Fantomer är inte bara spöklika figurer i vår fantasi, de är också numeriska eller fysiska modeller som representerar mänskliga egenskaper och ger ett billigt sätt att testa elektromagnetiska applikationer. Sossena Wood, en bioteknik Ph.D. kandidat vid University of Pittsburgh, har utvecklat ett realistiskt fantomhuvud för magnetisk resonansforskning vid Swanson School of Engineering.

Wood började sin anställning på Pitt som student vid institutionen för elektro- och datateknik där hon träffade Tamer Ibrahim, en docent i bioteknik. Hon började forska i hans labb, forskningsanläggningen för radiofrekvens (RF), under sitt sista år och avslutar nu sin avhandling med liknande forskning som doktorand vid institutionen för bioteknik.

Ibrahim föreställde sig att designa ett 3-D-tryckt fantomhuvud att använda med den unikt designade ultrahögfältsteknologin i hans labb. "I RF-forskningsanläggningen, vi använder en helkropps 7 Tesla magnetisk resonanskamera (7T MRI), som är en av de starkaste kliniska mänskliga MRI-apparaterna i världen, " sa Ibrahim. 7T ultrahögfältsteknik är ett kraftfullt verktyg, men tyvärr, det finns några motgångar som kommer med denna typ av bildbehandling.

"När du går från lägre till högre fält, bilderna som produceras blir mindre enhetliga och lokal uppvärmning blir mer utbredd, " förklarade Ibrahim. "Vi ville utveckla ett antropomorft fantomhuvud för att hjälpa oss att bättre förstå dessa problem genom att tillhandahålla ett säkrare sätt att testa avbildningen. Vi använder enheten för att analysera, utvärdera, och kalibrera MRI-systemen och instrumenteringen innan du testar nya protokoll på människor."

Forskare använder för närvarande numeriska simuleringar för att studera effekten av elektromagnetiska (EM) fält på biologiska vävnader vid olika frekvenser. Wood sa, "EM numerisk modellering har varit en standard när man analyserar dessa interaktioner, och vi ville skapa en fantom som liknade den mänskliga formen för användning vid validering av EM-modelleringen, vilket ger en mer realistisk miljö för testning."

Innan Wood kunde skriva ut 3D-strukturen, hon var tvungen att göra beräkningsarbete för att bygga den digitala ritningen för modellen. Hon började med en 3T MRI-datauppsättning av en frisk man, som hon karakteriserade av segmentering och bröt upp i åtta vävnadsfack, en funktion som skiljer hennes modell från andra grundläggande fantomhuvuden. Enligt Wood, dessa fack hjälper till att förbättra bildnoggrannheten genom att fungera som ett slags "farthinder" för fältet.

Efter beräkningsförberedelserna, Wood använde en MR-skanner för att producera en 3D-digital bild av en frisk mans huvud och körde hennes modell genom datorstödd design, vilket är programvara som används för att skapa, ändra, analysera, och optimera en design.

Nästa steg var att skriva ut prototypen, som tog tre terminer att genomföra. "Vi använde en plast som utvecklats av DSM Somos för vårt tryckmaterial eftersom det gjorde det möjligt för oss att skapa hållbara och detaljerade delar med en liknande ledningsförmåga som människokroppen, " sa Wood. "För att hjälpa modellen att ytterligare efterlikna en verklig miljö, vi skapade påfyllningsportar på prototypen där vi kan deponera vätskor som liknar olika vävnadstyper."

Nu när Wood har ett helt tryckt antropomorft fantomhuvud, hon kan sätta ihop den och börja testa. Fantomen har många applikationer inklusive testning för att se om vissa implantat kan gå in i en MRI eller detektera temperaturökning i olika vävnader baserat på olika RF-instrument.

"Med MR-avbildning, kraften från RF-exponeringen omvandlas till värme i patientens vävnad, som kan ha skadliga effekter på patientens hälsa, speciellt med implantat om de inte övervakas av skannern", förklarade Wood. "Med vårt fantomhuvud, vi kan testa säkerheten för vår bildbehandling genom att placera sonder inuti vissa delar av huvudet och mäta effekterna, sa Ibrahim.

Ibrahim och Wood hoppas att denna modell så småningom kommer att utvecklas kommersiellt och ge andra möjligheten att bedriva forskning utan att förlita sig på mänskliga tester.