طراحی و ساخت فانتوم چهار بعدی ریه برای بررسی حرکت تومور در حین تنفس در پرتودرمانی با استفاده از تصویربرداری رزنانس مغناطیسی

نوع مقاله : مقاله های پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه فیزیک پزشکی، دانشکده‌ی پزشکی و کمیته‌ی تحقیقات دانشجویی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران

2 استاد، گروه فیزیک پزشکی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران

3 دانشیار، مرکز تحقیقات تصویربرداری پزشکی و گروه رادیوتراپی و آنکولوژی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی شیراز، شیراز، ایران

4 دانشجوی دکتری، گروه فیزیک پزشکی، دانشکده‌ی پزشکی، دانشگاه علوم پزشکی اصفهان، اصفهان، ایران

5 دانشجوی دکتری، گروه ارتز و پروتز، دانشگاه علوم بهزیستی و توانبخشی، تهران، ایران

6 گروه مکانیک ساخت و تولید، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد نجف آباد، اصفهان، ایران

چکیده

مقدمه: مشخص کردن محل دقیق و صحیح تومور، یکی از مهم‌ترین الزامات پرتودرمانی است. اما تومورهای ریه به دلیل حرکت تنفسی، در یک مکان ثابت نیستند و در حین پرتودرمانی، جابه‌جا می‌شوند. با توجه به محدودیت‌های موجود در ارزیابی این حرکات، استفاده از فانتوم ریه در ارزیابی دقیق، سریع، آسان و ارزان این حرکات، می‌تواند مفید و کاربردی باشد. هدف از انجام این تحقیق، طراحی و ساخت یک فانتوم چهار بعدی ریه برای بررسی حرکت تومور در حین تنفس در پرتودرمانی بود.روش‌ها: با قالب‌گیری از ریه‌ی طبیعی انسان، ریه‌ی مصنوعی از جنس سیلیکون ساخته شد. قفسه‌ی سینه از جنس پلکسی‌گلاس و به صورت دو جداره ساخته شد. فضای بین جداره‌ها از آب پرشد تا قدرت سیگنال MRI (Magnetic resonance imaging) افزایش یابد. کیسه‌ای نازک به حجم 5/1 لیتر از سیلیکون به عنوان دیافراگم مصنوعی ساخته شد و در قفسه‌ی سینه جای گرفت. برای شبیه‌سازی عمل دم و بازدم، از پمپ پیستونی و به منظور ایجاد حرکت رفت و برگشت، از موتور و گیربکس استفاده شد.یافته‌ها: از سیلیکون برای ساخت ریه استفاده شد که نتایج تصویربرداری با دو روش CT scanning (Computerized tomography scanning) و MRI به خوبی تومور و ریه را نشان داد. قسمت‌های مکانیکی و الکتریکی به فانتوم اضافه شدند؛ به گونه‌ای که طبق ورودی در هر 5/0 ثانیه یک بار فانتوم متوقف و تصویربرداری انجام شد تا در مدت 5 ثانیه سیکل تنفسی، 10 تصویر CT و MRI حاصل شود. این فانتوم، سیکل تنفسی ریه و جابه‌جایی تومور را به خوبی نشان داد.نتیجه‌گیری: در این تحقیق، فانتوم مدل سیلیکونی ریه با قابلیت شبیه‌سازی حرکت ریه‌ی طبیعی انسان با 7 تومور درون آن برای ارزیابی حرکت ریه در حین پرتودرمانی ساخته شد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and Fabrication of a Four-Dimentional Respiratory Phantom for Studying Tumor Movement in Radiotherapy with Magnetic Resonance Imaging

نویسندگان [English]

  • Zahra Akmali 1
  • Daryoush Shahbazi-Gahrouei 2
  • Mohammad Amin Mosleh-Shirazi 3
  • Milad Baradaran-Ghahfarokhi 4
  • Nader Fallahian 5
  • Sadegh Sherkat 6
1 MSc Student, Department of Medical Physics, School of Medicine AND Student Research Committee, Isfahan University of Medical Sciences, Isfahan, Iran
2 Professor, Department of Medical Physics, School of Medicine, Isfahan University of Medical Sciences, Isfahan, Iran
3 Associate Professor, Medical Imaging Research Center AND Department of Radiotherapy and Oncology, School of Medicine, Shiraz University of Medical Sciences, Shiraz, Iran
4 PhD Student, Department of Medical Physics, School of Medicine, Isfahan University of Medical Sciences, Isfahan, Iran
5 PhD Student, Department of Orthotics and Prosthetics, University of Social Welfare and Rehabilitation Sciences, Tehran, Iran
6 Department of Mechanical Construction, Islamic Azad University, Najafabad Branch, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Background: In radiation therapy, determining the location of the tumor accurately is one of the most important requirements. But, lung tumors due to respiratory motion during radiotherapy are not fixed in a single location and move. Due to limitations in assessing such movements, using a lung phantom can be useful and operational in fast, easy and inexpensive assessment of such movements. The aim of this study was to design and build a four-dimensional respiratory phantom for studying tumor movement in radiation therapy.Methods: By molding the normal human lung, artificial lung was made of silicon. The chest was made of plexiglas and a double-walled container. The wall was filled with water to increase the signal strength of Magnetic Resonance Imaging (MRI). A 1.5-liter thin bag of silicon was made as the synthetic diaphragm and was placed into the chest. A piston pump was used to simulate the breathing and an engine and gearbox were used to create the reciprocating motion. Finally, the silicon lung model, capable of simulating the natural movement of the human lung was built with 7 tumors in it.Findings: The four-dimensional phantom lung was designed and constructed for examining the tumor motion during radiotherapy while breathing, according to the images obtained from the lung for examining the motion and the types of movements of the lung.Conclusion: It can be declared that this artificial lung (phantom), unlike the previously designed ones, is largely similar to human lungs and can be a useful tool for quality control of the imagine devices and the new protocols of radiotherapy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Moving phantom
  • Magnetic Resonance Imaging
  • Radiotherapy
  • Lung

مراجع

  1. Nioutsikou E, Seppenwoolde Y, Symonds-Tayler JR, Heijmen B, Evans P, Webb S. Dosimetric investigation of lung tumor motion compensation with a robotic respiratory tracking system: an experimental study. Med Phys 2008; 35(4): 1232-40.
  2. Ackerley EJ, Cavan AE, Wilson PL, Berbeco RI, Meyer J. Application of a spring-dashpot system to clinical lung tumor motion data. Med Phys 2013; 40(2): 021713.
  3. Al-Mayah A, Moseley J, Velec M, Brock KK. Sliding characteristic and material compressibility of human lung: parametric study and verification. Med Phys 2009; 36(10): 4625-33.
  4. Keall P. 4-dimensional computed tomography imaging and treatment planning. Semin Radiat Oncol 2004; 14(1): 81-90.
  5. Sharp GC, Jiang SB, Shimizu S, Shirato H. Prediction of respiratory tumour motion for real-time image-guided radiotherapy. Phys Med Biol 2004; 49(3): 425.
  6. Shih HA, Jiang SB, Aljarrah KM, Doppke KP, Choi NC. Internal target volume determined with expansion margins beyond composite gross tumor volume in three-dimensional conformal radiotherapy for lung cancer. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2004; 60(2): 613-22.
  7. Shahbazi-Gahrouei D, Gookizadeh A, Abdollahi M. Comparison of conventional radiotherapy techniques with different energies in treating prostate cancer, employing a designed pelvis phantom. Journal of Medical Sciences 2008; 8(4): 429-32.
  8. Vedam SS, Keall PJ, Docef A, Todor DA, Kini VR, Mohan R. Predicting respiratory motion for four-dimensional radiotherapy. Med Phys 2004; 31(8): 2274-83.
  9. Chen QS, Weinhous MS, Deibel FC, Ciezki JP, Macklis RM. Fluoroscopic study of tumor motion due to breathing: facilitating precise radiation therapy for lung cancer patients. Med Phys 2001; 28(9): 1850-6.
  10. Plathow C, Fink C, Ley S, Puderbach M, Eichinger M, Zuna I, et al. Measurement of tumor diameter-dependent mobility of lung tumors by dynamic MRI. Radiother Oncol 2004; 73(3): 349-54.
  11. Shirato H, Seppenwoolde Y, Kitamura K, Onimura R, Shimizu S. Intrafractional tumor motion: lung and liver. Semin Radiat Oncol 2004; 14(1): 10-8.
  12. Low DA, Nystrom M, Kalinin E, Parikh P, Dempsey JF, Bradley JD, et al. A method for the reconstruction of four-dimensional synchronized CT scans acquired during free breathing. Med Phys 2003; 30(6): 1254-63.
  13. Vedam SS, Keall PJ, Kini VR, Mostafavi H, Shukla HP, Mohan R. Acquiring a four-dimensional computed tomography dataset using an external respiratory signal. Phys Med Biol 2003; 48(1): 45-62.
  14. Biederer J, Heller M. Artificial thorax for MR imaging studies in porcine heart-lung preparations. Radiology 2003; 226(1): 250-5.
  15. Nioutsikou E, Richard NS-T, Bedford JL, Webb S. Quantifying the effect of respiratory motion on lung tumour dosimetry with the aid of a breathing phantom with deforming lungs. Phys Med Biol 2006; 51(14): 3359-74.
  16. Kashani R, Lam K, Litzenberg D, Balter J. Technical note: a deformable phantom for dynamic modeling in radiation therapy. Med Phys 2007; 34(1): 199-201.
  17. Chang J, Suh TS, Lee DS. Development of a deformable lung phantom for the evaluation of deformable registration. J Appl Clin Med Phys 2010; 11(1): 3081.
  18. Swailes NE, MacDonald ME, Frayne R. Dynamic phantom with heart, lung, and blood motion for initial validation of MRI techniques. J Magn Reson Imaging 2011; 34(4): 941-6.
مجله دانشکده پزشکی اصفهان
دوره 33، شماره 333 - شماره پیاپی 333
خرداد و تیر 1394
صفحه 631-642

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 12 بهمن 1393
  • تاریخ بازنگری: 11 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش: 17 فروردین 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار