Fantôme humain informatique - Computational human phantom

Les fantômes humains informatiques sont des modèles du corps humain utilisés dans l'analyse informatisée . Depuis les années 1960, la communauté scientifique radiologique a développé et appliqué ces modèles pour les études de dosimétrie des rayonnements ionisants . Ces modèles sont devenus de plus en plus précis en ce qui concerne la structure interne du corps humain.

Au fur et à mesure que l'informatique évoluait, les fantômes ont évolué . Passer de fantômes basés sur des équations quadratiques simples à des fantômes voxélisés , basés sur des images médicales réelles du corps humain, a été une étape majeure. Les modèles les plus récents sont basés sur des mathématiques plus avancées, telles que la B-spline rationnelle non uniforme (NURBS) et les maillages polygonaux , qui permettent des fantômes 4-D où les simulations peuvent avoir lieu non seulement dans l' espace tridimensionnel, mais également dans le temps.

Les fantômes ont été développés pour une grande variété d'humains, des enfants aux adolescents en passant par les adultes, hommes et femmes, ainsi que les femmes enceintes. Avec une telle variété de fantômes, de nombreux types de simulations peuvent être exécutés, de la dose reçue des procédures d'imagerie médicale à la médecine nucléaire . Au fil des ans, les résultats de ces simulations ont créé un assortiment de normes qui ont été adoptées dans les recommandations de la Commission internationale de protection radiologique (CIPR).

Fantômes de calcul stylisés (de première génération)

Les fantômes informatiques de la toute première génération ont été développés pour répondre au besoin de mieux évaluer les doses d' organes provenant de matières radioactives déposées en interne chez les travailleurs et les patients. Jusqu'à la fin des années 50, la CIPR utilisait encore des modèles très simples. Dans ces calculs, chaque organe du corps était supposé être représenté comme une sphère avec un « rayon effectif ». On a supposé que le radionucléide d'intérêt était situé au centre de la sphère et que «l'énergie absorbée effective» était calculée pour chaque organe. Des fantômes tels que le Shepp-Logan Phantom ont été utilisés comme modèles d'une tête humaine dans le développement et le test d' algorithmes de reconstruction d'image . Cependant, les scientifiques ont tenté de modéliser des organes individuels du corps et finalement le corps humain entier de manière réaliste, dont les efforts ont conduit à des fantômes anthropomorphes stylisés qui ressemblent à l' anatomie humaine .

En général, le fantôme de calcul stylisé est une représentation mathématique du corps humain qui, couplée à un code informatique de transport de rayonnement de Monte Carlo , peut être utilisée pour suivre les interactions de rayonnement et le dépôt d'énergie dans le corps. La caractéristique du fantôme de calcul stylisé est finement réglée en ajustant les paramètres individuels des équations mathématiques , qui décrivent le volume, la position et la forme des organes individuels . Le fantôme informatique stylisé a une longue histoire de développement des années 1960 aux années 1980.

Fantôme MIRD

Le fantôme MIRD a été développé par Fisher et Snyder au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dans les années 1960 avec 22 organes internes et plus de 100 sous-régions. C'est le premier fantôme anthropomorphe représentant un adulte hermaphrodite pour la dosimétrie interne .

Fantômes dérivés de MIRD

Série fantôme "Famille"

Basées sur le fantôme MIRD, de nombreuses dérivations de fantômes ont été développées au cours des décennies suivantes. Les principaux types de fantômes comprennent: la série fantôme stylisée "Family" développée dans les années 1980 par Cristy et Eckerman; "ADAM et EVA" développé par GSF, Allemagne; Fantôme CAM (Computerized Anatomical Man) développé par la NASA inconnu de la communauté de dosimétrie de radioprotection, etc.

Limitation du fantôme stylisé

Bien que de nombreux efforts aient été entrepris pour diversifier et étendre ses applications en radioprotection , en radiothérapie et en imagerie médicale , on ne peut surmonter ses limites innées. La représentation des organes internes dans ce fantôme mathématique était grossière, en ne captant que la description la plus générale de la position et de la géométrie de chaque organe. Avec les puissantes technologies d'imagerie informatique et tomographique devenues disponibles à la fin des années 1980, l'histoire a lancé une nouvelle ère de fantômes voxels .

Fantômes Voxel (deuxième génération)

Les fantômes stylisés ne fournissaient que des informations de base avec un grand degré d'erreur. Des méthodes plus précises de simulation d'un corps humain étaient nécessaires pour progresser. Pour permettre des recherches plus poussées, la technologie informatique devait devenir plus puissante et plus facilement disponible. Cela ne s'est produit que dans les années 1980. La véritable percée s'est produite lorsque les appareils de tomodensitométrie (TDM) et d' imagerie par résonance magnétique (IRM) pouvaient générer des images très précises des organes internes en trois dimensions et au format numérique. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient prendre ces données de diagnostic et les transformer en un format voxel (pixel volumétrique), recréant essentiellement le corps humain sous forme numérique en 3D. Aujourd'hui, il existe plus de 38 fantômes humains au format voxel, pour de nombreuses utilisations différentes.

Défis pour la mise en œuvre

Deux problèmes majeurs avec le développement des fantômes de référence sont la difficulté d'obtenir des images utiles et de gérer la grande quantité de données créées à partir de ces images. Les tomodensitogrammes donnent au corps humain une forte dose de rayonnement ionisant - quelque chose que le fantôme de calcul a été conçu pour contourner en premier lieu. Les images IRM prennent beaucoup de temps à traiter. De plus, la plupart des scans d'un seul sujet ne couvrent qu'une petite partie du corps, alors qu'une série de scans complète est nécessaire pour les données utiles. La manipulation de ces données est également difficile. Alors que les nouveaux ordinateurs avaient des disques durs suffisamment grands pour stocker les données, les besoins en mémoire pour traiter les images à la taille de voxel souhaitée étaient souvent trop élevés.

Processus de développement de base d'un fantôme voxel

Bien que de nombreux fantômes voxels aient été développés, ils ont tous suivi un chemin similaire jusqu'à leur achèvement. Tout d'abord, ils doivent obtenir les données brutes, à partir des tomodensitogrammes, de l'imagerie IRM ou de l'imagerie directe par la photographie. Deuxièmement, les composants du corps doivent être segmentés, ou identifiés et séparés du reste. Troisièmement, la densité de chaque composant doit être identifiée, ainsi que la composition de chacun. Enfin, les données doivent être unifiées en une seule structure 3D afin de pouvoir être utilisées pour l'analyse.

Premiers développements

Les premiers travaux sur les fantômes voxélisés ont été réalisés indépendamment à peu près au même moment par le Dr Gibbs, de l'Université de Vanderbilt , et le Dr Zankl du Centre national de recherche pour l'environnement et la santé (GSF) en Allemagne. Cela s'est produit vers 1982. Les travaux du Dr Gibb ont commencé avec des images radiographiques , et non des images tomodensitométriques ou IRM, pour la reconstruction d'un fantôme humain qui a été utilisé pour des simulations de doses médicales . M. Zankl et son équipe ont utilisé l'imagerie CT pour créer 12 fantômes, allant de BABY à VISIBLE HUMAN.

Progrès du design fantôme voxel par pays

  • États Unis
    • Le Dr Zubal et l'équipe de l'Université de Yale ont développé le fantôme VoxelMan en 1994. Ce fantôme original n'était complet que de la tête au torse et a été spécialement conçu pour améliorer la médecine nucléaire. Depuis son développement initial, il a été amélioré pour inclure les bras et les jambes pour représenter un corps humain complet, et une tête dédiée a été achevée qui délimite les petites sous-structures internes du cerveau.
    • En 2000, le Dr George Xu et deux étudiants de l'Institut polytechnique Rensselaer (RPI) ont créé le fantôme VIP-Man à partir de données extraites du Projet humain visible (VHP) de la Bibliothèque nationale de médecine (NLM ). Ce fantôme était le modèle le plus complexe à ce jour, avec plus de 3,7 milliards de voxels. Ce modèle a été utilisé dans de nombreuses études concernant la physique de la santé et la physique médicale.
    • Le Dr Bolch et l'équipe de l' Université de Floride ont créé un ensemble de fantômes pédiatriques de 2002 à 2006. Les fantômes informatiques d'enfants avaient été gravement sous-représentés jusqu'à présent. L'équipe a développé des modèles allant du nouveau-né au milieu de l'adolescence.
    • La Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis a développé des fantômes corporels familiaux virtuels à base de voxel pour l'étude des doses aux rayons X. Le Dr Gu et le Dr Kyprianou ont amélioré les parties du cœur avec des fantômes cardiaques de calcul haute résolution homme / femme (tous deux basés sur le voxel / le maillage) en 2011. La principale contribution est que le niveau de détail des artères coronaires est visible dans ces fantômes.
  • Brésil
  • Royaume-Uni
    • Le fantôme NORMAN a été développé par une équipe dirigée par le Dr Dimbylow. Cela a été créé en analysant des images de résonance magnétique d'un homme humain en 1996. En 2005, l'équipe a créé un fantôme féminin.
  • Australie
    • À l'Université Flinders, le Dr Caon et son équipe ont créé un fantôme de torse pour simuler une adolescente en 1999. Le nom du fantôme était ADELAIDE. Ce fut le seul fantôme féminin adolescente depuis un certain nombre d'années.
  • Japon
  • Corée
    • De nombreux fantômes informatiques ont été créés en Corée depuis 2004 par les Drs. Lee et Kim. Des fantômes masculins et féminins ont été créés. Le coréen de référence haute définition (HDRK) a été créé à partir d'images couleur d'un cadavre, similaire à la construction du fantôme VIP-Man de RPI.
  • Chine
    • Au milieu des années 2000, le gouvernement chinois a autorisé la création de sa propre version du VHP. Les données ont été utilisées par le Dr Zhang et l'équipe de l'Institut chinois de radioprotection pour créer le fantôme CNMAN, le fantôme de calcul le plus précis à ce jour.
  • Allemagne
    • M. Zankl et ses collègues ont utilisé des images tomodensitométriques pour construire une variété de fantômes de voxel individuels, dont trois pédiatriques et une femme à la 24e semaine de grossesse.

DEVELOPPEMENTS récents

Fantôme statistique

Un cadre de calcul a été présenté, basé sur la modélisation statistique de la forme, pour la construction de modèles d'organes spécifiques à la race pour la dosimétrie interne des radionucléides et d'autres applications de médecine nucléaire. La technique proposée utilisée pour créer le fantôme statistique spécifique à la race maintient le réalisme anatomique et fournit les paramètres statistiques à appliquer à la dosimétrie des radionucléides.

Fantôme de représentation des limites (troisième génération)

Les fantômes de représentation des limites (BREP) sont des modèles humains informatiques qui contiennent des caractéristiques anatomiques extérieures et intérieures d'un corps humain à l'aide de la méthode de représentation des limites. Dans le domaine de la santé et de la physique médicale, ils sont principalement utilisés pour la dosimétrie des rayonnements ionisants .

Dans le développement de fantômes humains informatiques, le concept d'un fantôme "déformable" dont la géométrie peut être commodément transformée pour s'adapter à des formes d'organes physiques, des volumes ou des postures corporelles particuliers est d'un intérêt particulier . La conception de ce type de fantôme est réalisée par la méthode NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) ou la méthode de maillage polygonal, généralement appelées méthodes BREP. Comparés aux fantômes voxels, les fantômes BREP sont mieux adaptés à la déformation et à l'ajustement de la géométrie, car un plus grand ensemble d'opérations informatisées est disponible, telles que l' extrusion , le chanfreinage , le mélange, le dessin , le décorticage et l' ajustement . Un avantage majeur des fantômes BREP est leur capacité à se transformer en un fantôme de référence existant ou en l'anatomie d'un vrai travailleur ou patient, ce qui rend possible le calcul de dose spécifique à l'individu.

Fantôme basé sur NURBS

Les surfaces d'un fantôme à base de B-spline rationnelle non uniforme (NURBS) sont définies par des équations NURBS qui sont formulées par un ensemble de points de contrôle. La forme et le volume d'une surface NURBS varient en fonction des coordonnées des points de contrôle . Cette fonctionnalité est utile pour concevoir une modélisation du corps humain 4D en fonction du temps . Un exemple est donné par les fantômes NCAT de Segars et al., Qui sont utilisés pour simuler des mouvements cardiaques et respiratoires avec une modélisation plus réaliste du système cardiaque.

Fantôme basé sur un maillage polygonal

Un maillage polygonal est composé d'un ensemble de sommets , d' arêtes et de faces qui spécifient la forme d'un objet polyédrique dans l'espace 3D . Les surfaces du fantôme sont définies par une grande quantité de maillages polygonaux, le plus souvent des triangles. Le maillage polygonal présente trois avantages remarquables dans le développement de fantômes du corps entier. Premièrement, des surfaces de maillage représentant l'anatomie humaine peuvent être obtenues de manière pratique à partir d'images de patients réels ou de modèles de maillage d'anatomie humaine du commerce. Deuxièmement, le fantôme à maillage polygonal a une flexibilité considérable pour ajuster et affiner sa géométrie, permettant la simulation d'anatomies très complexes. Troisièmement, de nombreux logiciels commerciaux de conception assistée par ordinateur (CAO), tels que Rhinoceros , AutoCAD , Visualization Toolkit (VTK), fournissent des fonctions intégrées capables de convertir rapidement un maillage polygonal en NURBS.

Développement

Les données de mouvement réelles (à gauche) sont acquises sur une plate-forme de capture de mouvement (au centre) et utilisées pour déterminer la posture du fantôme TCHAD (à droite)

Segars a été le précurseur de l'application de NURBS à la conception fantôme. En 2001, sa thèse de doctorat décrivait en détail la méthode de développement d'un fantôme de torse cardiaque dynamique basé sur NURBS (NCAT). Le fantôme a un modèle de cœur battant 4D qui a été dérivé de données étiquetées 4D (IRM). Les organes restants dans le torse du fantôme ont été conçus sur la base de l' ensemble de données CT Visible Human Project et étaient composés de surfaces NURBS 3D. Le mouvement respiratoire a également été incorporé dans ce fantôme.

En 2005, Xu et al. à l'Institut polytechnique de Rensselaer a utilisé le fantôme 3D VIP-Man pour simuler les mouvements respiratoires en adoptant les données de mouvement respiratoire gated du fantôme NCAT. Le fantôme 4D VIP-Man Chest a été utilisé pour étudier la planification du traitement par faisceau externe pour un patient atteint d'un cancer du poumon . En 2007, le groupe de recherche de Xu a rapporté la création d'une série de fantômes à base de polygones représentant une femme enceinte et son fœtus à la fin de 3, 6 et 9 mois de gestation (femmes enceintes RPI). Les données de maillage ont été initialement obtenues à partir de sources d'informations anatomiques distinctes, y compris une femme non enceinte, un ensemble de données CT de femme enceinte de 7 mois et un modèle de maillage du fœtus. En 2008, deux fantômes à maillage triangulaire ont été créés, nommés RPI déformable adulte mâle et femelle (RPI-AM, RPI-FM). Les paramètres anatomiques des fantômes ont été rendus cohérents avec deux ensembles de données: la masse et la densité des organes internes provenant de l'ICRP-23 et de l'ICRP-89, et les données sur la taille et le poids du corps entier ont été obtenues à partir de l' enquête nationale sur la santé et la nutrition. (NHANES 1999–2002). Plus tard, pour étudier la relation entre la taille du sein et la dosimétrie pulmonaire, un nouveau groupe de fantômes a été produit en modifiant la géométrie mammaire du RPI-AF.

De 2006 à 2009, des chercheurs de l' Université de Floride ont conçu un total de douze fantômes mâles et femelles «hybrides», représentant des mâles / femelles nouveau-nés, 1, 5, 10 et 15 ans et adultes. Les fantômes sont considérés comme " hybrides " car la plupart des organes et des tissus ont été modélisés par des surfaces NURBS alors que le squelette, le cerveau et les voies respiratoires extra-thoraciques ont été modélisés par des surfaces polygonales. Les paramètres anatomiques des fantômes ont été ajustés pour correspondre à 4 ensembles de données de référence, à savoir les données anthropométriques standard , les masses d'organes de référence de la publication 89 de la CIPR, les compositions élémentaires de référence fournies dans la CIPR 89 ainsi que le rapport 46 de l'ICRU et les données de référence sur les organes du tube digestif fournies. dans les publications 89 et 100 de la CIPR.

En 2008, des chercheurs de l'Université Vanderbilt , en collaboration avec des chercheurs de l'Université Duke , ont développé une famille de fantômes adultes et pédiatriques en adaptant les fantômes mâles et femelles adultes NCAT basés sur NURBS. Les valeurs du corps de référence et des organes de l'ICRP-89 ont été utilisées pour ajuster les surfaces NURBS.

En 2009, Cassola et al. à l' Université fédérale de Pernambuco , au Brésil, a développé une paire de fantômes à maillage polygonal en posture debout, FASH (Female Adult meSH) et MASH (Male Adult meSH). La méthodologie est très similaire mais pas entièrement identique à celle mise en œuvre dans la conception de RPI-AM et RPI-FM.

En 2010, sur la base du RPI-AM existant, les chercheurs de RPI ont continué à créer 5 fantômes supplémentaires avec un indice de masse corporelle (IMC) différent allant de 23 à 44 kg ∙ m-2. Ces fantômes sont utilisés pour étudier la corrélation entre l'IMC et les doses d'organes résultant d'examens CT et tomographie par émission de positons (TEP).

En 2011, des chercheurs de l'Université de Hanyang , en Corée, ont signalé un fantôme masculin coréen de référence à surface polygonale (PSRK-Man). Ce fantôme a été construit en convertissant le Visible Korean Human-Man (VKH-man) en un fantôme polygonal basé sur un maillage. La taille, le poids, la géométrie des organes et des tissus ont été ajustés pour correspondre aux données coréennes de référence. Sans voxélisation, le PSRK-man pourrait être directement implémenté dans la simulation Geant4 Monte Carlo à l' aide d'une fonction intégrée, mais le temps de calcul était 70 à 150 fois plus long que celui requis par High Definition Reference Korean-Man (HDRK-Man), un voxelized fantôme dérivé également de VKH-man.

En 2012, des chercheurs de RPI ont développé le fantôme Computational Human for Animated Dosimetry (CHAD), structuré de telle sorte que sa posture puisse être ajustée en conjonction avec des données obtenues à l'aide d'un système de capture de mouvement . Ce fantôme peut être utilisé pour simuler le mouvement d'un travailleur impliqué dans un scénario professionnel d'accident nucléaire, permettant aux chercheurs de comprendre l'impact du changement de posture au cours du mouvement du travailleur sur la dose de rayonnement.

Voir également

Les références

Liens externes