Vývoj a aplikace digitálních fantomů lidského těla

Fantom je v radiodiagnostice objekt, který se určitými vlastnostmi podobá lidskému tělu. Mezi tyto vlastnosti patří typicky rozptyl a zeslabení rtg svazku, v některých případech navíc ještě anatomie. Fantom se využívá k různým testovacím měřením, na základě kterých je pak prováděno např. hodnocení kvality obrazu, hodnocení dávek nebo optimalizace zobrazovacího procesu. Vhodný fantom je volen v závislosti na tom, co přesně má fantom simulovat.

Fantomů existuje velké množství a stále jsou vyvíjeny nové a nové fantomy. Fantomy se dělí do několika skupin podle několika aspektů.

Základní dělení je podle toho, k jakému účelu jsou fantomy používány [1]. Dělení je následující:

1) Fantomy pro hodnocení kvality obrazu – využívají se pro subjektivní nebo objektivní hodnocení kvality obrazu:

  • Antropomorfní fantomy – obsahují anatomické struktury, které mohou být živé nebo neživé, řadí se sem fantomy obsahující lidské kosti, kadavery, zvířata.
  • Obecné fantomy – nejčastěji se jedná o fyzikální fantomy, z nichž nejjednodušší mohou být představovány blokem zeslabujícího materiálu (plexisklo, voda) a ty sofistikovanější strukturami, které mohou např. simulovat axiální řez pacientem.

2) Fantomy pro hodnocení dávky – využívají se pro hodnocení dávek ionizujícího záření, které obdrží pacienti při vyšetřeních z různých zobrazovacích modalit:

  • Matematické/počítačové fantomy – jednotlivé orgány jsou popsány matematickými formulami, od velmi jednoduchých (klasické matematické objekty – koule pro hlavu, válec pro trup…) až po velmi pokročilé (lidské orgány jsou reprezentovány složitými formulami), pro simulace ozáření je pak využíváno metody Monte Carlo, která umožňuje stanovit deponovanou energii v každém malém pixelu, a tedy i v celém orgánu.
  • Fyzikální fantomy – jsou představovány fyzickými objekty, opět. např. plexisklo nebo voda, které umožňují měřit velikost dávky na vstupu do fantomu (měření pomocí ionizační komory nebo termoluminiscenčních dozimetrů), velikost rozptylu atd.

Existuje spousta jiných dělení, např. podle části těla, kterou simulují, podle složení, podle zobrazovacích modalit, u kterých je lze použít a jiné. Nyní si řekneme něco o digitálních fantomech, tj. o matematických fantomech, ale těch sofistikovanějších.

Digitální fantomy jsou matematické fantomy simulující lidské tělo. Jedná se o počítačově vytvořené modely, které neexistují jako takové fyzicky (i když je možné vytvořit z nich fantom i fyzicky, např. 3D tiskem). Jsou většinou vytvořeny na základě reálných dat, např. data z CT nebo MR vyšetření, která jsou dále upravena tak, aby představovala pokud možno běžnou anatomii.

Digitální počítačový fantom má několik výhod, ale i limitací. Mezi výhody patří to, že je přesně známa anatomie, pozměněním anatomie lze získat odlišný model, a nejsou zde žádné obavy ohledně přeexponování. Na takových fantomech lze provádět řadu pokusů, které by na skutečných pacientech nebylo možné provést. Mezi limitace patří skutečnost, že musíme mít několik fantomů s různou anatomií, abychom byli schopní popsat, jak by vypadal nějaký jev u běžné populace. Fantomy nejsou reálné, a proto nemohou úplně přesně simulovat živé objekty.

V současné době jde aktivní výzkum v oblasti zobrazování a dozimetrie směrem, kdy je snahou vytvoření co nejrealističtějších počítačových fantomů.

Vývoj v oblasti počítačových fantomů byl započat matematickými fantomy, nejprve bylo lidské tělo simulováno ICRU koulí, poté se přešlo k MIRD antropomorfním fantomům, které se již neoznačovaly jako matematické, ale jako stylizované. Následovaly 3D rigidní modely získané segmentací a voxelizací CT nebo MR skenů skutečných pacientů. Poté následovaly variabilní a dynamické 4D fantomy, které umožňovaly simulovat dýchání a srdeční cyklus (BREP a NURBS fantomy). V současné době se dá říci, že vývoj směřuje k personifikovaným fantomům. Ukázka vývoje je uvedena na obr. 1.

Pocitacove_fantomy_1Obr. 1: Vývoj počítačových fantomů [2]

Jednotlivé fantomy založené na skutečných CT nebo MR datech reprezentují pouze jednotlivce z populace. Proto vznikají databáze, které shromažďují data od pacientů různých anatomií. Z těchto dat je možné si vybrat právě tu anatomii, která nejvíce odpovídá skutečnému pacientovi. Díky tomu je k dispozici digitální fantom ve velmi krátkém čase, což usnadňuje další práci. Ukázka rodin různých fantomů je uvedena na obr. 2.

Pocitacove_fantomy_2Obr. 2: Různé rodiny simulovaných fantomů [2]

Na základě dozimetrických studií je pak možné získat odhad orgánové dávky pro použitý vyšetřovací protokol již na základě dostatečné znalosti anatomie daného pacienta.

Použitá literatura:
[1] Bliznakova K, et al. The use of physical and virtual anthropomorphic phantoms for image quality and patient dose optimization. EUTEMPE-RX, Module 05, 7.-13.9.2015, Varna, Bulgaria
[2] Segars P. Development and application of digitial human phantoms. AAPM Virtual Library. 2015 AAPM Annual Meeting

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *