Development of a phantom for the verification of stereotactic arrhythmic radioablation treatment deliveries

Abstract

Aim: Phantoms are used daily in the clinic for radiotherapy. As more realistic phantoms are requested, 3D printing could be used but the design of a realistic phantom is difficult. The purpose of this project was to design and 3D print an anthropomorphic phantom that could be used for verification of complex treatment such as stereotactic arrhythmic radioablation treatments without the use of patient data.

Material and method:A phantom was designed and simulated in XCAT which generated virtual computed tomography (CT) images of the wanted phantom. Dif- ferent test cubes were printed to determine the different printing parameters to create a certain density. From XCAT data, tissues with different densities were delineated and gave the different components of the large phantom. A phantom was printed based on XCAT data using a thermoplastic material and a StoneFil composite for higher density components. Different infill percentages were used to create desired density in each component of the phantom. The phantom was sliced into 16 sagittal slices and printed separately with a RAISE3D printer. Quality assurance checks were done on the printed phantom in terms of geometric resolution and produced densities.

Results:A linear correlation between infill percentage and HU values were obtained from test printing cubes. The evaluated geometric resolution in CloudCompare showed that 85% of the points in the phantom agreed with the design within 0.3 mm and the HU values disagreed with less than 1 %.

Conclusion:Current results show that it is possible to design a phantom without the use of patient data. It is possible to create contrast inside with different infill percentage and with a good resolution. Different types of filament provide tissue- equivalent properties and could model different tissue of the human body. For further use it is possible to reprint a slice for dosimetric instruments to be placed inside. A phantom like this is clinically more realistic than currently existing and more cost effective than what is on the market.

Popular Abstract (Swedish)

Strålbehandling blir en allt mer vanlig behandling mot cancer där varannan patient någon gång under sjukdomsförloppet får strålbehandling. Strålbehandlingen står
idag för 30 % av all bot mot cancer och är därmed en verksamhet som befinner

sig på många utav landets sjukhus. Innan en patient får strålbehandling krävs mycket arbete och kontroller av behandlingen så att den uppfyller de krav som ställs på behandlingen. En av dessa kvalitetssäkringar är att mäta den stråldos som behandlingen ska leverera till patienten. Detta görs med så kallade fantom.
Ett fantom kan vara allt från en en stor vattentank till patientliknande dockor. Dessa ska efterlikna en patient i den utsträckning att stråldosen kommer att fördelas på samma sätt i fantomet som patienten.

Det sker dagligen utveckling utav strålbehandligen för att dels göra den säkrare men också mer indivuduellt anpassad för den enskilda patienten. En av de utmaning man står inför idag är att behandla områden som rör på sig. Rörelsen beror främst på andningen.

En av dessa avancerade tekniker som man idag försöker att utveckla kallas för ab- lativ strålbehandling mot hjärtat. Denna behandling ska på ett icke-invasivt sätt behandla ventrikulär takykardi. Ventrikulär takykardi innebär att hjärtat slår extra slag vilket leder till att det inte hinner fyllas med blod mellan slagen.
För att kunna uveckla denna teknik kommer det krävas avancerade tester och kon- troller. Det kräver också mer utvecklade fantom. Eftersom att denna behandling kommer att behöva hantera två olika rörelser: andning och hjärtrörelser.

En lösning på detta kan vara så kallat 3D-skrivning. 3D-skrivning innebär att man utifrån medicinska bilder kan återskapa objekt i olika typer av material. En 3D- skrivare smälter ned plasten och bygger upp objektet linje för linje. Med denna teknik kan en männsklig bröstkorg 3D-skrivas. Ett sådant fantom skulle efterlikna en patient bättre än en vanlig vatten tank vilket ger möjlighet för att testa stråldosen på ett säkrare sätt. För att dessa fantom ska kunna användas kliniskt krävs det att de uppfyller en viss standard. Materialet de printas av bör ha samma egenskaper som mänsklig vävnad under en strålbehandling och de måste kunna ha hög geometrisk noggrannhet.

I detta arbete kommer ett fantom av en mänsklig bröstkorg att designas med ett rörande hjärta för att efterlikna en patient. Fantomer kommer sedan att 3D-skrivas i skivor och sättas ihop till en del som ett pussel. Fantomet kommer sedan att utvärderas i sitt utförande i form av vävnadsekvivalens och geometrisk upplösning.

• author: Jessen, Lovisa
• supervisor: Scott Crowe; Rachael Wilks; Michael Ljungberg
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20201
• year: 2020
• type: L3 - Miscellaneous, Projetcs etc.
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9036083
• date added to LUP: 2021-01-17 12:57:38
• date last changed: 2021-01-17 12:57:38