Dual-Filament 3D Printing of Patient-Specific CT Phantoms with Embedded Implants and Tunable Metal-Artifact Intensity

Stel je voor dat je een detective bent die een mysterie probeert op te lossen, maar elke keer als je door je vergrootglas naar de belangrijkste aanwijzing kijkt, veegt het glas zelf het beeld weg met een enorme, verwarrende veeg van zwarte inkt. In de wereld van medische beeldvorming is deze "vergrootglas" een CT-scanner, en de "inkt" is een metalen implantaat zoals een schroef of een heupprothese. Wanneer röntgenstralen op metaal raken, raken ze in de war, wat strepen en donkere schaduwen creëert die de delicate weefsels eromheen verbergen. Dit maakt het voor artsen ontzettend moeilijk om te zien of een operatie goed is verlopen of dat een patiënt aan het herstellen is. Om dit op te lossen, hebben ingenieurs slimme computerprogramma's uitgevonden die "Metal Artifact Reduction" (MAR) algoritmes worden genoemd. Deze programma's proberen de inktvegen digitaal weg te vegen. Maar wat is het probleem, hoe test je of deze programma's echt werken? Je kunt een patiënt niet vragen om zijn titanium schroef in te ruilen voor een plastic exemplaar om het verschil te zien, en je kunt ook geen simpel plastic blok gebruiken, omdat dat er niet uitziet als een echt menselijk lichaam. Wetenschappers hebben een perfecte "testpop" nodig die exact lijkt op een patiënt, een metalen schroef in zich heeft, en magisch kan veranderen hoeveel "inkt" deze produceert, zodat ze hun schoonmaaksoftware eerlijk kunnen testen.

Hier kwamen een team onderzoekers van de University of Pennsylvania met een slimme nieuwe truc. Ze hebben een speciale manier ontwikkeld om deze perfecte testpoppen te 3D-printen met een methode die ze "PixelPrint" noemen. Denk aan PixelPrint als een high-tech bakker die niet alleen een taart bakt; ze kunnen een taart bakken waarbij elke kruim een andere smaak heeft, en ze kunnen zelfs een chocoladechip in een aardbeienkruim verstoppen zonder dat de smaken mengen. Normaal gesproken zijn 3D-printers voor medische scans als single-flavor bakkers: ze kunnen wel een bot of een spier printen, maar ze kunnen niet een bot én een metalen schroef in hetzelfde object printen terwijl ze de textuur van het echte lichaam behouden. Dit team heeft hun printer echter geüpgraded door twee verschillende "filamenten" (de plastic draden die de printer gebruikt) tegelijkertijd te gebruiken. Eén filament is een speciale kunststof gemengd met calcium om eruit te zien als zacht weefsel en bot, en de andere is een kunststof gemengd met metaalstof om eruit te zien als een schroef.

De belangrijkste ontdekking van de onderzoekers is dat ze precies kunnen controleren hoe "metaalachtig" de schroef eruitziet door te variëren in hoeveelheid metaal-kunststof ze in het schroefgebied stoppen. Ze printen drie identieke kopieën van een nek van een patiënt (specifiek de cervicale wervelkolom van de wervels C4 tot C6) met daarin zes spinale schroeven ingebed. De eerste kopie bevatte helemaal geen metaal-kunststof (0% infill), wat diende als een perfecte, heldere "ground truth" referentie. De tweede had een gemiddelde hoeveelheid metaal-kunststof (50% infill), en de derde was bijna volledig gevuld met metaal-kunststof (85% infill). Toen ze deze met een CT-machine scanden, waren de resultaten precies wat ze hoopten: de 0%-versie zag eruit als een schone nek, de 50%-versie vertoonde milde strepen, en de 85%-versie vertoonde zware, dramatische strepen, net zoals echte metalen implantaten dat doen. Cruciaal was dat de rest van de nek — de spieren, de luchtweg en de bottextuur — in alle drie de gevallen exact hetzelfde eruitzag, wat bewees dat de "inkt" alleen afkomstig was van de aanpasbare metalen onderdelen.

Het team testte ook hoe verschillende soorten röntgenenergie de strepen beïnvloedden. Ze scanden de fantoommodellen op verschillende energieniveaus, variërend van 50 keV tot 190 keV. Ze ontdekten dat bij lagere energieën (zoals 50 keV) de strepen enorm waren en de schroeven eruit zagen alsof ze uitbloeiden tot gigantische, vage bollen. Maar toen ze de energie verhoogden naar 130 of 190 keV, vervaagden de strepen en werden de schroeven weer scherp en duidelijk. Dit bevestigde dat hun nieuwe printmethode betrouwbaar de echte wereldproblemen van metaalartefacten en hun reactie op verschillende scanningsinstellingen kan nabootsen.

De paper merkt echter voorzichtig een paar beperkingen op. Hoewel de kunststof gemengd met calcium een goede imitatie vormde van zacht weefsel en sponsachtig bot, kon het de extreem hoge dichtheid van de hardste, buitenste laag van echt bot (corticaal bot) niet helemaal evenaren. In de scan van de echte patiënt was dat harde bot meer dan 1000 Hounsfield Units (HU), terwijl de geprinte versie rond de 620 HU piekte. Dus hoewel de print uitstekend was voor de meeste zaken, was het niet helemaal "hard genoeg" om de dichtste delen van een echt skelet perfect te kopiëren. Daarnaast is het metaal dat ze in de kunststof gebruikten (roestvrij staal) niet exact hetzelfde als het titanium of kobalt-chroom dat in echte operaties wordt gebruikt, hoewel het zeer vergelijkbare strepen creëert.

De onderzoekers maten de "rommeligheid" van de strepen met behulp van een specifiek wiskundig instrument genaamd de Gumbel p-index. Ze vonden dat naarmate ze het metaalgehalte verhoogden van 0% naar 50% naar 85%, de "rommeligheidsscore" op een perfect voorspelbare, rechte lijn omhoog ging. De score sprong van 46,7 HU voor de schone versie naar 57,1 HU voor de medium versie, en tenslotte naar 90,5 HU voor de zware versie. Dit bewijst dat hun methode wetenschappers in staat stelt om de intensiteit van het artefact op of naar beneden te draaien als een volumeknop, zonder de onderliggende anatomie te veranderen.

Kortom, deze paper suggereert dat deze nieuwe dual-filament 3D-printmethode een krachtige, reproduceerbare manier is om testdummy's te bouwen voor het controleren van hoe goed computerprogramma's metaalartefacten in CT-scans kunnen opschonen. Het is nog geen magische oplossing die het probleem bij patiënten oplost, maar het biedt een betrouwbare, aanpasbare "trainingsgrond" waar ingenieurs hun software kunnen testen tegen een bekende, perfecte referentie. De auteurs geloven dat deze aanpak uiteindelijk kan worden gebruikt om scanners voor knieën, heupen en tandimplantaten te testen, wat helpt om medische beeldvorming duidelijker en veiliger te maken voor iedereen.