I fantasmi sono modelli numerici e fisici che rappresentano le caratteristiche di una specifica anatomia umana. Un fantasma fisico può essere utilizzato per testare vari strumenti di imaging diagnostico medicale e applicazioni di comunicazione wireless. Sossena Wood, una dottoranda in bioingegneria all’Università di Pittsburgh, ha sviluppato una testa fantasma realistica stampata in 3D per la ricerca sulla risonanza magnetica presso la Swanson School of Engineering.
Mentre la modellistica numerica elettromagnetica è stata la risorsa comune per comprendere e analizzare l’interazione tra campi elettromagnetici e tessuti biologici, negli ultimi anni i fantasmi sperimentali stanno diventando sempre più una risorsa utile.
“Nel RF Research Facility, utilizziamo un rilevatore di risonanza magnetica 7 Tesla di tutto il corpo (7T MRI), che è uno dei più forti dispositivi clinici per la risonanza magnetica umana nel mondo”, ha dichiarato Tamer Ibrahim, professore associato e direttore dell’Università di Facility Research di radiofrequenza (RF) di Pittsburgh. La tecnologia di campo ultraelevato 7T è uno strumento potente, ma sfortunatamente ci sono alcune battute d’arresto con questo tipo di imaging.
“Mentre ti sposti dai campi inferiori a quelli più alti, le immagini prodotte diventano meno uniformi e il riscaldamento localizzato diventa più prevalente”, spiega Ibrahim. Ha immaginato di progettare una testa fantasma stampata in 3D da utilizzare con la tecnologia di campo ultraelevata progettata in modo univoco nel suo laboratorio.
“Volevamo sviluppare una testa fantasma antropomorfa per aiutarci a comprendere meglio questi problemi fornendo un modo più sicuro per testare l’imaging.Utilizziamo il dispositivo per analizzare, valutare e calibrare i sistemi e la strumentazione MRI prima di testare nuovi protocolli su soggetti umani. ”
I ricercatori stanno attualmente utilizzando simulazioni numeriche per studiare l’effetto dei campi elettromagnetici (EM) sui tessuti biologici a varie frequenze. Wood ha dichiarato: “La modellazione numerica EM è stata uno standard nell’analisi di queste interazioni e abbiamo voluto creare un fantasma che assomigliasse alla forma umana per validare la modellazione EM, fornendo in tal modo un ambiente più realistico per i test”.
Un fantasma della testa fisico e realistico inizia come un file di progettazione 3D digitale di una testa umana. Il legno è iniziato con un set di dati MRI 3T di un maschio sano, che ha caratterizzato per segmentazione e ha rotto in otto compartimenti tissutali, una caratteristica che differenzia il suo modello da altre teste fantasma di base. I compartimenti fantasma della testa consistono di otto tessuti classificati raggruppati: cervello, tronco cerebrale, occhi, cavità aeree, cervelletto, liquido cerebrospinale (CSF), muscolo e il resto del volume essendo una combinazione di grasso, ossa e pelle. Secondo Wood, questi scomparti aiutano a migliorare l’accuratezza dell’immagine agendo come una sorta di “speed bump” per il campo.
Un flusso di lavoro generale per progettare e fabbricare un fantoccio testa eterogeneo antropomorfo utilizzando la stampa 3D.
Utilizzando il software CAD 3D Geomagic Studios, ogni compartimento è stato progettato per riservare la miscela del tessuto desiderato nel tempo. Il passo successivo è stato stampare il prototipo. Il modello fantasma è stato stampato in cinque parti separate per rimuovere manualmente i supporti strutturali interni che vengono fuori con la stampa 3D. “Abbiamo utilizzato una plastica sviluppata da DSM Somos® per il nostro materiale di stampa perché ci ha permesso di creare parti durature e dettagliate con una conduttività simile al corpo umano”, ha affermato Wood. “Per aiutare il modello a imitare ulteriormente un ambiente reale, abbiamo creato delle porte di riempimento sul prototipo in cui possiamo depositare fluidi che assomigliano a vari tipi di tessuto”.
Ora che Wood ha una testa fantasma antropomorfa completamente stampata in 3D, è in grado di assemblarla e iniziare i test. Il fantasma ha molte applicazioni tra cui test per verificare se alcuni impianti sono in grado di entrare in una risonanza magnetica o rilevare l’aumento della temperatura in diversi tessuti basati su vari strumenti RF.
“Con l’imaging RM, la potenza dell’esposizione RF viene trasformata in calore nel tessuto del paziente, che può avere effetti dannosi sulla salute del paziente, specialmente con gli impianti se non monitorati dallo scanner”, ha spiegato Wood. “Con la nostra testa fantasma, possiamo testare la sicurezza della nostra immagine mettendo le sonde all’interno di certe regioni della testa e misurandone gli effetti”, ha detto Ibrahim.
Ibrahim e Wood sperano che questo modello possa essere sviluppato commercialmente e fornire ad altri la possibilità di perseguire la ricerca senza fare affidamento sui test umani.
