3Dフローイメージング調査のためのらせんトロイドファントム

医療物理学コミュニティは、これまで、3次元（3D）フローイメージング技術のパフォーマンスを全体的に評価するための効果的なキャリブレーションファントムを欠いていました。ここでは、ルーメンがらせん状のトロイド構造で構成されている新しい全導電性、3-C）フローファントムの設計を提示します（半径10 mmのトーラスの上に5回の革命のために、5 µmmのヘリックス半径を持つ5回の革命のためにヘリックに巻き付けられています）。このファントムの口腔内フロー軌道は、計算流体ダイナミクス（CFD）シミュレーションを使用して確認されているように、x、y、およびz方向成分のすべての組み合わせを受け入れます。ファントムは、組織模倣物としてポリビニルアルコールクリオゲル（PVA）を使用した失われたコア鋳造によって物理的に製造されました。3D超音波では、幻影腔がらせん性トロイド形状に似ていると予想されることを確認しました。パルスドップラー測定により、ファントムは、安定した流れ条件（3 mL S-1流量）で動作する場合、内側トーラスの両方でCFDに由来するものとよく一致する流速の大きさを生成することが示されました（-52.0±2.2 cm S-1;平均±1 s-1;48.0±1.7 cm S-1）。さらに、マルチアングルパルスドップラーから取得した3-C速度ベクトルは、CFD由来の速度ベクトルと良好な一致を示しました（それぞれ、マグニチュードとフロー角度の<7％および10°の差）。超音波カラーフローイメージングは​​、ファントムの軸方向の流れパターンがCFD由来の流れプロファイルと整合していることをさらに明らかにしました。全体として、らせんトロイドファントムは、フローベクトル推定器の開発や視覚化アルゴリズムなど、3Dフローイメージングイノベーションの努力の調査ツールとして強力な可能性を秘めています。

The medical physics community has hitherto lacked an effective calibration phantom to holistically evaluate the performance of three-dimensional (3D) flow imaging techniques. Here, we present the design of a new omnidirectional, three-component (3-C) flow phantom whose lumen is consisted of a helical toroid structure (4 mm lumen diameter; helically winded for 5 revolutions over a torus with 10 mm radius; 5 mm helix radius). This phantom's intraluminal flow trajectory embraces all combinations of x, y, and z directional components, as confirmed using computational fluid dynamics (CFD) simulations. The phantom was physically fabricated via lost-core casting with polyvinyl alcohol cryogel (PVA) as the tissue mimic. 3D ultrasound confirmed that the phantom lumen expectedly resembled a helical toroid geometry. Pulsed Doppler measurements showed that the phantom, when operating under steady flow conditions (3 ml s-1 flow rate), yielded flow velocity magnitudes that agreed well with those derived from CFD at both the inner torus (-47.6 ± 5.7 versus -52.0 ± 2.2 cm s-1; mean ± 1 S.D.) and the outer torus (49.5 ± 4.2 versus 48.0 ± 1.7 cm s-1). Additionally, 3-C velocity vectors acquired from multi-angle pulsed Doppler showed good agreement with CFD-derived velocity vectors (<7% and 10° difference in magnitude and flow angle, respectively). Ultrasound color flow imaging further revealed that the phantom's axial flow pattern was aligned with the CFD-derived flow profile. Overall, the helical toroid phantom has strong potential as an investigative tool in 3D flow imaging innovation endeavors, such as the development of flow vector estimators and visualization algorithms.