Design and Production of an Anatomical Lung Research and Education Phantom Using 3 Dimensional (3D) Printing Technology

Abstract

Aim: 3 Dimensional (3D) printing technology is frequently used in research and educational materials as organ printing in health studies. 3D phantoms offer practical approaches to testing and evaluating imaging techniques and reviewing measurements made on the device. In the study, a special interior design was considered, which adds uniqueness to our study, together with the design of the lung surface anatomy of the phantom, and enables the radionuclide to be transferred to the organ model safely and easily and to obtain images. Method: The reason why the lung interior design is made in this form is that the situations where there is radionuclide contact with the organ can be visualized by means of a phantom and necessary measurements can be made. The 3D anatomical lung phantom was printed in the designed shape and dimensions at appropriate Hounsfield Unit (HU) values, and the internal structure of the Phantom was imaged with medical imaging devices. Results: In the phantom, the lung's inner cavities and outer parenchyma tissue structure were visualized similarly to the natural lung structure in Computed Tomography (CT) images. Conclusion: For use in research and education, a single Photon Emission Computed Tomography (SPECT), Positron Emission Tomography (PET), Magnetic Resonance Imaging (MRI) and CT compatible anatomical lung phantom was designed, 3D printed and necessary radiological images were performed. As a result, the 3D lung phantom produced will be used continuously as educational and research material.

Keywords

• 3D printing
• lung phantom
• anatomy
• nuclear medicine

3 Boyutlu Baskı Teknolojisi Kullanılarak Anatomik Akciğer Araştırma ve Eğitim Fantomu Tasarım ve Üretimi

Öz

Amaç: 3 boyutlu (3B) baskı teknolojisi sağlık çalışmalarında organ baskısı olarak araştırma ve eğitim materyallerinde sıkça kullanılmaktadır. 3B fantomlar, görüntüleme tekniklerinin test edilip değerlendirilmesi ile cihazda yapılan ölçümlerin gözden geçirilmesinde pratik yaklaşımlar sunmaktadır. Çalışmada, fantomun akciğer yüzey anatomisinin tasarımıyla beraber, çalışmamıza özgünlük kazandıran, organ modeline radyonüklidi güvenli ve kolayca transfer edip, görüntü almayı sağlayan özel bir iç tasarım düşünülmüştür. Yöntem: Akciğer iç tasarımının bu formda yapılmasının sebebi organa radyonüklid temasının olduğu durumları fantom aracılığıyla canlandırılıp gerekli ölçümlerin yapılabilmesidir. 3B anatomik akciğer fantomu, tasarlanan şekilde ve ölçülerde uygun Hounsfield Unit (HU) değerlerinde basılmıştır ve fantomun içyapısının tıbbi görüntüleme cihazları ile görüntülenmiştir. Bulgular: Fantomda, Bilgisayarlı Tomografi (BT) görüntülerinde akciğer iç boşlukları ve dış parankim doku yapısı doğal akciğer yapısına benzer özellikte görüntülenmiştir. Sonuç: Araştırma ve eğitimde kullanılmak üzere, insan anatomisine benzer, Tek Foton Emisyon Bilgisayarlı Tomografi (SPECT), Pozitron Emisyon Tomografi (PET), Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) ve BT uyumlu anatomik akciğer fantomu tasarlanarak, 3B basımı yapılmış ve gerekli radyolojik görüntüleri alınmıştır. Bunun neticesinde üretilen 3B akciğer fantomu eğitim ve araştırma materyali olarak sürekli kullanılacaktır.

Anahtar Kelimeler

• 3B Baskı
• Akciğer fantomu
• Anatomi
• Nükleer tıp

Kaynakça

1. Gibson I, Rosen D, Stucker B. Photopolymerization Processes, Springer;2010:78-119.
2. Yıldırım G, Yıldırım S, Çelik E. 3 boyutlu yazıcılar ve öğretimsel kullanımı: Bir içerik analizi. Bayburt Eğitim Fakültesi Dergisi. 2018;13(25):163-184.
3. Kim GB, Lee S, Kim H, et al. Three-dimensional printing: basic principles and applications in medicine and radiology. Korean J Radiol. 2016;17:182–97.
4. Wang K, Ho CC, Zhang C, Wang B. A review on the 3D printing of functional structures for medical phantoms and regenerated tissue and organ applications. Engineering. 2017;3:653–62.
5. Branham T. Phantom testing. Medical Physics. 2007;34(6):2578.
6. Di Francia G, Scafè R, De Vincentis G, et al. Porous silicon phantoms for high-resolution scintillation imaging. Nuclear Inst and Methods in Physics Research, A. 2006;569(2):197-200.
7. Walker GC, Berry E, Smye SW, Brettle DS. Materials for phantoms for terahertz pulsed imaging. Physics in Medicine and Biology. 2004;49(21):N363-N9.
8. SabbirAhmed ASM, Demir M, Kabasakal L, Uslu I. A dynamic renal phantom for nuclear medicine studies. Medical Physics. 2005;32(2):530-8.

9. Heikkinen JO. Physical phantom for renography. Journal of Nuclear Medicine. 2001;42(5):102P-P.
10. Als C, Bräutigam P, Mirzaei S. Sweet nuclear medicine phantoms for scintigraphic sentinel lymph node detection: A cooking recipe. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 2018;32(5):623.
11. Park MA, Zimmerman RE, Taberner A, Kaye MW, Moore SC. Design and fabrication of phantoms using stereolithography for small- animal imaging systems. Molecular Imaging and Biology. 2008;10(5):231- 6.
12. Sezer H, Şahin H. 3D baskı materyalinin eğitimde kullanımı: Qua vadis? Tıp Eğitimi Dünyası. 2016;15(46):8-9.
13. Halloran AM. Dosimetric Advantages of Personalized Phantoms. [master thesis]. Louisiana. ABD: Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College, The Department of Physics and Astronomy; 2015.
14. Solc J, Vrba T, Burianova L. Tissue-equivalence of 3D-printed plastics for medical phantoms in radiology. Journal of Instrumentation. 2018;13:P09018. doi:10.1088/1748-0221/13/09/P09018.
15. Demir EBK, Çaka C, Tuğtekin U, et al. Üç boyutlu yazdırma teknolojilerinin eğitim alanında kullanımı: Türkiye’deki uygulamalar. Ege Eğitim Dergisi. 2016;2(17):481-503.
16. Emre Ş, Yolcu MB, Celayir S. Üç boyutlu yazıcılar ve çocuk cerrahisi. Çocuk Cerrahi Dergisi. 2015;29(3):77-82.
17. Özdemir M. Ultrasonografi eğitimi için balistik jelatin esaslı fantom geliştirilmesi ve özelliklerinin araştırılması. [yüksek lisans tezi]. Ankara. Türkiye: Biyomedikal Mühendisliği Anabilim Dalı, Fen Bilimleri Enstitüsü; 2018.
18. Läppchen T, Meier LP, Fürstner M, et al. 3D printing of radioactive phantoms for nuclear medicine imaging. EJNMMI Phys. 2020;7(1):22. doi:10.1186/s40658-020-00292-0.
19. Robinson AP, Tipping J, Cullen DM, et al. Organ specific SPECT activity calibration using 3D printed phantoms for molecular radiotherapy dosimetry. EJNMMI Phys. 2016;3:12–22.
20. Tran-Gia J, Schlögl S, Lassmann M. Design and fabrication of kidney phantoms for internal radiation dosimetry using 3d printing technology. J Nucl Med. 2016;57(12):1998–2005.