Ю.А. Васильев1, М.Р. Коденко2, О.В. Омелянская3, А.С. Борде4, Д.И. Абызова5, А.В. Гусева6, А.В. Самородов7, Л.Ю. Анопченко8, Р.В. Решетников9

1–4, 6, 8, 9 Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы «Научно- практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения города Москвы» (Москва, Россия)
2, 5–7 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)
1 VasilevYA1@zdrav.mos.ru, 2 m.r.kodenko@yandex.ru, 3 OmelyanskayaOV@zdrav.mos.ru,
4 borde@bmstu.ru, 5 theoriginaldoctor1963@gmail.com, 6 GusevaAV13@zdrav.nos.ru,
7 avs@bmstu.ru, 8 Leonid.anopchenko@gmail.com, 9 ReshetnikovRV1@zdrav.mos.ru

Постановка проблемы. Использование тест-объектов позволяет существенно расширить круг задач в сфере совершенствования методов и инструментов КТ-ангиографии. При традиционном разделении хирургических и диагностических задач особое место занимают тест-объекты для симуляции сосудистых операций под контролем рентгена. В этом случае одинаково важны корректная визуализация тест-объекта и биологическое подобие физических характеристик материала, из которого он изготовлен. Систематизация публикаций данной направленности, несмотря на свою актуальность, в настоящее время слабо освящена в литературе.

Цель. Систематизировать данные о различных видах тканеимитирующих материалов, используемых для изготовления тест-объектов артериальных сосудов.

Результаты. Проведен отбор и анализ 30 релевантных публикаций из порядка 600 работ в предметной области. Систематизированы данные о назначении, видах имитируемых сосудов и биомеханическом подобии тканеимитирующих материалов тест-объектов. Одновременное воспроизведение рентгеновских и биомеханических характеристик артериальных сосудов возможно при использовании агар-глицероловых смесей, дополненных гереметизирующей полиуретановой мембраной; комбинации FullCure 930 и TangoPlus для ослабленной артериальной стенки, PVA-C при работе тест-объекта в области малых нагрузок, а также комбинацию армирующих нитей из TPU 95A пластика в силиконовом матриксе DragonSkin 30.

Практическая значимость. Результаты используются для работ в сфере материаловедения, а также физического моделирования артериальных сосудов.

1. Filippou V., Tsoumpas C. Recent advances on the development of phantoms using 3D printing for imaging with CT, MRI, PET, SPECT, and ultrasound // Medical physics. 2018. Т. 45. № 9. С. e740–e760.
2. McGarry C.K. et al. Tissue mimicking materials for imaging and therapy phantoms: a review // Physics in Medicine & Biology. 2020. Т. 65. № 23. С. 23TR01.
3. Gelmini A.Y.P. et al. Virtual reality in interventional radiology education: a systematic review // Radiologia Brasileira. 2021. Т. 54. № 4. С. 254–260.
4. Means K. et al. A Review of Virtual Reality in Radiology // Current Problems in Diagnostic Radiology. 2023.
5. Elsayed M. et al. Virtual and augmented reality: potential applications in radiology // Acta Radiologica. 2020. Т. 61. № 9. С. 1258–1265.
6. Zhou G. et al. Application of three-dimensional printing in interventional medicine // Journal of Interventional Medicine. 2020. Т. 3. № 1. С. 1–16.
7. Mitsouras D. et al. Medical 3D printing for the radiologist // Radiographics. 2015. Т. 35. № 7. С. 1965–1988.
8. Bastawrous S. et al. Principles of three-dimensional printing and clinical applications within the abdomen and pelvis // Abdominal Radiology. 2018. Т. 43. С. 2809–2822.
9. Giannopoulos A. A. et al. Cardiothoracic applications of 3-dimensional printing // Journal of thoracic imaging. 2016. Т. 31. № 5. С. 253–272.
10. Marro A., Bandukwala T., Mak W. Three-dimensional printing and medical imaging: a review of the methods and applications // Current problems in diagnostic radiology. 2016. Т. 45. № 1. С. 2–9.
11. Bibb R., Winder J. A review of the issues surrounding three-dimensional computed tomography for medical modelling using rapid prototyping techniques // Radiography. 2010. Т. 16. № 1. С. 78–83.
12. Giannopoulos A. A. et al. Applications of 3D printing in cardiovascular diseases // Nature Reviews Cardiology. 2016. Т. 13. № 12. С. 701–718.
13. Патент № 2797398 C1 Российская Федерация, МПК G09B 23/28. способ изготовления фантома для ультразвуковых исследований: № 2022130330: заявл. 22.11.2022: опубл. 05.06.2023 / Д.В. Леонов, Н.С. Кульберг, А.А. Насибуллина [и др.]; заявитель Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы «Научно-практический клинический центр диагностики и телемедицинских технологий Департамента здравоохранения города Москвы».
14. Rickey D.W. et al. A wall-less vessel phantom for Doppler ultrasound studies // Ultrasound in medicine & biology. 1995. Т. 21. № 9. С. 1163–1176.
15. Zhao Z. et al. Engineering functional and anthropomorphic models for surgical training in interventional radiology: A state-of-the-art review // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 2023. Т. 237. № 1. С. 3–17.
16. Lorbeer R. et al. Reference values of vessel diameters, stenosis prevalence, and arterial variations of the lower limb arteries in a male population sample using contrast-enhanced MR angiography // PloS one. 2018. Т. 13. № 6. С. e0197559.
17. Engelke K. et al. Quantitative analysis of skeletal muscle by computed tomography imaging – State of the art // Journal of orthopaedic translation. 2018. Т. 15. С. 91–103.
18. Йодсодержащие контрастные препараты [Электронный ресурс]: Материал из Википедии – свободной энциклопедии: Версия 122065343, сохранённая в 13:15 UTC 4 мая 2022 / Авторы Википедии // Википедия, свободная энциклопедия. Электрон. дан. Сан-Франциско: Фонд Викимедиа, 2022.  Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/?curid=1547839&oldid=122065343
19. Meess K.M. et al. 3D printed abdominal aortic aneurysm phantom for image guided surgical planning with a patient specific fenestrated endovascular graft system // Medical imaging 2017: imaging informatics for healthcare, research, and applications. SPIE. 2017. Т. 10138. С. 159–172.
20. Ionita C.N. et al. Angiographic imaging evaluation of patient-specific bifurcation-aneurysm phantom treatment with pre-shaped, self-expanding, flow-diverting stents: feasibility study // Medical Imaging 2011: Biomedical Applications in Molecular, Structural, and Functional Imaging. – SPIE. 2011. Т. 7965. С. 384–392.
21. Torres I.O., De Luccia N. A simulator for training in endovascular aneurysm repair: the use of three dimensional printers // European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 2017. Т. 54. № 2. С. 247–253.
22. Kärkkäinen J.M. et al. Simulation of endovascular aortic repair using 3D printed abdominal aortic aneurysm model and fluid pump // CardioVascular and Interventional Radiology. 2019. Т. 42. С. 1627–1634.
23. Cloutier G. et al. A multimodality vascular imaging phantom with fiducial markers visible in DSA, CTA, MRA, and ultrasound // Medical Physics. 2004. Т. 31. № 6. С. 1424–1433.
24. Little C.D. et al. A patient-specific multi-modality abdominal aortic aneurysm imaging phantom // International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 2022. Т. 17. № 9. С. 1611–1617.
25. King D. M. et al. Comparative imaging study in ultrasound, MRI, CT, and DSA using a multimodality renal artery phantom // Medical physics. 2011. Т. 38. № 2. С. 565–573.
26. Ene F. et al. In vitro evaluation of the effects of intraluminal thrombus on abdominal aortic aneurysm wall dynamics // Medical engineering & physics. 2011. Т. 33. № 8. С. 957–966.
27. Perrira N. et al. Experimental Investigation of Blood Mimicking Fluid Viscosity for Application in 3D-Printed Medical Simulator // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2022. Т. 2222. № 1. С. 012016.
28. Швальб П.Г., Ухов Ю.И. Патология венозного возврата из нижних конечностей. 2009.
29. Maximilian G. et al. Development and evaluation of 3d-printed cardiovascular phantoms for interventional planning and training. 2021.
30. Parthasarathy J. et al. Assessment of transfer of morphological characteristics of Anomalous Aortic Origin of a Coronary Artery from imaging to patient specific 3D Printed models: A feasibility study // Computer Methods and Programs in Biomedicine. 2021. Т. 201. С. 105947.
31. He Z. et al. Anthropomorphic and biomechanical mockup for abdominal aortic aneurysm // Medical Engineering & Physics. 2020. Т. 77. С. 60–68.
32. Kodenko M.R., Guseva A.V. Hydraulic circuit for pulse flow simulation in the tissue-mimicking aortic phantom // Digital Diagnostics. 2023. Т. 4. № 1S. С. 35–36.
33. Stepniak K. et al. Novel 3D printing technology for CT phantom coronary arteries with high geometrical accuracy for biomedical imaging applications // Bioprinting. 2020. Т. 18. С. e00074.
34. Kaschwich M. et al. Feasibility of an endovascular training and research environment with exchangeable patient specific 3D printed vascular anatomy: Simulator with exchangeable patient-specific 3D-printed vascular anatomy for endovascular training and research // Annals of Anatomy-Anatomischer Anzeiger. 2020. Т. 231. С. 151519.
35. Lalka S.G. et al. Phantom for calibration of preoperative imaging modalities in endoluminal stent-graft repair of aortic aneurysms // Journal of vascular and interventional radiology. 1998. Т. 9. № 5. С. 799–807.
36. Allard L. et al. A multimodality vascular imaging phantom of an abdominal aortic aneurysm with a visible thrombus // Medical Physics. 2013. Т. 40. № 6. Part 1. С. 063701.
37. Kwon J., Ock J., Kim N. Mimicking the mechanical properties of aortic tissue with pattern-embedded 3D printing for a realistic phantom // Materials. 2020. Т. 13. № 21. С. 5042.
38. Stefanov F. et al. Innovative Design and Manufacturing Techniques for Patient Specific Abdominal Aortic Aneurysm Flexible Benchtop Models // Summer Bioengineering Conference. – American Society of Mechanical Engineers, 2013. Т. 55607. С. V01AT04A022.
39. Wang K. et al. Controlling the mechanical behavior of dual-material 3D printed meta-materials for patient-specific tissue-mimicking phantoms // Materials & Design. 2016. Т. 90. С. 704–712.
40. Valverde I. et al. 3 D printed models for planning endovascular stenting in transverse aortic arch hypoplasia // Catheterization and Cardiovascular Interventions. 2015. Т. 85. № 6. С. 1006–1012.
41. Ho D., Squelch A., Sun Z. Modelling of aortic aneurysm and aortic dissection through 3D printing // Journal of medical radiation sciences. 2017. Т. 64. № 1. С. 10–17.
42. van Hamersvelt R.W. et al. Contrast agent concentration optimization in CTA using low tube voltage and dual-energy CT in multiple vendors: a phantom study // The international journal of cardiovascular imaging. 2018. Т. 34. С. 1265–1275.
43. Richards T. et al. Quantification of uncertainty in the assessment of coronary plaque in CCTA through a dynamic cardiac phantom and 3D-printed plaque model // Journal of Medical Imaging. – 2018. Т. 5. № 1. С. 013501–013501.
44. Toepker M. et al. Stenosis quantification of coronary arteries in coronary vessel phantoms with second-generation dual-source CT: influence of measurement parameters and limitations // American Journal of Roentgenology. 2013. Т. 201. № 2. С. W227–W234.
45. Mørup S.D. et al. Design of a 3D printed coronary artery model for CT optimization // Radiography. 2022. Т. 28. № 2. С. 426–432.
46. Ionita C.N. et al. Challenges and limitations of patient-specific vascular phantom fabrication using 3D Polyjet printing // Proceedings of SPIE--the International Society for Optical Engineering. NIH Public Access, 2014. Т. 9038. С. 90380M.14:05
47. Frölich A.M.J. et al. 3D printing of intracranial aneurysms using fused deposition modeling offers highly accurate replications // American journal of neuroradiology. 2016. Т. 37. № 1. С. 120–124.
48. Legnani E. et al. Additive fabrication of a vascular 3D phantom for stereotactic radiosurgery of arteriovenous malformations // 3D Printing and Additive Manufacturing. 2021. Т. 8. № 4. С. 217–226.
49. Allard L. et al. Multimodality vascular imaging phantoms: A new material for the fabrication of realistic 3D vessel geometries // Medical physics. 2009. Т. 36. № 8. С. 3758–3763.
50. Jin K.N. et al. Dual-energy computed tomography angiography: virtual calcified plaque subtraction in a vascular phantom // Acta radiologica open. 2017. Т. 6. № 7. С. 2058460117717765.
51. Kaufmann R. et al. Vascular 3D printing with a novel biological tissue mimicking resin for patient-specific procedure simulations in interventional radiology: A feasibility study // Journal of Digital Imaging. 2022. Т. 35. № 1. С. 9–20.
52. De Backer P. et al. Point-of-care 3D printing: a low-cost approach to teaching carotid artery stenting // 3D Printing in Medicine. 2021. Т. 7. С. 1–7.
53. Hamedani B. A. et al. Three‐dimensional printing CT‐derived objects with controllable radiopacity // Journal of applied clinical medical physics. 2018. Т. 19. № 2. С. 317–328.
54. Коденко М.Р., Архангельский А.Н., Самородов А.В., Решетников Р.В. Система имитационного моделирования пульсового потока в крупных сосудах для ангиографических исследований // Биомедицинская радиоэлектроника. 2023. T. 26. № 5. С. 85–95. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202305-09