بخشی از مقاله
چکیده:
در این مطالعه، کتابخانهای از فانتومهای انتروپومورفیک شامل بازه گستردهای از مشخصات مورفومتریک و تفاوتهای آناتومیک برای گروه بزرگسالان از فانتومهای مرجع ICRP مرد و زن ساخته شدهاست. دادههای مورفومتریک از جداول منتشر شده در NHANES و تفاوتهای آناتومیکی از اندازهگیریهای تجربی استخراج شدهاست. در اولین مرحله وزن ارگان-ها وابسته به پارامترهای انتروپومورفیک محاسبه شده و با استفاده از یک الگوریتم اتوماتیک قد فانتوم و درصد توده آزاد چربی با تغییرات خطی در سه بعد تنظیم گردیده است و نهایتا اندازه دور کمر و وزن کل بدن با افزایش و یا کاهش لایه های چربی زیر پوستی به مقدار مطلوب رسیده است.
کلمات کلیدی:فانتوم محاسباتی، کتابخانه فانتوم انتروپومورفیک، جرم مقیاس شده ارگانها
مقدمه :
نظر به اینکه در دهههای اخیر استفاده از پرتو در تصویربرداریهای پزشکی به طور قابل توجهی افزایش یافته و به پیشرفتهای چشمگیری در تشخیص و درمان بیماریها منجر شده است، پایش مخاطرات بالقوه بهداشتی در بعضی کاربردهای نامناسب به عنوان موضوعی قابل بررسی در این زمینه مورد توجه قرار گرفته است. در تاریخچه دزنگاری از ابتدا تا کنون انواع فانتومهای محاسباتی مورد استفاده بوده است. فانتومهای محاسباتی از اشکال هندسی ساده آغاز و در حال حاضر به مدلهای شخصی - person-specific - به عنوان مدل ایده آل رسیده است.[1] در حوزه فانتومهای انتروپومورفیک، برای تولید مدلهای شخصی تصاویر توموگرافیک پزشکی با قدرت تفکیک بسیار بالا نیاز است و به دنبال آن فرآیند زمانبر جداسازی آناتومیکی - - segmentation، چنین محدودیتهایی منجر به تعریف کتابخانههای فانتومهای آنتروپومورفیک شدهاست.
به منظور بررسی اثر تفاوتهای آناتومیکی و همچنین تفاوتهای ظاهری افراد همچون قد و وزن و درصد وزن چربی کل بدن و نحوه توزیع آن، در دهه اخیر تولید فانتومهای وابسته به بیمار - - patient-dependent phantomمورد توجه قرار گرفته است.[2] از نمونههای موفق در این زمینه میتوان کتابخانه دانشگاه فلوریدا - - Floridaرا نام برد که با استفاده از روش BoundaryRepresentation - BREP - مدل شده است.[3] سری فانتوم مذکور، از فانتوم مرجع UF hybrid adult male با استفاده از سطوح بسته - NURBS - Non-Uniform Rational B-Splines در نرم افزار پردازش سطوح Rhinoceros توسعه یافته است. همچنین کتابخانه دانشگاه رنسلر - Rensselaer - از گسترش مدل رفرنس RPI با استفاده از روشهای در گروه سنی 19 سال برای هر دو جنسیت مرد و زن ساخته شده است.[4]
رویکرد کتابخانه فانتومهای انتروپومورفیک شامل فرضیاتی برای سادهسازی مسئله میشود که محل تمرکز مطالعات اخیر است. بررسی تفاوتهای آناتومیکی افراد از جمله شکل، محل قرارگیری و جرم ارگانها به دلیل کمبود دادههای تجربی و همچنین منحصر بفرد بودن این ویژگیها برای افراد مختلف، در تولید کتابخانههای فانتومی مورد اغماض واقع شده است.در این مطالعه، تلاش شده است تا یکی از محدودیتهای رویکرد فانتومهای وابسته به بیمار بهبود یابد. کتابخانه ای از فانتومهای آنتروپومورفیک شامل 230 فانتوم مرد و 249 فانتوم زن در گروههای سنی 20 تا 80 سال در سایزهای مختلف ساخته شده است.
موضوع مورد توجه در این مطالعه، تفاوتهای آناتومیکی افراد است که برای تخمین وزن ارگانهای داخلی بر مبنای پارامترهای آنتروپومتریک مقالات علمی در دسترس در این زمینه جمع آوری شده و دادههای قابل اعتماد گزارش شده از کالبد شکافی و تصویربرداریهای تشخیصی استخراج شده است. در توسعه این کتابخانه از فانتومهای مرد و زن مرجع ICRP که با ساختار وکسل - voxel - موجود است استفاده شده است. این فانتومهای مرجع طی یک فرآیند اتوماتیک تغییر شکل پیدا کرده تا با پارامترهای مورفومتریک هدف منطبق شوند. دادههای انتروپومتریک از پایگاه داده ][5 - NHANES - National Health and Nutrition Examination Survey منتشر شده در سال 2016 استخراج شده است.
روش کار :
کتابخانه فانتومهای انتروپومورفیک به منظور تطبیق مشخصات فیزیکی یک بیمار واقعی با یکی از اعضای کتابخانه گسترش یافته است. در این مطالعه، فانتومهای وابسته به بیمار از نقطه نظر جنسیت، سن، قد و وزن افراد انتخاب میشوند. به همین دلیل انتخاب پارامترهای مورفومتریک از اهمیت خاصی برخوردار است تا در فرآیند تطبیق تمام گروههای سنی، قدی و وزنی در یک جامعه را شامل شود. آخرین گزارش منتشر شده شامل دادههای آماری از ویژگیهای ظاهری افراد به صورت تابعهای توزیع تجمعی، از مطالعات تجربی پایگاه دادهای NHANES در این کتابخانه مورد استفاده قرار گرفته است.برای تنظیم توده آزاد چربی - fat free mass - و تطبیق اندازه دور کمر افراد متناسب با شاخص توده بدنی، از دادههای تجربی منتشر شده در این زمینه بهره گرفته شده است.
همچنین برای تطبیق جرم ارگانها متناسب با مشخصات فیزیکی افراد، از روابط همبستگی چندگانه وابسته به جنسیت، سن، قد، وزن، و شاخص توده بدنی حاصل از مطالعات تجربی استفاده شده است. جهت توسعه فانتوم وابسته به بیمار، در مرحله اول قد و توده آزاد چربی با یک تغییر مقیاس سه بعدی در فانتوم مرجع ICRP با مقادیر هدف منطبش شد، سپس جرم 13 ارگان مورد نظر شامل مفز، قلب، کلیهها، ریهها، کبد، تیروئید، لوزالمعده، طحال، مثانه به علاوه اندامهای تناسلی متناسب با پارامترهای مورفومتریک در داخل فانتوم جاسازی شده و همپوشانیها با رویکرد اولویت جرمی و حساسیت به اشعه حذف شدند. اندازه دور کمر، با افزودن و یا برداشتن لایه چربی زیر پوستی فانتوم مرجع، به اندازه مورد نظر رسیده و نهایتا وزن کل بدن با مقدار هدف تطبیق داده شد. در شکل 1 فلوچارت الگوریتم تغییر شکل فانتوها نمایش داده شده است.
کاربرد: تخمین دز جذبی ارگانها با روش مونت کارلو
به منظور بررسی اثر مشخصات فیزیکی افراد بر نمایه دزیمتری ناشی از پرتوگیری، در این بخش فرآیند شبیه سازی مونت کارلویی یک پروتوکل اجرایی در معاینات رادیولوژیک با استفاده از سیستم CT گزارش شده است. تصاویر پزشکی یک بیمار زن با شاخص توده بدنی بالا که تحت پرتوگیری خارجی - CT scan - قرار گرفته بود انتخاب و مدل وکسلی - voxel - این بیمار توسط روش segmentation نیمه اتوماتیک تولید شد. از کتابخانه مذکور نیز فانتوم منطبق با مشخصات فیزیکی بیمار انتخاب شد. برای شبیه سازی مونت کارلویی این اسکن که با استفاده از دستگاه Discovery CT 750 HD در ناحیه قفسه سینه وشکم انجام گرفته، از یک برنامه اتوماتیک بر مبنای کد MCNPX که قبلا در گروه ما توسعه یافته استفاده شده است.
پروتوکل معاینه مذکور شامل سرعت تخت 55میلی متر/چرخش، 0,7 ثانیه زمان یک چرخش کامل، گام 1,37 و 40 میلی متر عرض کولیماتور در ولتاژ 120 کیلوولت و جریان تیوب متغیر با متوسط 285 میلیآمپر ثانیه میباشد. نهایتا مقایسهای بین دز جذبی ارگانها در مدل اصلی بیمار، فانتوم مرجع ICRP و فانتوم منطبق با بیمار و همچنین دو نرمافزار تجاری محاسبات دزیمتری برای معاینات رادیولوژیک، Radimetrics و ImPACT،انجام گرفته است.
