Obliczeniowy ludzki fantom

Obliczeniowe ludzkie fantomy to modele ludzkiego ciała wykorzystywane w analizie komputerowej . Od lat 60. nauk radiologicznych rozwijała i stosowała te modele do badań dozymetrycznych promieniowania jonizującego . Modele te stają się coraz bardziej dokładne w odniesieniu do wewnętrznej struktury ludzkiego ciała.

Wraz z ewolucją komputerów rozwijały się fantomy . Ważnym krokiem było przejście od fantomów opartych na prostych równaniach kwadratowych do fantomów wokselowanych , które były oparte na rzeczywistych obrazach medycznych ludzkiego ciała. Najnowsze modele oparte są na bardziej zaawansowanej matematyce, takiej jak niejednorodna racjonalna B-sklejana (NURBS) i siatki wielokątne , które pozwalają na fantomy 4-D , w których symulacje mogą odbywać się nie tylko w przestrzeni 3-wymiarowej , ale także w czasie.

Fantomy zostały opracowane dla szerokiej gamy ludzi, od dzieci przez młodzież po dorosłych, mężczyzn i kobiety, a także kobiety w ciąży. Przy takiej różnorodności fantomów można przeprowadzać wiele rodzajów symulacji , od dawki otrzymywanej z procedur obrazowania medycznego po medycynę nuklearną . Z biegiem lat wyniki tych symulacji stworzyły szereg standardów, które zostały przyjęte w Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej (ICRP).

Stylizowane fantomy obliczeniowe (pierwszej generacji).

Fantomy obliczeniowe pierwszej generacji zostały opracowane w celu zaspokojenia potrzeby lepszej oceny dawek narządowych z materiałów radioaktywnych zdeponowanych wewnętrznie u pracowników i pacjentów. Do późnych lat pięćdziesiątych ICRP nadal używał bardzo prostych modeli. W tych obliczeniach przyjęto, że każdy narząd ciała jest reprezentowany jako kula o „efektywnym promieniu ”. Założono, że interesujący radionuklid znajduje się w środku kuli i obliczono „skuteczną energię pochłoniętą” dla każdego narządu. Fantomy, takie jak Phantom Sheppa-Logana, były wykorzystywane jako modele ludzkiej głowy podczas opracowywania i testowania algorytmów rekonstrukcji obrazu . Naukowcy podjęli jednak próbę realistycznego modelowania poszczególnych narządów ciała, a docelowo całego ciała człowieka, co doprowadziło do powstania stylizowanych antropomorficznych fantomów przypominających ludzką anatomię .

Ogólnie rzecz biorąc, stylizowany fantom obliczeniowy jest matematyczną reprezentacją ludzkiego ciała, która w połączeniu z komputerowym kodem transportu promieniowania Monte Carlo może być wykorzystana do śledzenia interakcji promieniowania i odkładania się energii w ciele. Funkcja stylizowanego fantomu obliczeniowego jest precyzyjnie dostrajana poprzez dopasowanie poszczególnych parametrów równań matematycznych opisujących objętość, położenie i kształt poszczególnych narządów . Stylizowany fantom obliczeniowy ma długą historię rozwoju od lat 60. do 80. XX wieku.

fantom MIRDa

Fantom MIRD został opracowany przez Fishera i Snydera w Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w latach 60. XX wieku z 22 narządami wewnętrznymi i ponad 100 podregionami. Jest to pierwszy fantom antropomorficzny reprezentujący hermafrodytę do dozymetrii wewnętrznej .

Fantomy pochodzące z MIRD

Seria widmo „Rodzina”.

W oparciu o fantom MIRD opracowano wiele pochodnych fantomów na następne dziesięciolecia. Główne typy fantomów to: stylizowana seria fantomów „Family” opracowana w latach 80. przez Cristy'ego i Eckermana; „ADAM i EVA” opracowany przez GSF, Niemcy; Fantom CAM (Computerized Anatomical Man) opracowany przez NASA , nieznany przez główny nurt społeczności zajmującej się dozymetrią ochrony przed promieniowaniem itp.

Ograniczenie stylizowanego fantomu

Chociaż podjęto wiele wysiłków w celu dywersyfikacji i rozszerzenia jego zastosowań w ochronie przed promieniowaniem , radioterapii i obrazowaniu medycznym , nie można przezwyciężyć jego wrodzonych ograniczeń. Reprezentacja narządów wewnętrznych w tym fantomie matematycznym była prymitywna, ponieważ obejmowała jedynie najbardziej ogólny opis położenia i geometrii każdego narządu. Wraz z udostępnieniem potężnych technologii obrazowania komputerowego i tomograficznego pod koniec lat 80. XX wieku historia zapoczątkowała nową erę fantomów wokselowych .

Fantomy wokselowe (drugiej generacji).

Stylizowane fantomy dostarczały jedynie podstawowych informacji z dużą dozą błędu. Aby osiągnąć postęp, konieczne były dokładniejsze metody symulowania ludzkiego ciała. Aby umożliwić dalsze badania, technologia komputerowa musiała stać się potężniejsza i łatwiej dostępna. Nastąpiło to dopiero w latach 80. Prawdziwy przełom nastąpił, gdy do tomografii komputerowej (CT) i rezonansu magnetycznego (MRI) mogły generować bardzo dokładne obrazy narządów wewnętrznych w trzech wymiarach i formacie cyfrowym. Naukowcy odkryli, że mogą pobrać te diagnostyczne i przekształcić je w format woksela (piksel wolumetryczny), zasadniczo odtwarzając ludzkie ciało w formie cyfrowej w 3D. Obecnie istnieje ponad 38 ludzkich fantomów w formacie wokseli, do wielu różnych zastosowań.

Wyzwania dla wdrożenia

Dwa główne problemy związane z rozwojem fantomów referencyjnych to trudność w uzyskaniu użytecznych obrazów i obsłudze dużej ilości danych utworzonych z tych obrazów. Skany tomografii komputerowej dostarczają organizmowi ludzkiemu dużą dawkę promieniowania jonizującego – coś, co fantom obliczeniowy miał przede wszystkim ominąć. Przetwarzanie obrazów MRI zajmuje dużo czasu. Co więcej, większość skanów pojedynczego pacjenta obejmuje tylko niewielką część ciała, podczas gdy pełna seria skanów jest potrzebna do uzyskania użytecznych danych. Obsługa tych danych jest również trudna. Podczas gdy nowsze komputery miały dyski twarde wystarczająco duże do przechowywania danych, wymagania dotyczące pamięci do przetwarzania obrazów do pożądanego rozmiaru woksela były często zbyt wysokie.

Podstawowy proces tworzenia fantomu wokselowego

Chociaż opracowano wiele fantomów wokseli, wszystkie one podążały podobną ścieżką do ukończenia. Najpierw muszą uzyskać surowe dane ze skanów tomografii komputerowej, obrazowania MRI lub bezpośredniego obrazowania za pomocą fotografii. Po drugie, elementy ciała muszą być podzielone na segmenty lub zidentyfikowane i oddzielone od reszty. Po trzecie, należy określić gęstość każdego składnika wraz ze składem każdego z nich. Wreszcie, dane muszą zostać ujednolicone w jedną strukturę 3D, aby można je było wykorzystać do analizy.

Wczesne zmiany

Najwcześniejsze prace nad wokselizowanymi fantomami przeprowadzono niezależnie, mniej więcej w tym samym czasie, przez dr Gibbsa z Vanderbilt University i dr Zankla w National Research Center for Environment and Health (GSF) w Niemczech. Miało to miejsce około 1982 roku. Praca dr Gibba rozpoczęła się od rentgenowskich , a nie tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego, w celu rekonstrukcji ludzkiego fantomu, który był używany do symulacji dawki medycznej . M. Zankl i jego zespół wykorzystali tomografię komputerową do stworzenia 12 fantomów, od DZIECKA do WIDOCZNEGO CZŁOWIEKA.

Postępy w projektowaniu fantomów wokselowych według krajów

  • Stany Zjednoczone
    • Dr Zubal i zespół z Yale University opracowali fantom VoxelMan w 1994 roku. Ten oryginalny fantom był kompletny tylko od głowy do tułowia i został zaprojektowany specjalnie w celu udoskonalenia medycyny nuklearnej. Od czasu jego początkowego rozwoju został ulepszony, aby zawierał ręce i nogi, aby reprezentował całe ludzkie ciało, a także ukończono dedykowaną głowę, która wyznacza małe wewnętrzne podstruktury mózgu.
    • W 2000 roku dr George Xu i dwóch studentów z Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) stworzyli fantom VIP-Man na podstawie danych uzyskanych z National Library of Medicine (NLM) Visible Human Project (VHP). Ten fantom był jak dotąd najbardziej złożonym modelem, zawierającym ponad 3,7 miliarda wokseli. Model ten był wykorzystywany w wielu badaniach dotyczących fizyki zdrowia i fizyki medycznej.
    • Dr Bolch i zespół z University of Florida stworzyli zestaw fantomów pediatrycznych w latach 2002-2006. Dziecięce fantomy obliczeniowe były do ​​tego momentu bardzo niedostatecznie reprezentowane. Zespół opracował modele od noworodków do nastolatków.
    • Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) opracowała oparte na wokselach wirtualne rodzinne fantomy ciała do badania dawki promieniowania rentgenowskiego. Dr Gu i dr Kyprianou udoskonalili części serca za pomocą męskich/żeńskich fantomów obliczeniowych serca o wysokiej rozdzielczości (oba oparte na wokselach/siatkach) w 2011 roku. Głównym wkładem jest to, że poziom szczegółowości tętnic wieńcowych jest widoczny w tych fantomach.
  • Brazylia
  • Wielka Brytania
    • Fantom NORMAN został opracowany przez zespół kierowany przez dr Dimbylowa. Zostało to stworzone na podstawie analizy obrazów rezonansu magnetycznego mężczyzny w 1996 roku. W 2005 roku zespół stworzył kobiecy fantom.
  • Australia
    • Na Uniwersytecie Flindersa dr Caon i zespół stworzyli fantom tułowia, aby symulować nastolatkę w 1999 roku. Fantom nazywał się ADELAIDE. To był jedyny fantom nastoletniej kobiety przez wiele lat.
  • Japonia
  • Korea
    • Wiele komputerowych fantomów zostało stworzonych w Korei od 2004 roku przez dr. Lee i Kim. Powstały fantomy męskie i żeńskie. High-Definition Reference Korean (HDRK) został stworzony z kolorowych zdjęć zwłok, podobnie jak konstrukcja fantomu VIP-Mana z RPI.
  • Chiny
    • W połowie 2000 roku chiński rząd zezwolił na stworzenie własnej wersji VHP. Dane zostały wykorzystane przez dr Zhanga i zespół z Chińskiego Instytutu Ochrony przed Promieniowaniem do stworzenia fantomu CNMAN, najdokładniejszego jak dotąd fantomu obliczeniowego.
  • Niemcy
    • M. Zankl i współpracownicy wykorzystali obrazy CT do skonstruowania różnych indywidualnych fantomów wokselowych, w tym trzech fantomów pediatrycznych i kobiety w 24. tygodniu ciąży.

Ostatnie zmiany

Fantom statystyczny

Przedstawiono ramy obliczeniowe, oparte na statystycznym modelowaniu kształtu, do konstruowania modeli narządów specyficznych dla rasy na potrzeby wewnętrznej dozymetrii radionuklidów i innych zastosowań w medycynie nuklearnej. Proponowana technika wykorzystana do stworzenia fantomu statystycznego specyficznego dla rasy zachowuje realizm anatomiczny i zapewnia parametry statystyczne do zastosowania w dozymetrii radionuklidów.

Fantom reprezentacji granicznej (trzeciej generacji).

reprezentacji granicznej (BREP) to obliczeniowe modele człowieka, które zawierają zewnętrzne i wewnętrzne cechy anatomiczne ludzkiego ciała przy użyciu metody reprezentacji granicznej. W dziedzinie zdrowia i fizyki medycznej są one wykorzystywane przede wszystkim do dozymetrii promieniowania jonizującego .

W rozwoju komputerowych fantomów ludzkich szczególnie interesująca jest koncepcja „odkształcalnego” fantomu, którego geometrię można wygodnie przekształcić, aby pasowała do określonych kształtów, objętości lub pozycji ciała organów fizycznych. Projektowanie tego typu fantomów realizowane jest metodą Non-Uniform Rational B-Spline (NURBS) lub metodą siatek wielokątnych, które zwykle nazywane są zbiorczo metodami BREP. W porównaniu z fantomami wokselowymi, fantomy BREP lepiej nadają się do deformacji i regulacji geometrii, ponieważ dostępny jest większy zestaw skomputeryzowanych operacji, takich jak wytłaczanie , fazowanie , mieszanie, kreślenie , łuskanie i poprawianie . Główną zaletą fantomów BREP jest ich zdolność do przekształcania się w istniejący fantom referencyjny lub w anatomię prawdziwego pracownika lub pacjenta, co umożliwia indywidualne obliczenie dawki.

Fantom oparty na NURBS

Powierzchnie niejednorodnego racjonalnego fantomu opartego na B-sklejanym (NURBS) są definiowane przez równania NURBS, które są formułowane przez zestaw punktów kontrolnych. Kształt i objętość powierzchni NURBS zmieniają się wraz ze współrzędnymi punktów kontrolnych . Ta funkcja jest przydatna przy projektowaniu modeli 4D ludzkiego ciała zależnych od czasu . Przykładem są fantomy NCAT autorstwa Segarsa i wsp., które służą do symulacji ruchów serca i oddechu z bardziej realistycznym modelowaniem układu sercowego.

Fantom oparty na wielokątnej siatce

Siatka wielokątna składa się z zestawu wierzchołków , krawędzi i ścian , które określają kształt obiektu wielościennego w przestrzeni 3D . Powierzchnie fantomu są zdefiniowane przez dużą liczbę wielokątnych siatek, najczęściej trójkątów. Wielokątna siatka ma trzy niezwykłe zalety w opracowywaniu fantomów całego ciała. Po pierwsze, powierzchnie siatkowe przedstawiające anatomię człowieka można w wygodny sposób uzyskać z rzeczywistych obrazów pacjentów lub komercyjnych modeli siatkowych anatomii człowieka. Po drugie, fantom oparty na wielokątnej siatce ma znaczną elastyczność w dostosowywaniu i dostrajaniu swojej geometrii, umożliwiając symulację bardzo złożonych anatomii. Po trzecie, wiele komercyjnych do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), takich jak Rhinoceros , AutoCAD , Visualization Toolkit (VTK), zapewnia wbudowane funkcje umożliwiające szybkie przekształcenie siatek wielokątnych w NURBS.

Rozwój

Rzeczywiste dane dotyczące ruchu (po lewej) są pozyskiwane na platformie przechwytywania ruchu (w środku) i wykorzystywane do określenia pozycji fantomu CHAD (po prawej)

Segars był prekursorem zastosowania NURBS do projektowania fantomów. W 2001 roku w pracy doktorskiej szczegółowo opisał metodę opracowania dynamicznego fantomu sercowo-torsowego (NCAT) opartego na technologii NURBS. Fantom ma model bijącego serca 4D, który został wyprowadzony z danych oznaczonych 4D (MRI). Pozostałe narządy w torsie fantomu zostały zaprojektowane w oparciu o Visible Human Project i składały się z trójwymiarowych powierzchni NURBS. Ruch oddechowy został również włączony do tego fantomu.

W 2005 roku Xu i in. w Rensselaer Polytechnic Institute wykorzystał fantom 3D VIP-Man do symulacji ruchów oddechowych poprzez przyjęcie bramkowanych danych dotyczących ruchu oddechowego fantomu NCAT. Fantom klatki piersiowej 4D VIP-Man został wykorzystany do badania leczenia wiązką zewnętrzną u pacjenta z rakiem płuc . W 2007 roku grupa badawcza Xu poinformowała o stworzeniu serii fantomów opartych na wielokątach przedstawiających kobietę w ciąży i jej płód pod koniec 3, 6 i 9 miesiąca ciąży (RPI Pregnant Females). Dane siatki zostały początkowo uzyskane z oddzielnych źródeł informacji anatomicznych, w tym kobiety nie będącej w ciąży, zestawu danych CT kobiety w 7 miesiącu ciąży oraz modelu siatki płodu. W 2008 roku powstały dwa trójkątne fantomy oparte na siatce, nazwane RPI Deformable Adult Male and Female (RPI-AM, RPI-FM). Parametry anatomiczne fantomów zostały ujednolicone z dwoma zbiorami danych: masa i gęstość narządów wewnętrznych pochodziły z ICRP-23 i ICRP-89, a dane dotyczące wzrostu i masy ciała całego ciała uzyskano z National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES 1999–2002). Później, aby zbadać związek między rozmiarem piersi a dozymetrią płuc, wyprodukowano nową grupę fantomów poprzez zmianę geometrii piersi RPI-AF.

W latach 2006-2009 naukowcy z University of Florida zaprojektowali łącznie dwanaście „hybrydowych” fantomów męskich i żeńskich, reprezentujących noworodków, 1-, 5-, 10- i 15-letnich oraz dorosłych mężczyzn / kobiet. Fantomy są określane jako „ hybrydowe ”, ponieważ większość narządów i tkanek została wymodelowana za pomocą powierzchni NURBS, podczas gdy szkielet, mózg i drogi oddechowe poza klatką piersiową zostały wymodelowane za pomocą powierzchni wielokątnych. Parametry anatomiczne fantomów zostały dopasowane do 4 referencyjnych zestawów danych, tj. standardowych antropometrycznych , referencyjnych mas narządów z Publikacji 89 ICRP, referencyjnych składów pierwiastków podanych w ICRP 89 oraz ICRU Report 46 oraz danych referencyjnych dotyczących narządów przewodu pokarmowego podanych w publikacjach ICRP 89 i 100.

W 2008 roku naukowcy z Vanderbilt University we współpracy z naukowcami z Duke University opracowali rodzinę fantomów dla dorosłych i dzieci, dostosowując fantomy NCAT dorosłych mężczyzn i kobiet oparte na NURBS. Do dostosowania powierzchni NURBS zastosowano wzorcowe wartości ciała i narządów ICRP-89.

W 2009 roku Cassola i in. na Uniwersytecie Federalnym w Pernambuco w Brazylii opracowali parę fantomów opartych na wielokątnej siatce w pozycji stojącej, FASH (siatka dorosłych kobiet) i MASH (siatka dorosłych mężczyzn). Metodologia jest bardzo podobna, choć nie do końca identyczna, do zastosowanej przy projektowaniu RPI-AM i RPI-FM.

W 2010 r. na podstawie istniejącego RPI-AM naukowcy z RPI kontynuowali tworzenie kolejnych 5 fantomów o różnym wskaźniku masy ciała (BMI) w zakresie od 23 do 44 kg∙m-2. Fantomy te służą do badania korelacji między BMI a dawkami narządowymi wynikającymi z badań CT i pozytonowej tomografii emisyjnej (PET).

W 2011 roku naukowcy z Hanyang University w Korei zgłosili koreańskiego męskiego fantoma o wielokątnej powierzchni (PSRK-Man). Ten fantom został skonstruowany przez przekształcenie widzialnego koreańskiego człowieka-człowieka (VKH-man) w wielokątny fantom oparty na siatce. Wzrost, wagę, geometrię narządów i tkanek dostosowano tak, aby odpowiadały koreańskim danym referencyjnym. Bez wokselizacji PSRK-man mógłby być bezpośrednio zaimplementowany w Geant4 Monte Carlo przy użyciu wbudowanej funkcji, ale czas obliczeń był 70 ~ 150 razy dłuższy niż wymagany przez High Definition Reference Korean-Man (HDRK-Man), wokselowany fantom wywodzący się również od VKH-man.

W 2012 roku naukowcy z RPI opracowali fantom Computational Human for Animated Dosimetry (CHAD), skonstruowany w taki sposób, aby można było regulować jego postawę w połączeniu z danymi uzyskanymi za pomocą systemu przechwytywania ruchu . Ten fantom można wykorzystać do symulacji ruchu pracownika biorącego udział w scenariuszu wypadku zawodowego lub wypadku jądrowego, co pozwala naukowcom zrozumieć wpływ zmiany postawy podczas ruchu pracownika na dawkę promieniowania.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Computational_human_phantom&oldid=1089305027 ”