シングルトーンインクジェット印刷を使用した2Dイメージングアプリケーション向けの新生児X線ファントムの開発

目的：インクジェットプリンターを使用して、ヨウ素ドープインクを使用することにより、擬人化されたファントムを製造できます。ただし、この手法を実装することには課題があります。グレースケールからインク密度までのキャリブレーションは複雑で時間がかかります。この作業の目的は、より単純なキャリブレーションを必要とする印刷方法を開発することであり、X線減衰値の望ましい範囲を生成するためにプリンターの特性に依存しないことです。 方法：従来のグレースケール印刷は、シングルトーン印刷に置き換えられました。つまり、ヨウ素化インクの純粋な黒い層の重ね合わせです。印刷は、1 g/mlの水に溶解したカリウム（KI）で作られたインクを使用して、消費者グレードのインクジェットプリンターで実行されました。インクの減衰のキャリブレーションは、70 kvpの市販のX線システムを使用して測定されました。70 kvpで得られた新生児のX線写真は、解剖学的モデルとして機能しました。新生児のレントゲン写真の減衰マップは、一連のシングルトーン画像に処理されました。シングルトーン画像を印刷、積み重ね、70 kVPで画像化しました。ファントムは、印刷されたファントムと元のX線写真との間の減衰値を比較することにより評価されました。減衰マップは、構造類似性インデックス測定（SSIM）を使用して比較され、減衰ヒストグラムはKullback-Leibler（KL）の分岐を使用して比較されました。関心領域（ROI）ベースの分析も実行され、与えられたROI内の減衰分布がファントムと患者の間で比較されました。ファントムシャープネスは、画像内の高空間分解能機能の変調伝達関数（MTF）推定値と信号広がりプロファイルの観点から評価されました。 結果：印刷されたファントムには36ページが必要でした。印刷キューは自動化されており、ファントムの印刷に約2時間かかりました。印刷されたファントムのX線写真は、元の新生児レントゲン写真と密接に似ていることを示しました。患者のSSIMに対するSSIMは0.53でした。患者とファントムの両方の減衰ヒストグラムの両方が同様の分布に続き、そのようなヒストグラム間のKLの発散は0.20でした。ROIベースの分析は、減衰範囲のより高い端と下端で患者の減衰値からの最大の偏差が観察されたことを示しました。提案された方法論の制限解像度は約1 mmでした。 結論：シングルトーン印刷を使用して、2Dイメージングアプリケーション用の新生児ファントムを生成する方法が開発されました。この方法では、単一価値のキャリブレーションのみが必要であり、完全なファントムを印刷するのに2時間未満が必要です。

PURPOSE: Inkjet printers can be used to fabricate anthropomorphic phantoms by the use of iodine-doped ink. However, challenges persist in implementing this technique. The calibration from grayscale to ink density is complex and time-consuming. The purpose of this work is to develop a printing methodology that requires a simpler calibration and is less dependent on printer characteristics to produce the desired range of x-ray attenuation values. METHODS: Conventional grayscale printing was substituted by single-tone printing; that is, the superposition of pure black layers of iodinated ink. Printing was performed with a consumer-grade inkjet printer using ink made of potassium-iodide (KI) dissolved in water at 1 g/ml. A calibration for the attenuation of ink was measured using a commercial x-ray system at 70 kVp. A neonate radiograph obtained at 70 kVp served as an anatomical model. The attenuation map of the neonate radiograph was processed into a series of single-tone images. Single-tone images were printed, stacked, and imaged at 70 kVp. The phantom was evaluated by comparing attenuation values between the printed phantom and the original radiograph; attenuation maps were compared using the structural similarity index measure (SSIM), while attenuation histograms were compared using the Kullback-Leibler (KL) divergence. A region of interest (ROI)-based analysis was also performed, where the attenuation distribution within given ROIs was compared between phantom and patient. The phantom sharpness was evaluated in terms of modulation transfer function (MTF) estimates and signal spread profiles of high spatial resolution features in the image. RESULTS: The printed phantom required 36 pages. The printing queue was automated and it took about 2 h to print the phantom. The radiograph of the printed phantom demonstrated a close resemblance to the original neonate radiograph. The SSIM of the phantom with respect to that of the patient was 0.53. Both patient and phantom attenuation histograms followed similar distributions, and the KL divergence between such histograms was 0.20. The ROI-based analysis showed that the largest deviations from patient attenuation values were observed at the higher and lower ends of the attenuation range. The limiting resolution of the proposed methodology was about 1 mm. CONCLUSION: A methodology to generate a neonate phantom for 2D imaging applications, using single-tone printing, was developed. This method only requires a single-value calibration and required less than 2 h to print a complete phantom.