総膝置換イメージングの最適化：新規3DプリントPET/CT擬人化された金属アーティファクトシミュレーションのための擬人化

目的：膝の総置換（TKR）ファントムを含む関節形成術の幻は、ポジトロン排出断層撮影/コンピューター断層撮影（PET/CT）画像に適用される金属のアーティファクト削減方法をテストするために頻繁に使用されています。これらのファントムは一般に、PET/CTスキャンの金属インサートの周りの単純な解剖学的特徴または単純なアクティビティ分布のいずれかをシミュレートします。3D印刷は、ボリュームとジオメトリを正確にシミュレートする充填可能な擬人化されたファントムを製造するために最近使用されています。この研究の目的は、イメージセグメンテーション、ファントムモデリング、3D印刷、およびヒトTKR PET/CTメタルアーチファクトをシミュレートする人口ベースの充填可能なTKRファントムの検証のプロセスを説明することを目的としています。 方法：10人の参加者（5人の男性と5人の女性）を3T MRIを使用してスキャンし、画像をセグメント化して平均的な男性と平均の女性3D膝モデルを作成し、3Dプリントおよび造影剤のための無効な皮質および多孔質の骨梁コンパートメントと反比例しました。これらのモデルに仮想総膝置換（TKR）手術が実装され、膝の補綴インプラントの挿入位置を準備しました。その後、TKRモデルを3Dフォトポリマー樹脂プリンターを使用して印刷し、次に通常の生理食塩水を注入して、漏れが漏れをテストしました。その後、希釈されたヨウ素化造影剤を皮質コンパートメントに注入し、18F-FDGを伴う生理食塩水を小柱区画に注入し、ファントムをPET/CTでスキャンしました。その後、画像を評価し、文献で報告されている人間の膝のX線撮影の特徴と比較されました。 結果：ファントムは、明確なコンパートメントを備えた流体標識であることが示されました。彼らは、セグメント化されたヒトMRI膝に同等の体積とジオメトリを示しました。ファントムは、X線減衰とHounsfieldユニット（HU）について同様の値を皮質と小柱区画の両方の文献に示しました。ファントムは、放射性トレーサーの均一な分布を示し、人間の骨梁PETで見られるものに似ています。金属挿入物を備えたTKRファントムPET/CT画像は、炎症性領域で臨床的に見られる臨床金属工芸品を複製しました。 結論：この小説、3Dプリント、およびカスタマイズ可能なファントムは、実際のTKRの幾何学的、X線撮影、ラジオトラサーの分布の特徴を効果的に模倣しています。重要なことに、TKRイメージの金属製アーティファクトをシミュレートし、将来の研究におけるさまざまな金属製アーティファクト削減方法の繰り返し可能な包括的な評価に適しています。

PURPOSE: Arthroplasty phantoms, including total knee replacement (TKR) phantoms, have been frequently used to test metal artefact reduction methods applied to positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) images. These phantoms generally simulate either simple anatomical features or simple activity distribution around the metal inserts in the PET/CT scans. 3D printing has been used recently to fabricate fillable anthropomorphic phantoms that accurately simulate volume and geometry. This study aims to describe the process of image segmentation, phantom modelling, 3D printing and validation of a population-based fillable TKR phantom that simulates human TKR PET/CT metal artefacts. METHODS: 10 participants (5 male and 5 female) were scanned using 3T MRI and the images were segmented to create average male and average female 3D knee models, inversely with void cortical and porous trabecular compartments for 3D printing and contrast media. Virtual total knee replacement (TKR) surgery was implemented on these models to prepare the insertion locations for knee prosthetic implants. Subsequently, TKR models were printed using a 3D photopolymer resin printer and then injected with normal saline to test the phantoms for any leaks. Subsequently, diluted iodinated contrast media was injected into the cortical compartment and saline with 18F-FDG was injected into the trabecular compartment and the phantom was scanned with PET/CT. The images were then evaluated and compared to the human knee radiographic features reported in the literature. RESULTS: Phantoms were shown to be fluid-tight with distinct compartments. They showed comparable volume and geometry to the segmented human MRI knees. The phantoms demonstrated similar values for x-ray attenuation and Hounsfield units (HU) to the literature for both cortical and trabecular compartments. The phantoms displayed a uniform distribution for the radioactive tracer, resembling that seen in human trabecular bone PET. TKR phantom PET/CT images with metal inserts replicated the clinical metal artefacts seen clinically in the periprosthetic area. CONCLUSION: This novel, 3D-printed, and customisable phantom effectively mimics the geometric, radiographic and radiotracer distribution features of real TKRs. Importantly, it simulates TKR image metal artefacts, making it suitable for repeatable and comprehensive evaluation of various metal artefact reduction methods in future research.