DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1719551
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41725985
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: Adrián Belarra وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأشعة الرقمية وتصوير الثدي
نظرة عامة
يقدم هذا القسم من ورقة البحث إطارًا لتوصيف معامل التوهين الفعال للأشعة السينية ($\mu_{\text{eff}}$) لمجموعة متنوعة من البوليمرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد مقارنةً بالمواد القياسية المعادلة لأنسجة الثدي في سياق التصوير الشعاعي الرقمي (DM) وتوموسينثيسيس الثدي الرقمي (DBT). تتناول الدراسة التحدي المتمثل في نقص الطرق القياسية لتقييم خصائص التوهين للمواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد تحت ظروف التصوير السريرية. تم استخدام إعداد تجريبي لقياس $\mu_{\text{eff}}$ لستة بوليمرات مختلفة (PLA، PET، الراتنج، ABS، ABS+، HIPS) جنبًا إلى جنب مع المواد المرجعية باستخدام نظامين تجاريين من DM/DBT. أشارت النتائج إلى أن تصلب الشعاع والتشتت قلل بشكل كبير من $\mu_{\text{eff}}$، حيث ساهم التشتت بشكل كبير في هذا الانخفاض، خاصة في عمليات الاستحواذ بدون شبكة مضادة للتشتت.
تكشف النتائج أن بعض المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد تظهر خصائص توهين قابلة للمقارنة مع المراجع المعادلة لأنسجة الثدي عبر إعدادات تصوير مختلفة. على وجه التحديد، يتماشى PLA مع نسبة غدية/دهنية للثدي (BR) تبلغ 100/0، بينما تتوافق PET والراتنج مع BR 70/30 أو PMMA، ويقع ABS+ بين BR 30/70 وBR 50/50. أظهر النموذج التجريبي المستخدم في الدراسة دقة عالية (R² > 0.99) في ملاءمة البيانات، مما يسمح باشتقاق نسب غدية معادلة. تختتم الدراسة بأن أنظمة التصوير الشعاعي السريرية الروتينية يمكن أن تصف بفعالية المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد كبدائل للأنسجة، مما يسهل إنتاج أشباح الثدي المخصصة لتحسين تقييم جودة الصورة في البيئات السريرية.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الدور الحاسم لتقييم جودة الصورة في أنظمة التصوير الطبي، لا سيما في طرق تصوير الثدي مثل التصوير الشعاعي الرقمي (DM)، وتوموسينثيسيس الثدي الرقمي (DBT)، والتصوير الشعاعي المعزز بالتباين (CEM)، والتصوير المقطعي المحوسب للثدي (bCT). مع تطور هذه التقنيات، تنتج بيانات متعددة الأنماط بشكل متزايد، مما يستلزم وجود طرق قوية لتقييم جودة الصورة لضمان تشخيصات دقيقة. تسلط الورقة الضوء على قيود الأشباح التقليدية، التي غالبًا ما تفشل في تكرار الخلفيات غير المتجانسة للصور السريرية للثدي، مما يعيق اكتشاف الآفات. لمعالجة ذلك، يقترح المؤلفون استخدام أشباح الثدي الرقمية الأنثروبومورفية، المعززة بتقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، لمحاكاة الخصائص التشريحية والإشعاعية لأنسجة الثدي بشكل أفضل.
تركز الدراسة على التحديد التجريبي لمعاملات التوهين الفعالة ($\mu_{\text{eff}}$) لمجموعة متنوعة من المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طيف الأشعة السينية السريرية من نظامين مختلفين من DM وDBT. تم استخدام نموذج خطوة-وتد لتقييم ملاءمة هذه المواد في محاكاة توهين أنسجة الثدي، مقارنةً بقيم $\mu_{\text{eff}}$ الخاصة بها مع المعايير المعادلة لأنسجة الثدي المعتمدة. تأخذ البحث أيضًا في الاعتبار تأثير الإشعاع المتناثر وتصلب الشعاع على معاملات التوهين، بهدف تطوير منهجية بسيطة لتوصيف هذه الخصائص تحت ظروف ذات صلة سريرية. يهدف هذا النهج إلى تسهيل إنتاج أشباح أنثروبومورفية أكثر دقة لتحسين تقييم جودة الصورة في تصوير الثدي.
طرق
في هذه الدراسة، تم تقييم مجموعة متنوعة من المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد لاستخدامها المحتمل في إنشاء أشباح أنثروبومورفية للثدي للتصوير الشعاعي. شملت المواد حمض البولي لاكتيك (PLA)، بوليسترين عالي التأثير (HIPS)، بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، راتنج، وبولي أكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS)، مع ملاحظات محددة لكثافة كل منها. تم تصميم وطباعة نموذج خطوة-وتد باستخدام طابعتين FDM وطابعة SLS واحدة، مع تحسين المعلمات لتعزيز تجانس التوهين. ثم تم تصوير خطوة-وتد المطبوعة باستخدام نظامين سريريين للأشعة السينية للثدي، Hologic 3Dimensions وSiemens Mammomat Inspiration، تحت ظروف مختلفة لقياس معاملات التوهين الفعالة للأشعة السينية ($\mu_{eff}$) عبر سماكات مختلفة.
أشارت النتائج إلى أن قيم $\mu_{eff}$ انخفضت باستمرار مع زيادة سماكة المادة، حيث أظهرت المواد المرجعية التي تحاكي تركيبات غدية أعلى قيم $\mu_{eff}$ أكبر. من الجدير بالذكر أن إزالة الشبكة المضادة للتشتت قللت بشكل كبير من $\mu_{eff}$ عبر جميع المواد. أظهرت التزاوجات بين المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد والمواد المرجعية اختلافات نسبية في $\mu_{eff}$ ضمن ±6% عبر ظروف الاستحواذ المختلفة، مما يشير إلى أن بعض المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد يمكن أن تحاكي بفعالية خصائص التوهين لأنسجة الثدي. أكدت التحليلات الإحصائية أنه لم تكن هناك اختلافات كبيرة في قيم $\mu_{eff}$ بين نظامي التصوير، مما يدعم معادلة المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد مع المواد المرجعية التقليدية في التصوير الشعاعي.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الإجراءات التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في النتائج المستهدفة، مع حساب أحجام التأثير لت quantifying حجم هذه التغييرات. تمثل الرسوم البيانية، مثل الرسوم البيانية الشريطية ومخططات التشتت، الاتجاهات الملاحظة، مما يعزز قوة النتائج. بشكل عام، توفر النتائج دليلًا مقنعًا يدعم الفرضيات المطروحة في بداية البحث.
المناقشة
تتناول قسم المناقشة من ورقة البحث توضيح خصائص توهين الأشعة السينية للمواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد في أنظمة التصوير الشعاعي، باستخدام قانون بير-لامبرت كإطار نظري. تسلط الدراسة الضوء على التحديات التي تطرحها تأثيرات تصلب الشعاع والتشتت على معامل التوهين الفعال للأشعة السينية ($\mu_{\text{eff}}$)، والتي تم تناولها من خلال نموذج تجريبي ذو معلمين. هذا النموذج، الذي يُعرف بـ $\mu_{\text{eff}}(t) = \mu_0(1 + kt)$، يلتقط بشكل فعال الانخفاض الأحادي لـ $\mu_{\text{eff}}$ مع زيادة السماكة، حيث تظهر المعلمات $\mu_0$ و$k$ ارتباطًا عاليًا (R² > 0.99) مع البيانات التجريبية. تشير النتائج إلى أن المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد الشائعة مثل PLA وPET وABS+ يمكن أن تحاكي سلوك التوهين لمختلف تركيبات أنسجة الثدي، مما يسهل تطوير أشباح أنثروبومورفية للتطبيقات السريرية.
تؤكد الدراسة أيضًا على قوة معادلات المواد عبر أنظمة التصوير الشعاعي المختلفة، مما يشير إلى أن قيم $\mu_0$ المستمدة يمكن أن تعمل كمتنبئات موثوقة لنسب غدية معادلة للمواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد. من الجدير بالذكر أن النتائج تظهر أن غياب شبكة مضادة للتشتت يؤثر بشكل كبير على $\mu_{\text{eff}}$، مما يعزز أهمية ظروف التصوير المضبوطة. بشكل عام، توفر هذه الدراسة إطارًا عمليًا لتوصيف المواد المطبوعة ثلاثية الأبعاد في البيئات السريرية، مما يمهد الطريق لإنتاج أشباح مخصصة تعزز تقييم جودة التصوير في التصوير الشعاعي.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1719551
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41725985
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): Adrián Belarra et al.
Primary Topic: Digital Radiography and Breast Imaging
Overview
This research paper section presents a framework for characterizing the effective X-ray attenuation coefficient ($\mu_{\text{eff}}$) of various 3D-printed polymers compared to standard breast tissue-equivalent materials in the context of digital mammography (DM) and digital breast tomosynthesis (DBT). The study addresses the challenge of lacking standardized methods for assessing the attenuation properties of 3D-printed materials under clinical imaging conditions. An experimental setup was utilized to measure $\mu_{\text{eff}}$ for six different polymers (PLA, PET, resin, ABS, ABS+, HIPS) alongside reference materials using two commercial DM/DBT systems. The results indicated that beam hardening and scatter significantly reduced $\mu_{\text{eff}}$, with scatter contributing substantially to this reduction, particularly in acquisitions without an anti-scatter grid.
The findings reveal that certain 3D-printed materials exhibit attenuation properties comparable to breast tissue-equivalent references across various imaging settings. Specifically, PLA aligns with a breast glandular/adipose ratio (BR) of 100/0, while PET and resin correspond to BR 70/30 or PMMA, and ABS+ falls between BR 30/70 and BR 50/50. The empirical model used in the study demonstrated high accuracy (R² > 0.99) in fitting the data, allowing for the derivation of equivalent glandular proportions. The study concludes that routine clinical mammography systems can effectively characterize 3D-printed materials as tissue surrogates, facilitating the production of customized breast phantoms for enhanced image quality assessment in clinical settings.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical role of image quality evaluation in medical imaging systems, particularly in breast imaging modalities such as digital mammography (DM), digital breast tomosynthesis (DBT), contrast-enhanced mammography (CEM), and breast computed tomography (bCT). As these technologies evolve, they produce increasingly complex multimodal data, necessitating robust methods for assessing image quality to ensure accurate diagnoses. The paper highlights the limitations of conventional phantoms, which often fail to replicate the heterogeneous backgrounds of clinical breast images, thereby hindering lesion detection. To address this, the authors propose the use of digital anthropomorphic breast phantoms, enhanced by 3D printing technologies, to better simulate the anatomical and radiological properties of breast tissues.
The study focuses on the experimental determination of effective attenuation coefficients ($\mu_{\text{eff}}$) for various 3D-printed materials using clinical X-ray spectra from two different DM and DBT systems. A step-wedge model was employed to assess the suitability of these materials in mimicking breast tissue attenuation, comparing their $\mu_{\text{eff}}$ values against established breast tissue-equivalent standards. The research also considers the impact of scattered radiation and beam hardening on the attenuation coefficients, aiming to develop a straightforward methodology for characterizing these properties under clinically relevant conditions. This approach is intended to facilitate the production of more accurate anthropomorphic phantoms for improved image quality assessment in breast imaging.
Methods
In this study, a variety of 3D-printed materials were evaluated for their potential use in creating anthropomorphic breast phantoms for mammography. The materials included polylactic acid (PLA), high impact polystyrene (HIPS), polyethylene terephthalate (PET), resin, and acrylonitrile butadiene styrene (ABS), with specific densities noted for each. A step-wedge model was designed and printed using two FDM printers and one SLS printer, optimizing parameters to enhance attenuation uniformity. The printed step-wedges were then imaged using two clinical breast X-ray systems, Hologic 3Dimensions and Siemens Mammomat Inspiration, under various conditions to measure the effective X-ray attenuation coefficients ($\mu_{eff}$) across different thicknesses.
The results indicated that $\mu_{eff}$ values decreased consistently with increasing material thickness, with reference materials simulating higher glandular compositions exhibiting greater $\mu_{eff}$ values. Notably, the removal of the anti-scatter grid significantly reduced $\mu_{eff}$ across all materials. Pairings of 3D-printed materials with reference materials showed relative differences in $\mu_{eff}$ within ±6% across various acquisition conditions, suggesting that certain 3D-printed materials can effectively mimic the attenuation properties of breast tissues. Statistical analysis confirmed that there were no significant differences in $\mu_{eff}$ values between the two imaging systems, supporting the equivalence of 3D-printed materials to traditional reference materials in mammographic imaging.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical procedures employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to measurable improvements in the targeted outcomes, with effect sizes calculated to quantify the magnitude of these changes. Graphical representations, such as bar charts and scatter plots, further illustrate the trends observed, reinforcing the robustness of the findings. Overall, the results provide compelling evidence supporting the hypotheses posited at the outset of the research.
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the characterization of X-ray attenuation properties of 3D-printed materials in mammography systems, utilizing Beer-Lambert’s law as a theoretical framework. The study highlights the challenges posed by beam hardening and scatter effects on the effective X-ray attenuation coefficient ($\mu_{\text{eff}}$), which were addressed through an empirical two-parameter model. This model, defined as $\mu_{\text{eff}}(t) = \mu_0(1 + kt)$, effectively captures the monotonic decrease of $\mu_{\text{eff}}$ with increasing thickness, with parameters $\mu_0$ and $k$ exhibiting high correlation (R² > 0.99) with experimental data. The findings indicate that common 3D-printed materials such as PLA, PET, and ABS+ can replicate the attenuation behavior of various breast tissue compositions, thus facilitating the development of anthropomorphic phantoms for clinical applications.
The study further confirms the robustness of material equivalences across different mammography systems, suggesting that the derived $\mu_0$ values can serve as reliable predictors for equivalent glandular proportions of 3D-printed materials. Notably, the results demonstrate that the absence of an anti-scatter grid significantly impacts $\mu_{\text{eff}}$, reinforcing the importance of controlled imaging conditions. Overall, this research provides a practical framework for the characterization of 3D-printed materials in clinical settings, paving the way for the production of customized phantoms that enhance the evaluation of imaging quality in mammography.