Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung eines Prüfkörpers für die Magnetresonanztomographie sowie einen nach diesem Verfahren hergestellten Prüfkörper .

Die Magnetresonanztomographie ist ein bildgebendes Verfahren, das vor allem in der medi zinischen Diagnostik zur Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird .

Prüfkörper werden im Zusammenhang mit bildgebenden Verfahren einerseits eingesetzt , um die Funktions fähigkeit der verwendeten Geräte zu überprüfen und um diese zu kalibrieren . Andererseits dienen Prüfkörper dazu, biologische Strukturen so nachzuahmen, dass die Kontrastunterschiede im erhaltenen Bild denen der nachgeahmten biologischen Struktur möglichst genau entsprechen . Solche Prüfkörper können für Unterrichtsund Übungs zwecke herangezogen werden, um das Erkennen verschiedener pathologischer Zustände zu üben bzw . die Funktionsweise des bildgebenden Verfahrens zu erlernen .

Die Herstellung von Prüfkörpern, mit denen die bei biologischen Strukturen erzielbaren Kontrastunterschiede nachgeahmt werden sollen, stellt eine heraus fordernde Aufgabe dar, da der Prüfkörper einerseits aus unterschiedlichen Stof fen bestehen muss , mit welchen Signalarme Regionen und signalstarke Regionen simuliert werden können, und da andererseits unregelmäßige Formgebungen realisiert werden müssen, wie sie für biologische Strukturen charakteristisch sind . Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung eines Prüfkörpers bereitzustellen, mit welchem biologische Strukturen hinsichtlich der durch Magnetresonanztomographie erzielbaren Kontrastunterschiede möglichst genau nachgeahmt werden können, wobei das Verfahren einfach und kostengünstig aus führbar sein soll .

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Prüfkörpers für die Magnetresonanztomographie vor, der aus einem Signalarmen Material und einem signalstarken Material aufgebaut wird, wobei der Prüfkörper mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wird, bei dem eine erste Struktur des Prüfkörpers durch Aufbringen des Signalarmen Materials in fließ fähigem Zustand und durch nachfolgendes Verfestigen desselben erfolgt und eine zweite Struktur des Prüfkörpers aus dem signalreichen Material aufgebaut wird, wobei die erste oder die zweite Struktur als zusammenhängende Matrix, insbesondere als dreidimensionales Gitter, aufgebaut wird, in der die andere Struktur verteilt ist .

Der Prüfkörper wird erfindungsgemäß daher mittels eines 3D- Druckverf ährens aus zwei verschiedenen Materialien hergestellt , nämlich einem Signalarmen Material und einem signalstarken Material . Mit herkömmlichen 3D-Druckverf ahren gelingt es , die beiden Materialien beim additiven Aufbau des Prüfkörpers so im Volumen des Prüfkörpers anzuordnen, dass sich in der Magnetresonanztomographie das gewünschte Bild ergibt .

3D-Druckverf ahren werden in der Regel aus Kunststof fen für die Herstellung fester bis weichen Bauteile verwendet . Diese Körper sind in der Magnetresonanztomographie j edoch als signalarm anzusehen . Für die Realisierung von signalreichen Bereichen des Prüfkörpers sind hingegen ölige oder wässrige Substanzen erforderlich . Im Rahmen der Erfindung wird zur Integration von öligen oder wässrigen Substanzen so vorgegangen, dass nur die aus dem Signalarmen Material bestehende erste Struktur des Prüfkörpers durch Verfestigen eines geeigneten Strukturmaterials gedruckt wird, und dass die verbleibenden Hohlräume mit dem fließ fähigen oder gelartigen signalreichen Material gefüllt werden, vergleichbar mit dem Stützmaterial , das bei herkömmlichen 3D- Druckverf ahren zum Abstützen von überhängenden Bauteilabschnitten oder von Hohlräumen verwendet wird . Bei herkömmlichen 3D-Druckerverf ahren wird das Stützmaterial nach Abschluss des Druckprozesses durch Auflösen in einem Lösungsmittel entfernt , beim erfindungsgemäßen Verfahren hingegen verbleibt das dem Stützmaterial entsprechende signalreiche Material im Prüfkörper, um in der Magnetresonanztomographie die sichtbaren Bereiche aus zubilden .

Das Signalarme Material ist bevorzugt ein im fließ fähigen Zustand auftragbares und verfestigbares Material , wie z . B . ein thermoplastisches Material oder ein durch Energieeintrag, wie z . B . Bestrahlung, polymerisierbares Material . Das signalreiche Material ist bevorzugt eine öl- oder wasserreiche Substanz . Bei Tl-gewichteten MRT-Aufnahmen ergeben insbesondere fett- bzw . ölreiche Materialien eine hohe Signalintensität , wohingegen bei T2-gewichteten MRT- Aufnahmen wasserreiche Materialien eine hohe Signalintensität ergeben, wobei das Material in beiden Fällen nicht in festem Zustand vorliegt . Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens bedeutet dies für eine bevorzugte Ausbildung, dass das signalreiche Material in fließ fähigem Zustand aufgebracht und im fließ fähigen Zustand belassen oder in den gelartigen Zustand gebracht wird, sodass das signalreiche Material im fertigen Prüfkörper im fließ fähigen oder gelartigen Zustand vorhanden ist .

Unter einem signalreichen Material wird im Rahmen der Erfindung ein Material verstanden, das in einer Protonen gewichteten MRT Sequenz ein Signal ( Grauwert ) ergibt , welches größer als 15% , bevorzugt größer als 40% des Signals von physiologischer Kochsal zlösung ist .

Unter einem Signalarmen Material wird im Rahmen der Erfindung ein Material verstanden, das in einer Protonen gewichteten MRT Sequenz ein Signal ( Grauwert ) ergibt , welches kleiner als 5% des Signals von physiologischer Kochsal zlösung ist , bevorzugt ein nicht vom Hintergrundrauschen unterscheidbares Signal ergibt .

Bevorzugt beträgt die Di f ferenz zwischen dem für das signalreiche Material ermittelten Prozentwert und dem für das Signalarme Material ermittelten Prozentwert mindestens 10 , vorzugsweise mindestens 20 , insbesondere mindestens 50 Prozentpunkte .

Um den Zusammenhalt des Prüfkörpers sicherzustellen, wird zumindest eine der beiden Strukturen als zusammenhängende Matrix, insbesondere als dreidimensionales Gitter, aufgebaut , in der die andere Struktur verteilt ist . Beispielsweise wird die aus dem Signalarmen Material aufgebaute feste erste Struktur als zusammenhängende Matrix aufgebaut , in deren Hohlräumen das signalreiche Material angeordnet ist . Umgekehrt kann aber auch die aus dem signalreichen Material bestehende zweite Struktur als zusammenhängende Matrix aufgebaut werden, in der aus dem Signalarmen Material gedruckte Festkörper verteilt sind, die nicht notwendigerweise miteinander verbunden sind . Die aus dem Signalarmen Material gedruckten Festkörper schwimmen dann gleichsam in dem signalreichen Material , das vorzugsweise gelartig ausgebildet ist damit die gedruckten Festkörper innerhalb der zusammenhängenden zweiten Struktur bzw . Matrix aus dem signalreichen Material an ihrer vorgesehenen Position verbleiben . Da die Matrix aus dem signalreichen Material hierbei j edoch keine ausreichende Strukturf estigkeit bietet , ist bevorzugt vorgesehen, dass eine die Matrix einhüllende Hüllstruktur des Prüfkörpers aus dem Signalarmen Material aufgebaut wird . Die Hüllstruktur bildet somit eine den Prüfkörper allseitig begrenzende Wand, welche dem Prüfkörper die notwendige Strukturf estigkeit verleiht .

Auch bei einer Ausbildung, bei der die zusammenhängende Matrix aus dem Signalarmen festen Material gedruckt wird, kann es vorteilhaft sein, aus dem Signalarmen Material eine die Matrix einhüllende Hüllstruktur mitzudrucken . Die Hüllstruktur dient hierbei dazu, das Austreten der fließ fähigen oder gelartigen signalreichen Materials aus den Hohlräumen der Matrix zu verhindern .

Die erfindungsgemäß vorgesehene Verteilung des einen Materials in einer aus dem anderen Material aufgebauten zusammenhängenden Matrix ermöglicht es mit nur zwei unterschiedlichen Materialien eine Viel zahl von Helligkeitsabstufungen in der MRT-Aufnahme zu erzeugen, wenn die abwechselnden Bereiche des Signalarmen und des signalreichen Materials so kleinstrukturiert sind, dass sie mit Rücksicht auf die Auflösungsgrenze des

Magnetresonanztomographen nicht mehr als gesonderte Bereiche auflösbar sind . Je höher der Anteil des signalreichen Materials j e Volumeinheit des Prüfkörpers ist , desto heller erscheint der entsprechende Bildbereich in der MRT-Aufnahme .

Mit Rücksicht auf übliche Auflösungsgrenzen von Magnetresonanztomographen kann die Strukturierung des Prüfkörpers aus abwechselnden Bereichen der ersten Struktur und der zweiten Struktur derart gestaltet werden, dass sich in j edem Volumenelement von 3x3x3mm ³ , bevorzugt in j edem Volumenelement von 2x2x2mm ³ , bevorzugt in j edem Volumenelement von Ixlxlmm ³ , zumindest ein Bereich der ersten Struktur und ein Bereich der zweiten Struktur befinden .

Der Prüfkörper kann so aufgebaut werden, dass er über sein gesamte Volumen einen einheitlichen Grauwert in der MRT- Aufnahme erzeugt . Dies kann beispielsweise dadurch erreich werden, dass die zusammenhängende Matrix eine regelmäßige , sich wiederholende , kubische oder nicht-kubische Geometrie , aufweist .

Eine alternative Möglichkeit besteht darin, dass die zusammenhängende Matrix eine unregelmäßige Geometrie aufweist , deren Unregelmäßigkeit unterhalb der Auflösungsgrenze ( insbesondere 1mm) der Magnetresonanztomographie liegt , sodass der Prüfkörper einen einheitlichen Grauwert liefert .

Um mit dem Prüfkörper mehrere Bildbereiche unterschiedlicher Helligkeitsstufen hervorrufen zu können, wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt so vorgegangen, dass der Anteil des signalreichen Materials j e Volumeneinheit des Prüferkörpers über das Volumen des Prüfkörpers variiert wird, sodass die resultierende Intensität ( Grauwert ) in der MRT- Aufnahme des Prüfkörpers variiert .

Unterschiedliche Helligkeitsstufen können bevorzugt dadurch erreicht werden, dass die zusammenhängende Matrix aus einer Viel zahl von gleichförmigen Strukturelementen besteht , deren Querschnittsabmessungen über das Volumen des Prüfkörpers variiert werden . Die zusammenhängende Matrix besteht somit aus einem sich wiederholenden, durch die Formgebung der Strukturelemente bestimmten Muster . Wenn die Matrix beispielsweise als dreidimensionales Gitter ausgebildet ist , sind die Strukturelemente als quaderförmige Gitterelemente ausgebildet , bei denen die Gitterstäbe die Kanten des Quaders ausbilden . Hierbei kann durch Variieren der Querschnittsabmessungen der Gitterstäbe , d . h . deren Dicke , das Volumen verändert werden, das die Gitterelemente einnehmen, wodurch das Verhältnis zwischen dem anteiligen Volumen der Matrix und dem anteiligen Volumen des in den Hohlräumen der Matrix angeordneten anderen Materials und damit die Helligkeit der MRT-Aufnahme in der j eweiligen Region verändert werden .

Bevorzugt weisen die Strukturelemente eine maximale Ausdehnung in allen drei Raumrichtungen von kleiner oder gleich 1mm, bevorzugt kleiner 0 , 5mm auf , damit diese unterhalb der Auflösungsgrenze des Magnetresonanztomographen liegt .

Die additive Fertigung des Prüfkörpers kann mit herkömmlichen 3D-Druckverf ahren erfolgen, wie z . B . mittels eines Fused Deposition Modeling ( FDM) -Druckverfahrens , eines stereolithografischen Druckverfahrens oder eines Multi Jet Moulding (MJM) -Druckverfahrens .

Bevorzugte Ausbildungen des Signalarmen Materials umfassen thermoplastische und UV-härtende Kunststof fe ohne wässrige und ölige Additive .

Bevorzugte Ausbildungen des signalreichen Materials umfassen wässrige oder ölhaltige Materialmischung, vorzugsweise solche , die Gel bilden .

Gemäß einem weiteren Aspekt betri f ft die Erfindung einen Prüfkörper, hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahren, umfassend eine erste Struktur aus einem Signalarmen verfestigten Material und eine zweite Struktur aus einem signalreichen Material , wobei die erste oder die zweite Struktur als zusammenhängende Matrix, insbesondere als dreidimensionales Gitter, ausgebildet ist , in der die andere Struktur verteilt ist .

Bevorzugt liegt das signalreiche Material im Prüfkörper in fließ fähigem oder gelartigen Zustand vor .

Wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt , kann der Anteil des signalreichen Materials j e Volumeneinheit des Prüfkörpers über das Volumen des Prüfkörpers variieren .

Die zusammenhängende Matrix des Prüfkörpers besteht vorzugsweise aus einer Viel zahl von gleichförmigen Strukturelementen, deren Querschnittsabmessungen über das Volumen des Prüfkörpers variieren . Gemäß einer bevorzugten Ausbildung bildet die zweite Struktur die zusammenhängende Matrix, wobei eine die Matrix einhüllende Hüllstruktur des Prüfkörpers aus dem Signalarmen Material besteht .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Aus führungsbeispielen näher erläutert . In dieser zeigen Fig . 1 den Ausschnitt eines Prüfkörpers , Fig . 2 ein Strukturelement des Prüfkörpers in einer ersten Ausbildung, Fig . 3 ein Strukturelement des Prüfkörpers in einer zweiten Ausbildung, Fig . 4 eine alternative Ausbildung eines Prüfkörpers in einer Querschnittsansicht , Fig . 5 MRT-Aufnahmen von unterschiedliche Helligkeitsstufen ergebenden Prüfkörpern in einer Gegenüberstellung zu einer MRT— Aufnahme des menschlichen Kopfes und Fig . 6a und 6b MRT-Sschnittbilder eines erfindungsgemäßen Prüfkörpers .

Fig . 1 zeigt ausschnittsweise einen erfindungsgemäßen Prüfkörper 1 , der aus einem Signalarmen Material und einem signalreichen Material mittels eines 3D-Druckverf ährens herstellbar ist . Der Prüfkörper umfasst eine erste Struktur 2 in Form eines dreidimensionalen Gitters bzw . einer Matrix, die aus dem Signalarmen verfestigten Material gedruckt wurde . In der ersten Struktur 2 ist eine zweite Struktur 3 verteilt , welche aus dem signalreichen Material besteht , das die Hohlräume der ersten Struktur 2 aus füllt . Das signalreiche Material wird während des schichtweisen Aufbaus des Prüfkörpers zwischen den von der ersten Struktur eingenommenen Bereichen nach Art eines Stützmaterials angeordnet , das nicht verfestigt wird . Der Prüfkörper gemäß Fig . 1 kann als Aneinanderreihung einer Viel zahl miteinander verbundener gelichf örmiger Strukturelemente 4 betrachtet werden, die j eweils ein Volumenelement 5 des Prüfkörpers 1 einnehmen . Ein Volumenelement 5 mit einem entsprechenden Strukturelement 4 ist in den Fig . 2 und 3 dargestellt .

Anhand der Fig . 2 und 3 wird weiters gezeigt , wie der Anteil des signalreichen Materials j e Volumeneinheit des Prüfkörpers variiert werden kann, um die in der MRT-Aufnahme erreichbare Helligkeitsstufe einstellen zu können . Es versteht sich, dass die MRT-Aufnahme in einem Volumenbereich des Prüfkörpers umso heller ist , j e höher der Anteil des signalreichen Materials in diesem Volumenbereich ist . In der Ausbildung gemäß Fig . 2 sind die Gitterstäbe des dreidimensionalen Gitters mit einem geringeren Querschnitt als in Fig . 3 ausgebildet . Daraus folgt , dass das signalreiche Material bei der Ausbildung gemäß Fig . 2 einen höheren Volumenanteil einnimmt als bei der Ausbildung gemäß Fig . 3 .

Fig . 4 zeigt eine alternative Ausbildung des Prüfkörpers 1 in einer Querschnittsansicht , bei der die aus dem signalreichen Material bestehende zweite Struktur 7 als zusammenhängende dreidimensionale Matrix ausgebildet ist , in dem aus dem Signalarmen Material gedruckte feste Elemente 8 verteilt sind . Die zweite Struktur 7 ist von einer Hülle 9 aus elastischem Material umgeben . Die festen Elemente 8 können, wie in Fig . 4 gezeigt , quaderförmig ausgebildet sein . Sie können alternativ aber auch andere Formen aufweisen, wie z . B . Kugeln und dgl .

Der Vorteil der in Fig . 4 dargestellten Ausbildung liegt in der zusätzlichen Nachbildung der haptischen Eigenschaften des j eweiligen biologischen Körpers . Die Matrix 7 aus dem signalreichen, fließ fähigen ( z . B . gelartigen oder viskosen) Material verleiht dem Prüfkörper 1 eine nachgiebige Struktur . Je größer der Volumenanteil des signalreichen Materials ist , desto weicher fühlt sich der Prüfkörper 1 an . Dies stimmt insofern mit der Realität überein, als biologische Körperteile , die in der MRT-Aufnahme heller erscheinen, wegen ihres höheren Wasseranteils ebenfalls weicher sind als Körperbereiche , die feste Strukturen, wie z . B . Knochen, aufweisen .

Ein Prüfkörper kann nun über sein gesamtes Volumen gleichmäßig aufgebaut sein, sodass der Anteil des signalreichen Materials überall gleich hoch ist . Ein solcher Prüfkörper ergibt in der MRT-Aufnahme einen gleichmäßigen Helligkeitswert . Dies ist auf der rechten Häl fte der Fig . 5 anhand von testweise hergestellten Prüfkörpern 1 dargestellt , wobei j eder der dargestellten Prüfkörper 1 einen anderen Volumenanteil des signalreichen Materials aufweist und in der MRT-Aufnahme daher einen anderen Helligkeitswert ergibt .

In einer anderen Anwendung sollen j edoch Prüfkörper hergestellt werden, mit welchen die bei realen biologischen Strukturen 6 (MRT-Aufnahme eines menschlichen Kopfes ) erzielbaren Kontrastunterschiede nachgeahmt werden sollen, wie dies in der linken Häl fte der Fig . 5 beispielhaft gezeigt ist . Ein solcher Prüfkörper wird daher so gedruckt , dass ortsabhängig der der j eweiligen Helligkeitsabstufung entsprechende Anteil des signalreichen Materials vorhanden ist , wie dies in Fig . 5 schematisch durch die Pfeile angedeutet ist . Fig . 6a und 6b zeigen MRT-Schnittbilder eines mittels 3D-

Druck hergestellten Prüfkörpers , mit dem die

Helligkeitsabstufungen in MRT-Aufnahmen eines menschlichen Kopfes nachgeahmt wurden . Zu Test zwecken wurden im dargestellten Beispiel lediglich vier unterschiedliche Grauwerte realisiert .