Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2022. Том 67. № 6

DOI:10.33266/1024-6177-2022-67-6-51-61

Н.В. Денисова

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ФАНТОМЫ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ РАДИОЛОГИИ

Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, Новосибирск

Новосибирский государственный университет, Новосибирск

Контактное лицо: Наталья Васильевна Денисова, e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

РЕФЕРАТ

Представлен краткий обзор развития вычислительных антропоморфных фантомов для исследований в области медицинской визуализации, радиационной дозиметрии и планирования лучевой терапии. В медицинской радиологии клинические методы исследований ограничены из-за радиационного воздействия на пациентов и персонал, поэтому большие усилия направлены на развитие метода математического моделирования. Вычислительные фантомы используются в имитационном моделировании в качестве виртуальных пациентов. Этот новый способ исследований в медицине открывает огромные возможности в развитии высоких технологий. За последнее десятилетие в мире сформировалось несколько ведущих групп, которые имеют лицензированные  семейства именных антропоморфных фантомов для радиационной дозиметрии и планирования лучевой терапии. В обзоре рассматриваются работы почти всех основных разработчиков вычислительных фантомов в мире и в России. Особое внимание уделено развитию вычислительных фантомов для исследований в области медицинской визуализации (ОФЭКТ, ПЭТ).

Ключевые слова: ядерная медицина, вычислительные антропоморфные фантомы, математическое моделирование

Для цитирования: Денисова Н.В. Вычислительные фантомы для медицинской радиологии // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2022. Т. 67. № 6. С. 51–61. DOI:10.33266/1024-6177-2022-67-6-51-61

 

Список литературы

1. Румянцев П.О., Трухин А.А., Сергунова К.А., Сирота Я.И., Макарова Н.М., Бубнов А.А., Семенов Д.С., Ахмад Е.С. Фантомы в ядерной медицине // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2020. Т.65, № 2. С. 62–67.

2. Haydel L. Moore 3d Prints First Full ‘Human’ For Radiation Therapy Research // Louisiana State University. 2018.

3. Xu X.G. An Exponential Growth of Computational Phantom Research in Radiation Protection, Imaging, and Radiotherapy: a Review of the Fifty-Year History // Phys. Med. Biol. 2014. V.59, No. 18. P. R233-302. doi: 10.1088/0031-9155/59/18/R233.

4. Kainz W., Neufeld E., Bolch W.E., Graff C.G., Chan Hyeong Kim, Niels Kuster, Bryn Lloyd, Tina Morrison, Paul Segars, Yeon Soo Yeom, Maria Zankl, Xu X. George, Benjamin M.W. Tsui. Advances in Computational Human Phantoms and Their Applications in Biomedical Engineering‒A Topical Review // IEEE Trans. Rad. Plasma Med. Sci. 2019. V.3, No. 1. P. 1-23. 

5. Handbook of Anatomical Models for Radiation Dosimetry (Series in Medical Physics and Biomedical Engineering) / Ed. Xu X. George, Keith F. Eckerman. CRC Press, 2009. ISBN 9781420059793.

6. Fisher H.L.J., Snyder W.S. 1966 Variation of Dose Delivered by 137Cs as a Function of Body Size from Infancy to Adulthood. Health Physics Division Annual Progress Report for Period Ending July 31, 1966 // Oak Ridge National Laboratory. 1966. 221–228.

7. Billings M.P., Yucker W.R. The Computerized Anatomical Man (CAM) model NASA CR-134043. Houston, TX: National Aeronautics and Space Administration, 1973.

8. Kramer R., Zankl M., Williams G., Drexler G. The male (ADAM) and Female (EVA) Adult Mathematical Phantoms GSF-Report S-885 // The Calculation of Dose from External Photon Exposures Using Reference Human Phantoms and Monte Carlo Methods. Part I. Neuherberg: Institut Fuer Strahlenschutz, GSF-Forschungszentrum fuer Umwelt und Gesundheit, 1982. 

9. Tsui B.M., Terry J.A., Gullberg G.T. Evaluation of Cardiac Cone-Beam Single Photon Emission Computed Tomography Using Observer Performance Experiments and Receiver Operating Characteristic Analysis // Inv. Radiol. 1993. No. 28. 1101–1112.

10. Pretorius P.H., Xia W., King M.A., Tsui B.M., Pan T.S., Villegas B.J. Evaluation of Right and Left Ventricular Volume and Ejection Fraction Using A Mathematical Cardiac Torso Phantom // J. Nucl. Med. 1997. No. 38. P. 1528–1535.

11. Park S., Lee J.K., Lee C. Development of a Korean Adult Male Computational Phantom For Internal Dosimetry Calculation // Radiat. Prot. Dosim. 2006. No. 121. P. 257–264.

12. Hirata A., Ito N., Fujiwara O., Nagaoka T., Watanabe S. Conservative Estimation of Whole-Body-Averaged SARs in Infants with a Homogeneous and Simple-Shaped Phantom in the GHz Region // Phys. Med. Biol. 2008. No. 53. P. 7215–7223.

13. Qiu R., Li J., Zhang Z., Wu Z., Zeng Z., Fan J. Photon SAF Calculation Based on the Chinese Mathematical Phantom and Comparison with the ORNL Phantoms // Health. Phys. 2008. No. 95. P. 716–724.

14. Евсеенко Л.В., Куракин А.А., Тултаев А.В., Черняев А.П. Математическая модель фантома человека в радионуклидной диагностике и терапии. М.: Препринт НИИЯФ МГУ, 2002. С. 1–62.

15. Денисова Н.В., Курбатов В.П., Терехов И.Н. Развитие математического фантома для моделирования процедуры обследования пациентов методом ОФЭКТ в кардиологии // Медицинская физика. 2014. № 2. С. 55-62.

16. Denisova N., Ondar M., Hunor Kertesz, Thomas Beyer. Development of Anthropomorphic Mathematical Phantoms for Simulations of Clinical Cases in Diagnostic Nuclear Medicine // Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging & Visualization. 2022.  DOI: 10.1080/21681163.2022.2074308.

17. Denisova N.V., Ansheles A.A. A Study of False Apical Defects in Myocardial Perfusion Imaging with SPECT/CT // Biomed. Phys. Eng. Express. 2018. No. 4. P. 065018.

18. Denisova N.V., Ansheles A.A., Sergienko V., Kertész H., Beyer T., Kolinko I. Artefacts Reduction in Cardiac SPECT Images by Using a Novel Reconstruction Algorithm Maximum a Posteriori with Local Regularization // EJNMMI. 2019. V.46, No. Suppl 1. P. S62-S63.

19. Denisova N., Kertész H., Beyer T. Local Statistical Regularization Method for Solving Image Reconstruction Problems in Emission Tomography with Poisson Data // AIP Conference Proceedings. 2021. V.2351, No. 1. https://doi.org/10.1063/5.0052104.

20. Williams G., Zankl M., Abmayr W., Veit R., Drexler G. The Calculation of Dose from External Photon Exposures Using Reference and Realistic Human Phantoms and Monte Carlo Methods // Phys. Med. Biol. 1986. No. 31. P. 449–452.

21. Petoussi-Henss N., Zankl M., Fill U., Regulla D. The GSF Family of Voxel Phantoms // Phys. Med. Biol. 2002. No. 47. P. 89–106.

22. Zankl M., Veit R., Williams G., et al. The Construction of Computer Tomographic Phantoms and Their Application in Radiology and Radiation Protection // Radiat. Environ. Biophys. 1988. No. 27, 153–164.

23. Zankl M., Wittmann A. The Adult Male Voxel Model ‘GOLEM’ Segmented from Whole-Body CT Patient Data // Radiat Environ Biophys. 2001.
No. 40. P. 153-162. 

24. ICRP, 2009. Adult Reference Computational Phantoms. ICRP Publication 110 // Ann. ICRP 2009. V.39, No. 2.

25. Zankl M., Eakins J., Goméz-Ros J.M., Huet C., Jansen J.T.M., Moraleda M., Reichelt U., Struelens L., Vrba T. EURADOS Intercomparison on the Usage of the ICRP/ICRU Adult Reference Computational Phantoms // Radiation Measurements. 2021. V.145, No. 106596. P. 1-5. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2021.106596.

26. Zubal I.G., Harrell C.K., Smith E.O., Kattner Z., Gindi G., Hoffer P.B. Computerized Threedimensional Segmented Human Anatomy // Med. Phys. 1994. No. 21. P. 299-302. 

27. Zubal I.G., Harrell C.R., Smith E.O., Smith A.L. Two Dedicated Software, Voxel-Based, Anthropomorphic (Torso And Head) Phantoms // Voxel phantom development, 6 and 7 July 1995, Chilton, UK. 1995. P. 105-111.

28. Xu X.G., Chao T.C., Bozkurt A. VIP-Man: An Image-Based Whole-Body Adult Male Model Constructed from Color Photographs of the Visible Human Project for Multi-Particle Monte Carlo Calculations // Health Phys. 2000. No. 78. P. 476–486.

29. Wang B., Xu X.G., Kim C.H. A Monte Carlo CT Model of the Rando Phantom // Trans. Am. Nucl. Soc. 2004. No. 90. P. 473–474.

30. Nipper J.C., Williams J.L., Bolch W.E. Creation of Two Tomographic Voxel Models of Paediatric Patients in the First Year of Life // Phys. Med. Biol. 2002. No. 47. P. 3143–3164. 

31. Lee C., Lee J., Lee C. Korean Adult Male Voxel Model KORMAN Segmented from Magnetic Resonance Images // Med. Phys. 2004. V.31, No. 5. P. 1017–1022.

32. Saito K., Wittmann A., Koga S., Ida Y., Kamei T., Funabiki J., Zankl M. Construction of a Computed Tomographic Phantom for a Japanese Male Adult and Dose Calculation System // Radiat. Environ. Biophys. 2001. No. 40. P. 69–75.

33. Zhang B., Ma J., Liu L., Cheng J. CNMAN: A Chinese Adult Male Voxel Phantom Constructed from Color Photographs of a Visible Anatomical Data Set // Radiat. Prot. Dosimetry. 2007. V.124, No. 2. P. 130–136.

34. URL: https://visiblehumanproject.com/.

35. Шевченко Ю.Л., Карпов О.Э., Бронов О.Ю. Пироговские срезы, как предтеча современной компьютерной томографии // Вестник национального медико-хирургического центра им. Н.И. Пирогова. 2020. Т.15, № 3. С. 11-15. https://doi.org/10.25881/BPNMSC.2020.90.47.002. 

36. Моисеенко Д.Н., Кураченко Ю.А. Воксельные фантомы в задачах медицинской физики // Медицинская физика. 2012. № 3. С. 27.

37. Моисеенко Д.Н. Автореферат диссертации. 2013. 

38. Меджадж Т., Ксенофонтова А.И., Далечина А.В. Воксельный фантом для дозиметрической верификации планов облучения на установке Гамма-нож perfexion методом Монте-Карло // Вестник Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». 2019. Т.8, № 5. С. 473-479. doi:10.1134/S2304487X19050055. 

39. Segars W.P. Development and Application of the New Dynamic NURBS-Based Cardiac-Torso (NCAT) Phantom. Chapel Hill, NC: University of North Carolina, 2001.

40. Segars W.P., Sturgeon G., Mendonca S., Grimes J., Tsui B.M.W. 4D XCAT Phantom for Multimodality Imaging Research // Med. Phys. 2010. V.37, No. 9. P. 4902-4915.

41. Segars W.P., Tsui B.M.W. MCAT to XCAT: the Evolution of 4D Computerized Phantoms for Imaging Research // Proc. IEEE Inst. Electr. Electron Eng. 2009. V.97, No. 12. 1954-1968.

42. Segars W.P., Tsui B.M.W., Jing Cai, Fang-Fang Yin, Fung GSK, Samei E. Application of the 4-D XCAT Phantoms in Biomedical Imaging and Beyond // IEEE Trans. Med. Imaging. 2018. V.37, No. 3. P. 680-692. doi: 10.1109/TMI.2017.2738448. 

43. Abadi E., Segars W.P., Tsui B.M.W., Kinahan P.E., Bottenus N., Frangi A.F., Maidment A., Lo J., Samei E. Virtual Clinical Trials in Medical Imaging: a Review // J. Med. Imaging (Bellingham). 2020. V.7, No. 4. P. 042805. doi: 10.1117/1.JMI.7.4.042805. 

44. Xu X.G. Computational Phantoms for Radiation Dosimetry: A 40-Year History of Evolution // Handbook of Anatomical Models for Radiation Dosimetry / Ed. Xu X.G., Eckerman K.F. Boca Raton, FL: Taylor & Francis, 2009. P. 3–42.

45. Lee C., Lodwick D., Hasenauer D.,Williams J.L., Lee C., Bolch W.E. Hybrid Computational Phantoms of the Male and Female Newborn Patient: NURBS-Based Whole-Body Models // Phys. Med. Biol. 2007. No. 52. P. 3309–3333.

46. Kim C.H., Jeong J.H., Bolch W.E., Cho K.-W., Hwang S.B. A Polygon-Surface Reference Korean Male Phantom (PSRK-Man) and Its Direct Implementation in Geant4 Monte Carlo Simulation // Phys. Med. Biol. 2011. No. 56. P. 3137–3161.

47. Farah J., Broggio D., Franck D. Examples of Mesh and NURBS Modelling for in Vivo Lung Counting Studies // Radiat. Prot. Dosimetry. 2011. No. 144. P. 344–348. 

48. Christ A., et al. The Virtual Family—Development of Surface-Based Anatomical Models of Two Adults and Two Children for Dosimetric Simulations // Phys. Med. Biol. 2010. No. 55. P. N23–N38.

49. ICRP. Adult Mesh-Type Reference Computational Phantoms. ICRP Publication 145 // Ann. ICRP. 2020. V.49, No. 3. 

 

 PDF (RUS) Полная версия статьи

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Участие авторов. Cтатья подготовлена с равным участием авторов.

Поступила: 20.07.2022. Принята к публикации: 25.09.2022.