней стороны примерного PVA-слепка сердца фиг.11, удаляемого с помощью жестких пластиковых форм;

фиг.12В является фотографией вида сверху примерного PVA-слепка сердца фиг.11, удаляемого с помощью жестких пластиковых форм;

фиг.13 является схематическим представлением, которое показывает завершение PVA-отливки сердца, тогда как он сохраняется в испытательном приспособлении;

фиг.14 является фотографией вида в перспективе примерного испытательного приспособления;

фиг.15А является фотографией вида в перспективе завершенного PVA-отливки сердца в испытательном приспособлении согласно фиг.14;

фиг.15В является фотографией вида сбоку завершенного PVA-отливки сердца в испытательном приспособлении согласно фиг.14;

фиг.16 является схематическим представлением завершенного фантома сердца, соединенного с устройством крепления, чтобы обеспечить надежное в эксплуатации механическое управление с помощью серводвигателей, управляемых внешним контроллером;

фиг.17 является фотографией примерной экспериментальной установки, показанной схематически на фиг.16, в которой механическое управление фантома сердца синхронизируется с ЭКГ-сигналом на устройстве отображения портативного компьютера;

фиг.18 является фотографией экспериментальной установки, показанной на фиг.17, с дополнением ультразвука, X-Ray и устройства Aurora формирования изображений; и

фиг.19 является фотографией примерной экспериментальной установки, используемой для калибровки трехмерного пространства, окружающего фантом сердца для использования в механическом управлении испытательного приспособления согласно фиг.16-18.

Подробное описание изобретения

Способы, системы и устройство настоящего изобретения представляют анатомически точные фантомы органа/мягкой ткани с тканеэквивалентными механическими свойствами. Раскрытые фантомы преимущественно воспроизводятся непосредственно из исходного органа/ткани, например человеческого сердца. Хотя настоящее изобретение описано в отношении создания анатомически точного фантома сердца, настоящее изобретение может использоваться для создания фантомов других внутренних органов, тканей и анатомических структур как животных, так и человека.

Со ссылкой на фиг.1 показывается схематическое представление фантома сердца, создаваемого с использованием способа "выплавляемая модель" предшествующего уровня техники, в целом обозначенное как 10. Позитивная реплика 10 включает в себя левый сегмент 12 и правый сегмент 14, которые определяют стенки 16, 18 сердца и центральную перегородку 20. Сегменты 12, 14 и перегородка 20 создаются из отрицательной внешней формы 22 и внутренней отливки 24, 26 с объемом циркулирующей крови. Хотя внутренние отливки 24, 26 и внешняя форма легко выполнимы, использование их для непосредственного отлива позитивной реплики оказывается проблематичным в том, что внутренние отливки 24, 26 более не совпадают с внешней формой 22. Это совпадение должно быть точным на субмиллиметровом уровне в трех направлениях из-за большой вариации толщины в стенках 16, 18 сердца и перегородки 20. Без высокой степени точности отверстия могут создаваться в положениях 28 в перегородке 20 или во внешних стенках 30 сердца.

Другой проблемой, которую необходимо преодолеть, является захват внутренних отливок 24, 26. Так как позитивная реплика 10 является формой с внутренними полостями и относительно малыми выходными отверстиями в наружное пространство (не показано), внутренние отливки 24, 26 объема циркулирующей крови (объем циркулирующей крови) захватываются внутри реплики 10 и их необходимо удалять. Прежние методики (выплавляемая модель) служат здесь хорошо. Отливки 24, 26 объема циркулирующей крови могут быть отлиты во время нагрева. К сожалению, материал, используемый для отливок 24, 26 объема циркулирующей крови, должен был бы расплавиться при +/-100°F, чтобы предотвратить разрушения соответствующего материала для стенок 16, 18 сердца. Способы, системы и устройство настоящего изобретения преодолевают значительные ограничения методик, основанных на плавлении с помощью подхода эффективной сегментации.

Предпочтительным литьевым материалом для использования в качестве конечной отливки фантома является поливиниловый спирт (PVA). PVA является криогелем, который имеет исключительные, подобные мягким тканям, свойства, и с помощью управления температурой, временем и составом физические свойства органов могут приближаться. PVA создает фантомы высокой анатомической точности и структуры наряду с тем, что возможно получить точное совпадение и задержку удаления. Этот материал описывается в последующих ссылках, которые включены в данный документ посредством ссылки в их полноте:

PVA в своем естественном состоянии является по существу прозрачным для рентгеновских лучей и ультразвука (в зависимости от используемой частоты). PVA может быть активирован, т.е. материалы как йод, графит, противоположность ЯМР (например, гадолиний, сульфат меди и тому подобное), наночастицы оксида железа ЯМР и/или агенты оптического контраста (например, микросферы, оптические наногильзы, интралипид, липиды/масла, оптические краски, ультразвуковые микропузырьки) могут быть добавлены для получения необходимых оптических плотностей. Характерные изображения активированных фантомов PVA показаны на фиг.2, используя FD10 X-Ray, и на фиг.3, используя трехмерный ультразвук.

PVA имеет дополнительное выгодное свойство в том, что он может быть уложен на предыдущие форму и затвердевший PVA-сегмент и нагреваться для создания связанной составной формы с одной частью без признаков разбивки между сегментами. Как результат, фантом органа/ткани, например фантом сердца, может быть создан из множества частей или сегментов, соединенных вместе для получения совпадающих и неохваченных внутренних деталей. В примерном способе, системе и устройстве настоящего изобретения совпадение достигается с помощью последовательной вертикальной отливки множества сегментов из силиконового каучука, один над другим, до тех пор, пока примерно не будет создана полная сердцеобразная форма. Эти сегменты отливаются так, что они не соединены вместе и надежно совпадают на обеих поверхностях объема крови и внутренней формы поверхности наружной части сердца. Подобный способ, система и устройство настоящего изобретения создают позитивные формы объема крови, которые плотно совпадают с внутренней стороны наружной поверхности отрицательной формы сердца (или иного органа/ткани/анатомической).

Фиг.4-10 и 13 иллюстрируют этапы, которые могут использоваться согласно настоящему изобретению для создания/изготовления PVA-фантома сердца. На фиг.4 человеческое сердце 32 помещено в контейнер 34, заполненный частично силиконовым каучуком 36. Затем желудочки 38, 40 заполняются силиконовым каучуком с помощью отверстий 42, 44 резервуара. На фиг.5 множество стержней 46, которые имеют множество (сферических) "выпуклостей" 48, опираются на одну сторону 33 контейнера 34 формы, последовательно прошивая стенки 50 сердца, внутренний объем 52 крови, перегородку 54, второй объем 56 крови, оставшуюся стенку 58 сердца и оставшуюся стенку 60 контейнера. Затем обеспечивается отвердение силиконового каучука, что создает формы 62, 64 объема крови и внешнюю форму 66 (см. фиг.6). Сердце 32 затем удаляется из контейнера 34 формы и разделяется для освобождения объема 62, 64 внутренней крови (формы). Как показано на фиг.6, формы 62, 64 объема крови потеряли связь с внешней формой 66. Теперь, как показано на фиг.7, совпадение может быть восстановлено с помощью повторного помещения множества стержней 46 с множеством "выпуклостей" 48 в их предшествующем положении с помощью контейнера 34 формы и форм 62, 64 объема крови, как показано.

Теперь, как показано на фиг.8A-8D, контейнер 34 формы (который включает в себя множество вставленных стержней 46) затем заполняется последовательными сегментами 68A-68D расплавленного силиконового каучука. Каждому из сегментов 68A-68D разрешается загустеть и застыть. Как результат, сегмент 68B не прилегает к сегментам 68A или 68C. Аналогично, сегмент 68C не прилегает к сегментам 68B или 68D и т.д. Никакой из сегментов 68A-68D не соединяется с внешней формой 66. Внешние формы 62, 64 с объемом крови удаляются, и негативные формы выполняются из них. Из негативных форм выполняются позитивные формы 78, 80 с объемом крови из жесткого пластика.

Теперь, как показано на фиг.8D, формы 78, 80 из жесткого пластика помещаются внутрь сегментов 68A-68D, которые были ранее отлиты. Сегменты 68A-68D определяют жесткость и качество совпадения. Как показано на фиг.9 и 10 PVA-материал 72 отливается в совпадающей форме. Все множество стержней 46 удаляется. Затем силиконовые сегменты 68A-68D удаляются поодиночке и полости заполняются PVA, чтобы сформировать PVA-сегменты 74A-74D. Вновь добавленные PVA-сегменты 74A-74D сплавляются с ранее добавленными/затвердевшими PVA-сегментами, например, при соответствующих температурных условиях. Типично, процесс соединения выполняется последовательно, т.е. прилегающие PVA-сегменты расплавляются поодиночке. Когда все PVA-сегменты 74A-74D застыли и затвердели, это приводит к почти завершенной PVA-форме 76 сердца.

Таким образом, в примерной методике для изготовления фантома согласно настоящему изобретению, например фантома сердца, используются следующие этапы.

- Создается внешняя сторона формы сердца, как описано выше.

- Создается силиконовая реплика сердца, используя вышеописанную форму.

- Силиконовый сегмент реплики верхушки сердца помещают в нижнюю часть вышеупомянутой негативной внешней силиконовой формы сердца.

- Жесткие импланты/твердые пластиковые формы (например, элементы 78, 80) вставляют в реплику верхушки сердца, которая располагается в нижней части формы сердца.

- PVA (или другой подходящий полимерный материал) заливают вокруг пластиковых форм и обрабатывают/отверждают до жесткого состояния).

- Удаляют из формы и отделяют силиконовую реплику верхушки из твердых пластиковых форм/PVA-комбинации. Возвращают твердую пластическую форму/PVA-комбинации в эту форму и переворачивают "вверх дном".

- Добавляют PVA с помощью открытия в нижней части формы; вновь добавленный PVA соединяют или сплавляют с ранее затвердевшим PVA (при соответствующих температурных условиях), таким образом воспроизводя ранее удаленную верхушку.

Структуру удаляют из формы и твердые пластиковые формы удаляют изнутри PVA.

Фиг.11 показывает фотографию PVA-отливки 76 сердца, удаленной из внешней формы 70, но с твердыми пластиковыми формами 78, 80 в совпадении, тогда как фиг.12A-12B являются фотографиями, которые показывают PVA-отливки 76 сердца с удаленными твердыми пластиковыми формами 78, 80. Удалению твердых пластиковых форм 78, 80 может способствовать/облегчать увлажнение водой.

Как показано на фиг.13 и 14, PVA-отливка 76 сердца типично выполняется с помощью использования устройства 84 крепления, которое включает в себя силиконовый сегмент 68А формы, затвердевший PVA-фланец 86, множество зубчатых соединительных частей 88 трубок и множество трубок 90. Сегмент 68А силиконовой формы переворачивается в перевернутое положение и закрепляется к затвердевшему PVA-фланцу 86 через множество зубчатых соединительных частей 88 трубок между ними. Множество трубок 90 затем вставляются в один край 92 множества зубчатых соединительных частей 88 трубок до тех пор, пока множество трубок не выступит за заранее определенное расстояние от другого края 94 зубчатых соединительных частей 88 трубок. Пул горячего PVA 96 соответствующей глубины заливается на уровень выреза с верхушкой 98 из сегмента 68А силиконовой формы. Горячий PVA 96 немедленно смешивается с нижележащими затвердевшими PVA-фланцами 86. PVA-форма 76 сердца затем повторно вставляется в сегмент 68А силиконовой формы устройства 84 крепления, содержащего горячий PVA 96. Горячий PVA 96 смещается в PVA-отливку 76 сердца, создавая перекрывающееся сплавленное соединение. Когда этот композит охлаждается и нагревается, чтобы затвердел PVA, создается завершенный фантом сердца 100 (см. фиг.15А и 15В).

Таким образом, с поэтапной точки зрения этот второй уровень формирования в целом включает в себя следующие этапы.

- Используется вторая форма внешней стороны сердца, при этом набор соединительных частей позиционируется относительно такой второй формы, будучи обращенным вниз. Эта форма имеет ограниченную высоту (например, приблизительно один дюйм).

- PVA заливается сверху второй формы для создания PVA-пула в пределах структуры, похожей на перегородку. Соединительные части удлиняются выше PVA-пула.

- Форма сердца, созданная в первых последовательностях этапов, поворачивается в перевернутое положение и прижимается вниз к PVA-пулу до тех пор, пока она не совпадет с деталями формы, таким образом определяя полный фантом сердца. Как и прежде, вновь добавленный PVA соединяется или сплавляется с ранее затвердевшим PVA (при соответствующих температурных условиях).

Как далее показано на фиг.16, законченный фантом сердца 100 показан, соединенный с устройством 84 крепления, чтобы обеспечить надежное в эксплуатации механическое управление. Верхушка 102 фантома сердца 100 может быть установлена с соединением 104, которое приводится серводвигателями 106 или другими приводными модулями при управлении внешнего контроллера 108, например персонального компьютера. Соединение 104 допускает сжатие и вращение законченного фантома сердца 100, используя серводвигатели 106. Суррогат крови (не показано) может быть накачан с помощью внешнего средства или с помощью дополнения соответствующих клапанов, накачиваемых с помощью завершенного фантома сердца 100. Программное обеспечение в контроллере 108 в целом используется для управления требуемыми движениями сердца через серводвигатели 106. Это программное обеспечение имеет способность, например, получать ECG-сигналы в синхронизации с серводвигателями 106. Фиг.17 показывает фотографию завершенного фантома сердца 100 в устройстве 84 крепления, которое управляется с помощью двух осевых серводвигателей 110 под управлением программного обеспечения, которое выводит синхронизированную форму колебаний ЭКГ на мониторе 112 портативного компьютера. Фиг.18 является фотографией той же самой компоновки, завершенной с помощью ультразука, X-Ray и устройства Aurora формирования изображений.

На фиг.19 показана примерная калибровка трехмерного пространства, окружающего фантом сердца, обеспеченная с помощью помещения U-образного приспособления 14 в шпоночный паз в устройстве 84 крепления. Приспособление 114 содержит несколько шаров 118 из нержавеющей стали, зафиксированных в случайном положении вокруг приспособления 114. Положение шаров 118 точно определяется в отношении обозначенных маркировок 120 в трех плоскостях приспособления 114. Снова со ссылкой на фиг.18 и 19 трехмерное пространство, охватывающее законченный фантом сердца 100, "рассматривается" X-Ray, ультразвуком и магнитным датчиком Aurora (не показан). Тогда как формирование рентгеновских изображений и ультразвуковое зондирование может удовлетворительно разрешить стальным шарам определять объем, изображение, "рассматриваемое" с помощью магнитного датчика Aurora, ухудшается присутствием стальных шаров, когда датчик помещается на них во время калибровки. Для того чтобы бороться с этим недостатком, дополнительные неглубокие отверстия могут быть просверлены рядом со стальными шарами при точно известных смещениях. Магнитный датчик помещается в эти суррогатные положения, смещения замечаются в программном обеспечении, и захватывается трехмерный объем.

Настоящее изобретение является предметом для многочисленных приложений. Тканеэквивалентный PVA-материал (полинивиниловый спирт), используемый для создания завершенного фантома 100 сердца, может быть "биологически функционализирован" с помощью замещения части или всего PVA матрицей тканевой инженерии с дополнительными ячейками, на которой заливают клетки или химически активные молекулярные метки/пробы. Этот подход допускает даже более тесную аппроксимацию биомеханических свойств живой ткани, в частности, в отношении метаболических процессов, которые являются необходимыми для методик формирования изображения, например PET или SPECT. Кроме того, надежные мишени, например гранулы, рубины, контрастосодержащие PVA-микросферы, капсулы, микропузырьки и т.д., могут быть внедрены либо намеченным, либо случайным образом в пределах фантома ткани, чтобы предоставить дополнительные метки для использования для экспериментов с проверкой достоверности. В другом примерном варианте осуществления методики трехмерной печати могут комбинироваться с формированием фантома таким образом, чтобы позволить использовать объемы визуализации, конкретные для пациента, из которых могут быть извлечены поверхности сегментируемого органа. Эти поверхности могут быть затем поданы непосредственно в трехмерный принтер для создания негативной формы, в которую может быть уложена и сформирована матрица PVA-"ткани". Альтернативно, может разрабатываться новая технология трехмерной печати, которая допускает прямую трехмерную PVA-печать. В этом подходе капли PVA укладываются слоями, подобно современной струйной технологии в дешевых потребительских принтерах.

Настоящее изобретение имеет несколько преимуществ над фантомами предшествующего уровня техники и методиками формирования фантомов. Например, способы, системы и устройство настоящего изобретения предоставляют анатомически точные и функционально точные фантомы органа/ткани, которые могут использоваться в любом эксперименте, предполагаемом для проверки и подтверждения платформ аппаратного и программного обеспечения комплексного формирования изображений. Клинические приложения включают в себя, но не ограничены ими, проверку стратегий для руководства оперативными процедурами (например, щитовидная биопсия, удаление биопсии печени, биопсия/удаление предстательной железы и т.д.), катетеризацией сердца, электрофизиологическими процедурами и хирургией минимального вмешательства. Раскрытые способы, системы и устройства допускают инъекционный раствор корректируемого комплексного тканеэквивалентного контраста для естественного или усовершенствованного формирования изображений с помощью X-ray, ультразвука, MRI (она расширяема для методик формирования изображения ядерной медицины, например PET/SPECT с внедрением радиоактивных датчиков в пределах матрицы "ткани") и других оптических и/или электромагнитных методов формирования изображения (например, радиочастотные, микроволновые и ТГц).

Более того, настоящее изобретение предоставляет корректируемую аппроксимацию физико-химических свойств ткани сердца. Кроме того, настоящее изобретение предоставляет:

- динамическое и программируемое движение сердца, включая, но не ограничиваясь этим, скручивание/вращение и сжатие;

- присоединяемую или встроенную сосудистую систему;

- точные внутренние или внешние анатомические детали, включая толщину стенки,

- вывод ЭКГ (или любой произвольной формы колебаний) для синхронизации с CT, кардиотоническим X-ray или другим медицинским оборудованием;

- соединительные части трубок, включенные в структуру сердца;

- механическое закрепление, соответствующее механической работе; и

- признак интегрированной калибровки, чтобы определить трехмерный объем сердца.

Настоящее изобретение может быть также помещено в конфигурируемую водоналивную емкость с большим ультразвуковым отверстием доступа и динамическим механическим отверстием доступа для проверки воздействий, типичных для процедур электрофизиологии или катетеризации сердца.

Понятно, что варианты осуществления, описанные в данном документе, являются всего лишь примерными и что специалист в данной области техники может осуществить несколько вариантов и модификаций без отклонения от идеи и объема изобретения. Подразумевается, что все подобные изменения и модификации включены в объем изобретения.

1. Способ формирования фантома органа или ткани, включающий этапы, на которых:
(a) помещают орган или ткань в контейнер с расплавленным эластомерным материалом;
(b) вставляют множество стержней через контейнер и орган или ткань;
(c) допускают застывание и отверждение расплавленного эластомерного материала;
(d) удаляют орган или ткань из контейнера;
(e) замещают орган или ткань множеством по отдельности удаляемых эластомерных сегментов;
(f) удаляют первый эластомерный сегмент и замещают полость, созданную по нему, расплавленным поливиниловым спиртом (PVA), чтобы создать PVA-сегмент;
(g) допускают застывание и отверждение расплавленного PVA-сегмента;
(h) повторяют этапы (f) и (g) до тех пор, пока все эластомерные сегменты не будут удалены,
при этом каждый последующий расплавленный PVA-сегмент сцепляется и/или сплавляется с предыдущим затвердевшим PVA-сегментом так, чтобы сформировать фантом органа или тканей.

2. Способ по п.1, при этом орган или ткань включает в себя внутреннюю сосудистую сеть.

3. Способ по п.1, дополнительно включающий этап, на котором вставляют форму фантома органа или ткани в приспособление, выполненное из наиболее нижнего эластомерного сегмента, при этом упомянутый наиболее нижний эластомерный сегмент содержит расплавленный PVA; и допускают застывание или отверждение расплавленного PVA так, чтобы сформировать полный фантом органа или ткани.

4. Способ по п.1, дополнительно включающий этапы, на которых:
(i) удаляют эластомерные формы, сформированные во внутренней сосудистой системе после этапа (d).

5. Способ по п.4, дополнительно включающий этапы, на которых:
(j) формируют негативные формы из упомянутых эластомерных форм; и
(k) формируют положительные затвердевшие пластиковые формы из негативных форм.

6. Способ по п.5, дополнительно включающий этапы, на которых:
(l) повторно вставляют затвердевшие пластиковые формы в контейнер; и
(m) повторно вставляют множество стержней через упомянутый контейнер и затвердевшие пластиковые формы перед этапом (е).

7. Способ по п.5, в котором этап (е) дополнительно включает в себя этапы, на которых:
(n) заполняют полость, созданную вставленными стержнями, расплавленным эластомерным материалом, так чтобы покрыть по меньшей мере самый нижний стержень;
(о) допускают застывание и отверждение расплавленного эластомерного материала; и
(р) повторяют этапы (n)-(о) до тех пор, пока все из вставленных стержней не будут покрыты, так чтобы сформировать множество эластомерных сегментов, при этом каждый эластомерный сегмент не сцепляется со смежным эластомерным сегментом.

8. Способ по п.1, в котором фантом органа или ткани является фантомом сердца.

9. Способ по п.1, в котором эластомерный материал является силиконовым каучуком.

10. Способ по п.1, в котором множество стержней включают в себя выпуклости.

11. Способ по п.10, в котором выпуклости являются, по существу, сферическими.

12. Способ по п.10, в котором выпуклости пересекают эластомерный материал по меньшей мере с двух сторон контейнера и находятся между эластомерными формами.

13. Способ по п.10, в котором выпуклости пересекают эластомерный материал по меньшей мере с двух сторон контейнера и находятся между затвердевшими пластиковыми формами.

14. Способ по п.1, в котором добавляют PVA.

15. Способ по п.1, в котором PVA добавляют с йодом или графитом.

16. Фантом органа или ткани, который имеет в нем сосудистую сеть, при этом фантом органа или ткани выполнен из поливинилового спирта (PVA) и сформирован посредством:
(а) заполнения контейнера, содержащего орган или ткань, расплавленным эластомерным материалом;
b) вставки множества стержней через контейнер и орган или ткань;
(c) обеспечения застывания и отверждения расплавленного эластомерного материала;
(d) удаления органа или ткани из контейнера;
(e) замещения органа или ткани множеством по отдельности удаляемых эластомерных сегментов;
(f) удаления эластомерного сегмента и замещения полости, созданной по нему расплавленным PVA, чтобы создать PVA-сегмент;
(g) обеспечения застывания и отверждения расплавленного PVA-сегмента; и
(h) повторения этапов (f) и (g) до тех пор, пока все эластомерные сегменты не будут удалены,
при этом каждый последующий расплавленный PVA-сегмент сцепляется и/или сплавляется с предыдущим затвердевшим PVA-сегментом так, чтобы сформировать фантом органа или тканей.

17. Фантом органа или ткани по п.16, в котором фантом органа является фантомом сердца.

18. Фантом органа или ткани по п.16, в котором эластомерный материал является силиконовым каучуком.

19. Фантом органа или ткани по п.16, в котором добавляется PVA.

20. Фантом органа или ткани по п.16, в котором PVA добавляется с йодом или графитом.

21. Способ изготовления фантома сердца, включающий этапы, на которых:
(i) предоставляют форму внешней стороны сердца;
(ii) формируют силиконовую реплику сердца, используя форму;
(iii) помещают силиконовый сегмент реплики верхушки сердца в нижнюю часть силиконовой формы сердца;
(iv) вставляют жесткие импланты/твердые пластиковые формы в реплику верхушки сердца;
(v) внедряют полимерный материал вокруг пластиковых форм и обрабатывают или отверждают полимерный материал до твердого состояния;
(vi) удаляют эту компоновку из формы и отделяют силиконовую реплику верхушки;
(vii) возвращают комбинацию твердых пластиковых форм и полимерных материалов в форму и переворачивают форму "вверх дном";
(viii) добавляют дополнительный полимерный материал с помощью отверстия в нижней части формы;
при этом дополнительный полимерный материал соединяется или сплавляется с ранее затвердевшим полимерным материалом при соответствующих температурных условиях, таким образом воспроизводя ранее удаленную верхушку.

22. Способ по п.21, в котором полимерный материал является PVA.

23. Способ по п.21, дополнительно содержащий этап, на котором удаляют структуру из формы и удаляют твердые пластиковые формы изнутри застывшего/отвержденного полимерного материала.

24. Способ по п.21, дополнительно содержащий этапы, на которых:
(i) используют вторую форму внешней стороны сердца, позиционируя набор соединительных частей относительно второй формы, обращенных вниз, при этом вторая форма имеет ограниченную высоту;
(ii) введение полимерного материала сверху второй формы для создания полимерного пула в пределах структуры, подобной перегородке, так, что соединительные части проходят над указанным полимерным пулом;
(iii) позиционируют форму сердца, изготовленную по п.21, в перевернутом положении, и прижимают такую форму сердца вниз к полимерному пулу до тех пор, пока она не совпадет с деталями формы так, что полимерный материал соединяется или сплавляется с ранее затвердевшим полимерным материалом при соответствующих температурных условиях, таким образом образуя полный фантом сердца.

25. Способ по п.24, в котором вторая форма имеет приблизительно один дюйм в высоту.

26. Способ по п.24, в котором полимерный материал представляет собой PVA.