Фантомы и тест-объекты

Фантомы и тест-объекты в медицинской физике

Фантомы и тест-объекты являются незаменимыми средствами в медицинской физике для моделирования взаимодействия ионизирующего и неионизирующего излучения с тканями человека, оценки качества изображений, калибровки, верификации дозиметрических параметров, а также обучения и тренировки медицинского персонала. Важной характеристикой всех фантомов является их способность имитировать физико-химические и радиационные свойства биологических тканей.

Классификация фантомов

1. По назначению:

Дозиметрические фантомы — предназначены для измерения распределения поглощённой дозы.
Фантомы качества изображения — используются для оценки пространственного, контрастного и временного разрешения в диагностических системах.
Фантомы для тренировки и моделирования процедур — применяются для имитации клинических сценариев, например, при обучении брахитерапии или биопсии.
Калибровочные фантомы — служат для настройки оборудования и калибровки измерительных приборов.

2. По анатомическому соответствию:

Антропоморфные — воспроизводят форму и структуру человеческого тела (головы, торса, конечностей).
Геометрически упрощённые (водоэквивалентные) — представлены стандартными геометриями (цилиндры, блоки) и используются для расчётов, моделирования и дозиметрии.
Органо-специфические — имитируют отдельные органы или анатомические области (печень, лёгкие, молочная железа).

3. По используемым материалам:

Водоэквивалентные материалы — полиэтилен, эпоксидные смолы, полистирол.
Тканеэквивалентные композиты — с включением графита, гидроксиапатита, алюминия и т.п. для имитации различных тканей (костной, мышечной, жировой).
Биоимитаторы на водной основе — применяются в ядерной медицине и УЗИ.

Фантомы для различных модальностей визуализации

Рентгеновская визуализация

Фантомы, применяемые в рентгенографии, флюороскопии и маммографии, должны имитировать контрастные характеристики тканей при взаимодействии с фотонным излучением в диапазоне 20–150 кэВ. Наиболее широко используются фантомы типа ACR (American College of Radiology) для маммографии, содержащие тестовые структуры, имитирующие микрокальцинаты, фиброзные ткани и массы.

Особое внимание уделяется моделированию краевых структур, неоднородностей плотности и имитации мягкотканевого контраста. Пространственное разрешение определяется по способности системы воспроизводить линейные структуры, а низкоконтрастное разрешение — по видимости объектов с минимальной разницей в плотности.

Компьютерная томография (КТ)

Фантомы для КТ включают водоэквивалентные материалы с известными коэффициентами ослабления. Пример — фантом Catphan®, содержащий множество модулей: для оценки пространственного разрешения, однородности, артефактов, шума, геометрической точности, измерения CT-чисел (Hounsfield Units) и дозовых параметров (CTDI).

Используются также фантомы для измерения контрастно-шумового отношения (CNR) и детектирования низкоконтрастных образований.

Магнитно-резонансная томография (МРТ)

Фантомы МРТ должны обладать диэлектрическими и магнитными свойствами, близкими к тканям организма. Они часто содержат водные растворы, гели или эмульсии, в которые вводятся парамагнитные вещества (например, MnCl₂, CuSO₄) для задания требуемых значений T₁ и T₂.

Обычно применяются фантомы с множеством ячеек, содержащих жидкости с различными релаксационными временами. Используются также фантомы с геометрическими тестовыми структурами для оценки однородности магнитного поля, искажения изображения, сигнала и шума, а также геометрических масштабов.

Позитронно-эмиссионная и однофотонная эмиссионная томография (ПЭТ/ОФЭКТ)

Для ПЭТ и ОФЭКТ критично моделировать не только геометрию, но и радиоактивное распределение. Примеры фантомов: Jaszczak-фантом (гомогенная сфера с включёнными колбами разного диаметра, заполняемыми радиофармпрепаратами) и NEMA IEC Body Phantom (имитирует поглощение в туловище с включениями разного радиуса и активности).

Эти фантомы позволяют оценить пространственное разрешение, контраст, артефакты, калибровку активности и эффективность реконструкции.

Дозиметрические фантомы

Стандартные фантомы

Международно признанными являются фантомы ICRU и IAEA (например, фантом ICRU 44), представляющие собой водоэквивалентные блоки. Они используются для измерения глубинного распределения дозы, определения калибровочных факторов и верификации доз в телетерапии и брахитерапии.

Антропоморфные фантомы

Фантомы типа Alderson RANDO представляют собой многослойную структуру, состоящую из эпоксидной смолы с включениями, имитирующими лёгкие, кости и мягкие ткани. Они разрезаны на срезы толщиной 2,5 см и позволяют устанавливать детекторы в позициях, соответствующих органам. Используются в верификации планов лечения в лучевой терапии, при сопоставлении измеренной и рассчитанной дозы.

Тест-объекты для оценки качества изображения

Тест-объекты, в отличие от фантомов, не моделируют биологическую ткань, а служат для количественной оценки параметров изображений:

Решётки пространственного разрешения — содержат полосы с известной частотой (линий на мм).
Объекты с низким контрастом — цилиндры или сферы, ослабляющие сигнал на доли процента.
Геометрические шаблоны — окружности, прямоугольники, сетки для оценки искажений и масштабов.
Шаблоны однородности — позволяют выявить неоднородности изображения или шум.
Модули движения — применяются в динамической визуализации (например, сымитировать сердечный цикл в КТ/МРТ/УЗИ).

Использование фантомов в контроле качества и калибровке

Систематическое использование фантомов в рамках программ контроля качества (QA/QC) обеспечивает достоверность, безопасность и эффективность медицинской визуализации и терапии. Методики включают:

Ежедневные тесты: простейшие тест-объекты для оценки работоспособности оборудования.
Еженедельные и ежемесячные тесты: фантомы с высоким уровнем детализации для оценки стабильности параметров.
Годовые проверки: полные протоколы тестирования с использованием стандартизированных фантомов, сертифицированных аккредитующими организациями.

Особенности разработки и стандартизации

Разработка фантомов требует точного моделирования взаимодействия физических полей с тканями, устойчивости материалов к излучению, химической стабильности и совместимости с детекторами. Наиболее значимые стандарты выпускаются организациями:

AAPM (Американская ассоциация медицинских физиков)
IEC (Международная электротехническая комиссия)
IAEA (Международное агентство по атомной энергии)
NEMA (Национальная ассоциация производителей электрооборудования, США)

Соответствие фантомов этим стандартам обязательно при аккредитации медицинских учреждений и сертификации оборудования.

Перспективные разработки

Современные технологии способствуют созданию новых типов фантомов:

3D-печать фантомов с высокой анатомической точностью.
Биомиметические гели и композиты с реалистичными радиофизическими свойствами.
Динамические фантомы, способные имитировать движение дыхания, перистальтики, кровотока.
Многофункциональные фантомы для одновременного тестирования в разных модальностях (гибридные ПЭТ/КТ, МРТ/УЗИ и т.п.).

Фантомы и тест-объекты продолжают играть ключевую роль в обеспечении безопасности, точности и повторяемости всех процессов, связанных с медицинской визуализацией и терапией, оставаясь связующим звеном между физической моделью и клинической реальностью.