Los maniquíes humanos computacionales son modelos del cuerpo humano que se utilizan en análisis computarizados . Desde la década de 1960, la comunidad científica radiológica ha desarrollado y aplicado estos modelos para estudios de dosimetría de radiación ionizante . Estos modelos se han vuelto cada vez más precisos con respecto a la estructura interna del cuerpo humano.
A medida que la informática evolucionó, también lo hicieron los fantasmas . Pasar de los fantasmas basados en ecuaciones cuadráticas simples a los fantasmas voxelizados , que se basaban en imágenes médicas reales del cuerpo humano, fue un gran paso. Los modelos más nuevos se basan en matemáticas más avanzadas, como las NURBS ( non-uniform reasonal B-spline ) y las mallas poligonales , que permiten fantasmas 4-D en los que las simulaciones pueden tener lugar no solo en el espacio tridimensional sino también en el tiempo.
Se han desarrollado maniquíes para una amplia variedad de seres humanos, desde niños y adolescentes hasta adultos, hombres y mujeres, así como mujeres embarazadas. Con una variedad tan amplia de maniquíes, se pueden realizar muchos tipos de simulaciones , desde la dosis recibida en procedimientos de imágenes médicas hasta la medicina nuclear . A lo largo de los años, los resultados de estas simulaciones han creado una variedad de estándares que se han adoptado en las recomendaciones de la Comisión Internacional de Protección Radiológica (CIPR). [1]
Los maniquíes computacionales de primera generación se desarrollaron para abordar la necesidad de evaluar mejor las dosis a los órganos de los materiales radiactivos depositados internamente en trabajadores y pacientes. Hasta finales de la década de 1950, la ICRP todavía utilizaba modelos muy simples. [2] En estos cálculos, se suponía que cada órgano del cuerpo se representaba como una esfera con un " radio efectivo ". Se suponía que el radionucleido de interés estaba ubicado en el centro de la esfera y se calculaba la "energía absorbida efectiva" para cada órgano. Los maniquíes como el maniquí de Shepp-Logan se utilizaron como modelos de una cabeza humana en el desarrollo y prueba de algoritmos de reconstrucción de imágenes . [3] [4] [5] [6] Sin embargo, los científicos intentaron modelar órganos individuales del cuerpo y, en última instancia, todo el cuerpo humano de una manera realista, cuyos esfuerzos condujeron a maniquíes antropomórficos estilizados que se asemejan a la anatomía humana .
En general, el fantasma computacional estilizado es una representación matemática del cuerpo humano que, cuando se combina con un código informático de transporte de radiación de Monte Carlo , se puede utilizar para rastrear las interacciones de la radiación y la deposición de energía en el cuerpo. La característica del fantasma computacional estilizado se ajusta con precisión ajustando los parámetros individuales de las ecuaciones matemáticas , que describen el volumen, la posición y la forma de los órganos individuales . El fantasma computacional estilizado tiene una larga historia de desarrollo a lo largo de la década de 1960 a 1980.
El fantasma MIRD [7] fue desarrollado por Fisher y Snyder en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) en la década de 1960 con 22 órganos internos y más de 100 subregiones. [8] [9] Es el primer fantasma antropomórfico que representa a un adulto hermafrodita para dosimetría interna .
En las décadas siguientes se desarrollaron muchas derivaciones de maniquíes a partir del modelo MIRD. Los principales tipos de maniquíes incluyen: la serie de maniquíes estilizados "Familia" desarrollados en la década de 1980 por Cristy y Eckerman; el modelo "ADAM y EVA" desarrollado por GSF, Alemania; el modelo CAM (Hombre Anatómico Computarizado) desarrollado por la NASA, desconocido por la comunidad de dosimetría de protección radiológica convencional, etc.
Aunque se han hecho muchos esfuerzos para diversificar y ampliar sus aplicaciones en la protección radiológica , la radioterapia y la imagenología médica , no se puede superar su limitación innata. La representación de los órganos internos en este fantasma matemático era rudimentaria, ya que solo capturaba la descripción más general de la posición y la geometría de cada órgano. Con las poderosas tecnologías de imágenes por computadora y tomografía que se pusieron a disposición a fines de la década de 1980, la historia inició una nueva era de fantasmas de vóxel .
Los fantasmas estilizados proporcionaban sólo información básica con un alto grado de error. Para avanzar, se necesitaban métodos más precisos de simulación del cuerpo humano. Para permitir más investigaciones, la tecnología informática tuvo que volverse más potente y más accesible. Esto no ocurrió hasta la década de 1980. El verdadero avance se produjo cuando los dispositivos de tomografía computarizada (TC) y resonancia magnética (RM) pudieron generar imágenes altamente precisas de los órganos internos en tres dimensiones y en formato digital. Los investigadores descubrieron que podían tomar esos datos de diagnóstico y transformarlos en un formato de vóxel (píxel volumétrico), recreando esencialmente el cuerpo humano en forma digital en 3D. Hoy en día hay más de 38 fantasmas humanos en formato de vóxel, para muchos usos diferentes. [11]
Dos de los principales problemas que presenta el desarrollo de los maniquíes de referencia son la dificultad para obtener imágenes útiles y el manejo de la gran cantidad de datos que se generan a partir de ellas. Las tomografías computarizadas proporcionan al cuerpo humano una gran dosis de radiación ionizante , algo que el maniquí computacional fue diseñado para evitar en primer lugar. Las imágenes de resonancia magnética tardan mucho tiempo en procesarse. Además, la mayoría de las exploraciones de un solo sujeto cubren solo una pequeña parte del cuerpo, mientras que se necesita una serie completa de exploraciones para obtener datos útiles. El manejo de estos datos también es difícil. Si bien las computadoras más nuevas tenían discos duros lo suficientemente grandes como para almacenar los datos, los requisitos de memoria para procesar las imágenes al tamaño de vóxel deseado a menudo eran demasiado elevados. [1]
Si bien se han desarrollado muchos modelos de vóxeles, todos han seguido un camino similar hasta su finalización. En primer lugar, deben obtener los datos en bruto, a partir de tomografías computarizadas, imágenes de resonancia magnética o imágenes directas a través de fotografías. En segundo lugar, los componentes del cuerpo deben segmentarse o identificarse y separarse del resto. En tercer lugar, se debe identificar la densidad de cada componente, junto con la composición de cada uno. Por último, los datos deben unificarse en una única estructura 3D para que pueda usarse para el análisis.
El primer trabajo sobre fantasmas voxelizados se produjo de forma independiente aproximadamente al mismo tiempo por el Dr. Gibbs, de la Universidad de Vanderbilt , y el Dr. Zankl en el Centro Nacional de Investigación para el Medio Ambiente y la Salud (GSF) en Alemania. [12] [13] Esto ocurrió alrededor de 1982. El trabajo del Dr. Gibbs comenzó con imágenes de rayos X , no imágenes de TC o MRI, para la reconstrucción de un fantasma humano que se utilizó para simulaciones de dosis médicas . M. Zankl y su equipo utilizaron imágenes de TC para crear 12 fantasmas, que iban desde BEBÉS hasta HUMANOS VISIBLES.
Se presentó un marco computacional, basado en el modelado estadístico de formas, para la construcción de modelos de órganos específicos de cada raza para la dosimetría interna de radionúclidos y otras aplicaciones de medicina nuclear. La técnica propuesta utilizada para crear el maniquí estadístico específico de cada raza mantiene el realismo anatómico y proporciona los parámetros estadísticos para su aplicación a la dosimetría de radionúclidos. [32]
Los maniquíes de representación de límites (BREP) son modelos humanos computacionales que contienen características anatómicas externas e internas de un cuerpo humano utilizando el método de representación de límites. En el ámbito de la salud y la física médica, se utilizan principalmente para la dosimetría de la radiación ionizante .
En el desarrollo de maniquíes humanos computacionales, es de particular interés el concepto de un maniquí "deformable" cuya geometría puede ser transformada convenientemente para ajustarse a formas particulares de órganos físicos, volúmenes o posturas corporales. El diseño de este tipo de maniquí se realiza mediante el método NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline) o el método de malla poligonal, que generalmente se denominan colectivamente métodos BREP. En comparación con los maniquíes de vóxeles, los maniquíes BREP son más adecuados para la deformación y el ajuste de la geometría, porque están disponibles un conjunto más grande de operaciones computarizadas, como extrusión , biselado , mezcla, dibujo , descascarado y ajuste . Una ventaja importante de los maniquíes BREP es su capacidad de transformarse en un maniquí de referencia existente o en la anatomía de un trabajador o paciente real, lo que hace posible el cálculo de dosis específico para cada individuo. [33]
Las superficies de un fantasma basado en B-spline racional no uniforme (NURBS) se definen mediante ecuaciones NURBS que se formulan mediante un conjunto de puntos de control. La forma y el volumen de una superficie NURBS varían con las coordenadas de los puntos de control . Esta característica es útil para diseñar un modelado del cuerpo humano en 4D dependiente del tiempo . [33] Un ejemplo lo proporcionan los fantasmas NCAT de Segars et al., que se utilizan para simular los movimientos cardíacos y respiratorios con un modelado más realista del sistema cardíaco.
Una malla poligonal se compone de un conjunto de vértices , aristas y caras que especifican la forma de un objeto poliédrico en el espacio 3D . Las superficies del fantasma están definidas por una gran cantidad de mallas poligonales, más comúnmente triángulos. La malla poligonal tiene tres ventajas notables en el desarrollo de fantasmas de cuerpo entero. En primer lugar, las superficies de malla que representan la anatomía humana se pueden obtener cómodamente a partir de imágenes de pacientes reales o modelos de malla de anatomía humana comerciales. En segundo lugar, el fantasma basado en malla poligonal tiene una flexibilidad considerable para ajustar y afinar su geometría, lo que permite la simulación de anatomías muy complejas. En tercer lugar, muchos programas comerciales de diseño asistido por computadora (CAD), como Rhinoceros , AutoCAD , Visualization Toolkit (VTK), proporcionan funciones integradas capaces de convertir rápidamente la malla poligonal en NURBS. [33]
Segars fue el precursor de la aplicación de NURBS al diseño de maniquíes. En 2001, su tesis doctoral describió en detalle el método de desarrollo de un maniquí de torso cardíaco basado en NURBS dinámico (NCAT). El maniquí tiene un modelo de corazón latiendo en 4D que se derivó de datos de resonancia magnética etiquetados en 4D. Los órganos restantes en el torso del maniquí se diseñaron en base al conjunto de datos de TC del Visible Human Project y se componían de superficies NURBS en 3D. El movimiento respiratorio también se incorporó a este maniquí.
En 2005, Xu et al. en el Instituto Politécnico Rensselaer utilizaron el fantasma 3D VIP-Man para simular movimientos respiratorios adoptando los datos de movimiento respiratorio controlado del fantasma NCAT. [35] El fantasma de tórax 4D VIP-Man se utilizó para estudiar la planificación del tratamiento de haz externo para un paciente con cáncer de pulmón . [36] En 2007, el grupo de investigación de Xu informó la creación de una serie de fantasmas basados en polígonos que representan a una mujer embarazada y su feto al final de gestaciones de 3, 6 y 9 meses (RPI Pregnant Females). [37] Los datos de la malla se obtuvieron inicialmente de fuentes de información anatómica separadas que incluían una mujer no embarazada, un conjunto de datos de TC de una mujer embarazada de 7 meses y un modelo de malla del feto. En 2008, se crearon dos fantasmas basados en malla triangular, denominados RPI Deformable Adult Male and Female (RPI-AM, RPI-FM). [38] [39] Los parámetros anatómicos de los maniquíes se hicieron consistentes con dos conjuntos de datos: la masa y la densidad de los órganos internos se originaron a partir de ICRP-23 e ICRP-89, y los datos de percentiles de altura y peso de cuerpo entero se obtuvieron de la Encuesta Nacional de Examen de Salud y Nutrición (NHANES 1999-2002). Más tarde, para estudiar la relación entre el tamaño de los senos y la dosimetría pulmonar, se produjo un nuevo grupo de maniquíes alterando la geometría de los senos de RPI-AF. [39]
De 2006 a 2009, investigadores de la Universidad de Florida diseñaron un total de doce fantasmas "híbridos" masculinos y femeninos, que representan hombres/mujeres recién nacidos, de 1, 5, 10 y 15 años y adultos. [40] [41] [42] Los fantasmas se denominan "híbridos" porque la mayoría de los órganos y tejidos se modelaron mediante superficies NURBS, mientras que el esqueleto, el cerebro y las vías respiratorias extratorácicas se modelaron mediante superficies poligonales. [43] Los parámetros anatómicos de los fantasmas se ajustaron para que coincidieran con 4 conjuntos de datos de referencia, es decir, datos antropométricos estándar , masas de órganos de referencia de la Publicación 89 de la ICRP, composiciones elementales de referencia proporcionadas en la ICRP 89, así como en el Informe 46 de la ICRU, y datos de referencia sobre los órganos del tracto digestivo proporcionados en las Publicaciones 89 y 100 de la ICRP.
En 2008, investigadores de la Universidad de Vanderbilt , en colaboración con investigadores de la Universidad de Duke , desarrollaron una familia de maniquíes adultos y pediátricos adaptando los maniquíes adultos masculinos y femeninos NCAT basados en NURBS. [43] Se utilizaron valores de referencia corporales y de órganos ICRP-89 para ajustar las superficies NURBS.
En 2009, Cassola et al. [44] de la Universidad Federal de Pernambuco , Brasil, desarrollaron un par de fantasmas basados en mallas poligonales en postura de pie, FASH (Female Adult meSH) y MASH (Male Adult meSH). La metodología es muy similar, pero no completamente idéntica, a la implementada en el diseño de RPI-AM y RPI-FM.
En 2010, basándose en el RPI-AM existente, los investigadores del RPI continuaron creando cinco fantasmas más con diferentes índices de masa corporal (IMC) que van desde 23 a 44 kg∙m-2. [45] Estos fantasmas se utilizan para estudiar la correlación entre el IMC y las dosis en los órganos resultantes de los exámenes de tomografía computarizada y tomografía por emisión de positrones (PET).
En 2011, investigadores de la Universidad Hanyang , Corea, informaron sobre un fantasma masculino coreano de referencia de superficie poligonal (PSRK-Man). [46] Este fantasma se construyó convirtiendo el Hombre-humano coreano visible (VKH-man) en un fantasma basado en malla poligonal. La altura, el peso y la geometría de los órganos y tejidos se ajustaron para que coincidieran con los datos coreanos de referencia. Sin voxelización, el PSRK-man podría implementarse directamente en la simulación Monte Carlo de Geant4 utilizando una función incorporada, pero el tiempo de cálculo fue 70~150 veces más largo que el requerido por el Hombre-coreano de referencia de alta definición (HDRK-Man), un fantasma voxelizado derivado también de VKH-man.
En 2012, los investigadores del RPI desarrollaron el fantasma Computational Human for Animated Dosimetry (CHAD), estructurado de tal manera que su postura se pudiera ajustar junto con los datos obtenidos mediante un sistema de captura de movimiento . [47] Este fantasma se puede utilizar para simular el movimiento de un trabajador involucrado en un escenario de accidente nuclear o ocupacional, lo que permite a los investigadores comprender el impacto del cambio de postura en el curso del movimiento del trabajador sobre la dosis de radiación.
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