Fantasma humano computacional

El fantoma MIRD ^{[ 7 ]} fue desarrollado por Fisher y Snyder en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en la década de 1960 con 22 órganos internos y más de 100 subregiones. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Es el primer fantoma antropomórfico que representa a un adulto hermafrodita para dosimetría interna .

A partir del fantoma MIRD, se desarrollaron numerosas variantes durante las décadas siguientes. Los principales tipos de fantomas incluyen: la serie estilizada de fantomas "Family", desarrollada en la década de 1980 por Cristy y Eckerman; "ADAM y EVA", desarrollados por GSF, Alemania; el fantoma CAM (Hombre Anatómico Computarizado), desarrollado por la NASA , desconocido para la comunidad principal de dosimetría de protección radiológica, etc.

Aunque se realizaron numerosos esfuerzos para diversificar y ampliar sus aplicaciones en protección radiológica , radioterapia e imagenología médica , no se pudo superar su limitación inherente. La representación de los órganos internos en este modelo matemático era rudimentaria, ya que solo capturaba la descripción más general de la posición y la geometría de cada órgano. Con la llegada de las potentes tecnologías informáticas y de imagen tomográfica a finales de la década de 1980, se inició una nueva era de modelos de vóxeles .

Dos problemas importantes en el desarrollo de los fantomas de referencia son la dificultad para obtener imágenes útiles y el manejo de la gran cantidad de datos generados a partir de estas imágenes. Las tomografías computarizadas (TC) administran al cuerpo humano una gran dosis de radiación ionizante , algo que el fantoma computacional se diseñó precisamente para evitar. Las imágenes de resonancia magnética (RM) requieren mucho tiempo de procesamiento. Además, la mayoría de las exploraciones de un solo sujeto cubren solo una pequeña porción 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 recientes contaban con discos duros lo suficientemente grandes para almacenar los datos, los requisitos de memoria para procesar las imágenes al tamaño de vóxel deseado solían ser demasiado elevados. ^{[ 1 ]}

Si bien se han desarrollado numerosos fantomas de vóxeles, todos han seguido un proceso similar. Primero, se deben obtener los datos brutos a partir de tomografías computarizadas, resonancias magnéticas o imágenes directas mediante fotografía. Segundo, se deben segmentar los componentes del cuerpo, es decir, identificarlos y separarlos del resto. Tercero, se debe identificar la densidad de cada componente, junto con su composición. Finalmente, los datos deben unificarse en una única estructura 3D para su posterior análisis.

Los primeros trabajos sobre fantomas voxelizados se realizaron de forma independiente casi 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 con imágenes de TC o RM, para la reconstrucción de un fantoma humano que se utilizó para simulaciones de dosis médicas . M. Zankl y su equipo sí utilizaron imágenes de TC para crear 12 fantomas, que van desde BEBÉ hasta HUMANO VISIBLE.

• Estados Unidos
  • El Dr. Zubal y su equipo en la Universidad de Yale desarrollaron el fantasma VoxelMan en 1994. ^{[ 14 ]} Este fantasma original solo abarcaba desde la cabeza hasta el torso y fue diseñado específicamente para mejorar la medicina nuclear. Desde su desarrollo inicial, se ha mejorado para incluir brazos y piernas, representando así un cuerpo humano completo, y se ha completado una cabeza específica que delimita las pequeñas subestructuras internas del cerebro. ^{[ 15 ]}
  • En el año 2000, el Dr. George Xu y dos estudiantes del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI) crearon el fantasma VIP-Man a partir de datos obtenidos del Proyecto Humano Visible (VHP) de la Biblioteca Nacional de Medicina (NLM) . ^{[ 16 ]} Este fantasma fue el modelo más complejo hasta la fecha, con más de 3700 millones de vóxeles. Este modelo se utilizó en numerosos estudios sobre física de la salud y física médica.
  • El Dr. Bolch y su equipo en la Universidad de Florida crearon un conjunto de modelos pediátricos entre 2002 y 2006. ^{[ 17 ]} Hasta ese momento, los modelos computacionales infantiles habían estado muy poco representados. El equipo desarrolló modelos que abarcaban desde recién nacidos hasta adolescentes.
  • La Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA), en colaboración con la Fundación para la Investigación sobre Tecnologías de la Información en la Sociedad (IT'IS) y otros socios, desarrolló los modelos corporales virtuales (VF) basados ​​en superficie ^{[ 18 ]} para evaluaciones térmicas y de exposición electromagnética. Los cuatro modelos VF se basan en datos de imágenes de resonancia magnética (IRM) de alta resolución de voluntarios sanos (adultos y niños, tanto hombres como mujeres).
• Suiza
  • Los cuatro fantomas de cuerpo completo VF desarrollados por el Prof. Niels Kuster y su equipo en la Fundación IT'IS en Zúrich , en colaboración con la FDA de EE. UU., corresponden a un hombre adulto de 34 años, una mujer de 26 años, una niña de 11 años y un niño de 6 años; se basaron en imágenes de resonancia magnética (IRM) de cuerpo completo de voluntarios sanos. ^{[ 18 ]} El VF original se amplió posteriormente con cuatro modelos juveniles más del Aula Virtual. Más tarde se añadieron más modelos, incluyendo un hombre mayor y un hombre obeso, para formar la Población Virtual (ViP). ^{[ 19 ]}
• Brasil
  • El Dr. Kramer en Brasil mejoró los datos del equipo de Yale Zubal en un intento por crear un fantasma similar a los requisitos de la Comisión Internacional de Protección Radiológica , y creó el fantasma MAX. ^{[ 20 ]}
• Reino Unido
  • El fantasma NORMAN fue desarrollado por un equipo liderado por el Dr. Dimbylow. ^{[ 21 ]} Este fue creado analizando imágenes de resonancia magnética de un hombre humano en 1996. En 2005, el equipo creó un fantasma femenino.
• Australia
  • En la Universidad de Flinders, el Dr. Caon y su equipo crearon un maniquí de torso para simular a una adolescente en 1999. ^{[ 22 ]} El nombre del maniquí era ADELAIDE. Este fue el único maniquí de una adolescente durante varios años.
• Japón
  • El primer fantasma asiático fue desarrollado por el Dr. Saito y su equipo en el Instituto de Investigación de Energía Atómica de Japón (JAERI) en 2001. ^{[ 23 ]} Este se utilizó principalmente para estudios de dosimetría de radiación.
  • Otro grupo, liderado por el Dr. Nagaoka en el Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NIICT), creó un fantasma masculino y femenino aproximadamente en el mismo período que el grupo JAERI. ^{[ 24 ]} Estos fueron creados a partir de imágenes de resonancia magnética.
• Corea
  • En Corea se han creado muchos modelos computacionales, tanto masculinos como femeninos. ^{[ 25 ]} El Modelo Coreano de Referencia de Alta Definición (HDRK) se construyó a partir de imágenes fotográficas en color de alta resolución obtenidas como secciones seriadas de un cadáver masculino coreano de 33 años. ^{[ 26 ]}
• Porcelana
  • A mediados de la década de 2000, el gobierno chino autorizó al Dr. Zhang y a su equipo del Instituto Chino de Protección Radiológica a crear el fantasma CNMAN, una versión china del VHP basada en un conjunto de datos de un cadáver masculino de 35 años. ^{[ 27 ]}
• Alemania
  • El profesor M. Zankl y sus colaboradores utilizaron imágenes de TC para construir una variedad de fantomas de vóxeles individuales, incluyendo tres modelos pediátricos y una mujer en la semana 24 de embarazo. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

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 para crear el fantoma estadístico específico de cada raza mantiene el realismo anatómico y proporciona los parámetros estadísticos para su aplicación en la dosimetría de radionúclidos. ^{[ 33 ]}

Las superficies de un fantoma basado en NURBS ( splines racionales no uniformes ) se definen mediante ecuaciones NURBS formuladas a partir de 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 resulta útil para diseñar un modelo 4D del cuerpo humano dependiente del tiempo . ^{[ 34 ]} Un ejemplo lo proporcionan los fantomas NCAT de Segars et al., que se utilizan para simular 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 fantoma se definen mediante una gran cantidad de mallas poligonales, generalmente triángulos. La malla poligonal presenta tres ventajas notables en el desarrollo de fantomas de cuerpo completo. En primer lugar, las superficies de malla que representan la anatomía humana se pueden obtener fácilmente a partir de imágenes reales de pacientes o modelos comerciales de malla anatómica humana. En segundo lugar, el fantoma basado en malla poligonal ofrece una considerable flexibilidad para ajustar y perfeccionar su geometría, lo que permite la simulación de anatomías muy complejas. En tercer lugar, muchos programas de diseño asistido por ordenador (CAD) comerciales, como Rhinoceros , AutoCAD y Visualization Toolkit (VTK), proporcionan funciones integradas capaces de convertir rápidamente mallas poligonales en NURBS. ^{[ 34 ]}

Segars fue el precursor de la aplicación de NURBS al diseño de fantomas. En 2001, su tesis doctoral describió en detalle el método para desarrollar un fantoma dinámico de torso cardíaco basado en NURBS (NCAT). El fantoma cuenta con un modelo de corazón latiendo en 4D, derivado de datos de resonancia magnética (RM) con etiquetas en 4D. Los demás órganos del torso se diseñaron a partir del conjunto de datos de tomografía computarizada (TC) del Proyecto Humano Visible y se compusieron de superficies NURBS en 3D. El movimiento respiratorio también se incorporó a este fantoma.

En 2005, Xu et al. en el Instituto Politécnico Rensselaer utilizaron el fantoma 3D VIP-Man para simular movimientos respiratorios adoptando los datos de movimiento respiratorio sincronizado del fantoma NCAT. ^{[ 36 ]} El fantoma 4D VIP-Man Chest se utilizó para estudiar la planificación del tratamiento de haz externo para un paciente con cáncer de pulmón . ^{[ 37 ]} En 2007, el grupo de investigación de Xu informó la creación de una serie de fantomas basados ​​en polígonos que representan a una mujer embarazada y su feto al final de 3, 6 y 9 meses de gestación (RPI Pregnant Females). ^{[ 38 ]} Los datos de malla se obtuvieron inicialmente de fuentes de información anatómica separadas que incluyen 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 fantomas triangulares basados ​​en malla, denominados RPI Deformable Adult Male and Female (RPI-AM, RPI-FM). ^{[ 39 ] [ 40 ]} Los parámetros anatómicos de los fantomas se hicieron consistentes con dos conjuntos de datos: la masa y la densidad de los órganos internos se originaron de ICRP-23 e ICRP-89, y los datos de percentiles de altura y peso de todo el cuerpo se obtuvieron de la Encuesta Nacional de Examen de Salud y Nutrición (NHANES 1999-2002). Posteriormente, para estudiar la relación entre el tamaño de la mama y la dosimetría pulmonar, se produjo un nuevo grupo de fantomas alterando la geometría de la mama de RPI-AF. ^{[ 40 ]}

De 2006 a 2009, investigadores de la Universidad de Florida diseñaron un total de doce fantasmas "híbridos" masculinos y femeninos, que representan a recién nacidos, niños de 1, 5, 10 y 15 años y adultos masculinos/femeninos. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]} 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. ^{[ 44 ]} 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 dados 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 fantomas para adultos y niños adaptando los fantomas masculinos y femeninos adultos NCAT basados ​​en NURBS. ^{[ 44 ]} Se utilizaron los valores de referencia de cuerpos y órganos de ICRP-89 para ajustar las superficies NURBS.

En 2009, Cassola et al. ^{[ 45 ]} , de la Universidad Federal de Pernambuco , Brasil, desarrollaron un par de fantomas basados ​​en mallas poligonales en postura de pie: FASH (Female Adult meSH) y MASH (Male Adult meSH). La metodología es muy similar, pero no idéntica, a la empleada en el diseño de RPI-AM y RPI-FM.

En 2010, basándose en el RPI-AM existente, los investigadores del RPI continuaron creando 5 fantomas más con diferentes índices de masa corporal (IMC) que van desde 23 hasta 44  kg∙m-2. ^{[ 46 ]} Estos fantomas se utilizan para estudiar la correlación entre el IMC y las dosis en los órganos resultantes de los exámenes de tomografía computarizada (TC) y tomografía por emisión de positrones (PET).

En 2011, investigadores de la Universidad de Hanyang , Corea, informaron sobre un fantasma masculino coreano de referencia de superficie poligonal (PSRK-Man). ^{[ 47 ]} Este fantasma se construyó convirtiendo el Visible Korean Human-Man (VKH-man) en un fantasma basado en malla poligonal. La altura, el peso, la geometría de los órganos y los tejidos se ajustaron para que coincidieran con los datos coreanos de referencia. Sin voxelización, el PSRK-man se podía implementar directamente en la simulación de Monte Carlo de Geant4 usando una función integrada, pero el tiempo de cálculo era entre 70 y 150 veces mayor que el requerido por el High Definition Reference Korean-Man (HDRK-Man), un fantasma voxelizado derivado también del VKH-man.

En 2012, investigadores del RPI desarrollaron el fantoma CHAD (Computational Human for Animated Dosimetry), estructurado de tal manera que su postura pudiera ajustarse en función de los datos obtenidos mediante un sistema de captura de movimiento . ^{[ 48 ]} Este fantoma puede utilizarse para simular el movimiento de un trabajador involucrado en un escenario de accidente nuclear ocupacional, lo que permite a los investigadores comprender el impacto del cambio de postura durante el movimiento del trabajador en la dosis de radiación.

Después de que los investigadores de la Fundación IT'IS crearan los cuatro modelos VF, la colección de modelos corporales se amplió para formar el ViP con cuatro modelos pediátricos adicionales, modelos masculinos obesos y ancianos, así como una mujer embarazada en diferentes etapas de gestación. ^{[ 19 ]} Estos modelos basados ​​en superficies desarrollados por IT'IS se utilizan ampliamente en aplicaciones de exposición electromagnética. IT'IS también codesarrolló con la FDA de EE. UU. el modelo MIDA, un fantoma de cabeza computacional de última generación. ^{[ 49 ]} Más recientemente, se crearon dos modelos extremadamente detallados que incluyen todos los nervios periféricos principales, basados ​​en los datos de criosección de mujeres y hombres de Visible Korean, en cooperación con el equipo de Visible Korean de la Universidad de Ajou y la Universidad de Dongguk. ^{[ 50 ]} También se ha desarrollado una colección de modelos animales (roedores, cerdos y monos) para la investigación sobre dosimetría no ionizante y su riesgo asociado de cáncer. ^{[ 51 ]}

Si bien los fantomas de representación de límites (BREP), incluidos los basados ​​en NURBS y en mallas poligonales (de superficie), representaron un avance significativo con respecto a los fantomas de vóxeles, comparten una limitación fundamental: solo definen la superficie de las estructuras anatómicas. Las propiedades internas del material, los gradientes de densidad y las composiciones heterogéneas del tejido dentro de un órgano deben inferirse o aproximarse durante las simulaciones de transporte de Monte Carlo, a menudo mediante un paso de voxelización que reintroduce la rigidez geométrica que el enfoque BREP fue diseñado para superar. ^{[ 52 ]}

El siguiente paso evolutivo en el desarrollo de modelos humanos computacionales es el modelo de malla volumétrica, que generalmente se implementa como un modelo de malla tetraédrica. En lugar de delimitar un volumen con polígonos de superficie, una malla tetraédrica subdivide todo el interior de cada órgano y estructura tisular en una red continua de tetraedros —elementos tridimensionales de cuatro caras—, lo que permite una representación volumétrica directa sin voxelización. Este enfoque se conoce como modelo computacional de cuarta generación. ^{[ 52 ]}

Una malla tetraédrica es un tipo de malla volumétrica no estructurada en la que el dominio espacial se divide en tetraedros que no se superponen y comparten caras, aristas y vértices. En comparación con los fantomas de malla poligonal de superficie única, los fantomas de malla tetraédrica ofrecen varias ventajas clave: ^{[ 53 ]}

• Fidelidad volumétrica auténtica : el interior de cada órgano se discretiza explícitamente, lo que permite la asignación directa de propiedades del material a nivel de elemento sin voxelización intermedia.
• Resolución adaptativa : La densidad de la malla se puede refinar localmente cerca de regiones anatómicamente complejas (por ejemplo, hueso cortical, capas de la piel, médula ósea activa) mientras que permanece más gruesa en otras partes, equilibrando la precisión y el coste computacional.
• Deformabilidad sin fisuras : Los algoritmos de deformación del método de elementos finitos (MEF) establecidos operan de forma nativa en mallas tetraédricas, lo que permite una simulación fisiológicamente realista del movimiento de los órganos, la respiración y el corazón sin artefactos geométricos. ^{[ 54 ]}
• Compatibilidad con la física basada en el método de elementos finitos : Más allá de la dosimetría de radiación, los fantomas tetraédricos son directamente compatibles con los solucionadores de elementos finitos biomecánicos, térmicos y electromagnéticos, lo que permite una verdadera simulación multifísica.

Un hito técnico clave que permitió el uso práctico de los fantomas de malla tetraédrica fue la extensión de los principales códigos de transporte de radiación de Monte Carlo —en particular Geant4 y MCNP6— para admitir de forma nativa la geometría de malla tetraédrica. Los códigos de Monte Carlo anteriores se diseñaron en torno a la geometría combinatoria (como la utilizada en los fantomas estilizados) o a cuadrículas de vóxeles rectilíneas. La compatibilidad con mallas tetraédricas no estructuradas requirió nuevos algoritmos de seguimiento de partículas capaces de calcular las intersecciones rayo-tetraedro de manera eficiente. ^{[ 55 ]}

• Geant4 introdujo un ejemplo avanzado para un fantasma de malla tetraédrica, lo que permite la importación directa de fantasmas de malla a una simulación a escala real.
• MCNP6 implementó una capacidad de geometría de malla no estructurada (UM), lo que permitió simular fantomas basados ​​en mallas tetraédricas sin convertirlos al formato de vóxeles, preservando la precisión geométrica de la malla original.

Este soporte nativo eliminó la necesidad de voxelizar los fantomas BREP antes de la simulación, un paso que había introducido artefactos en forma de escalera a lo largo de los límites curvos de los órganos y aumentado artificialmente los requisitos de memoria computacional. ^{[ 56 ]}

La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) ha reconocido formalmente los fantomas de malla tetraédrica en el contexto de su marco de referencia de fantomas computacionales. La publicación 110 de la ICRP (2009) estableció fantomas de referencia de hombres y mujeres adultos basados ​​en vóxeles; sin embargo, trabajos posteriores reconocieron las limitaciones de la geometría de vóxeles para la dosimetría en estructuras delgadas o geométricamente complejas, como la piel, el cristalino del ojo y las capas de la pared del tracto digestivo. ^{[ 53 ]}

Los grupos de investigación han desarrollado versiones de malla tetraédrica de los fantomas de referencia de la ICRP para abordar estas limitaciones:

• Grupos de la Universidad de Hanyang (Corea) y del Centro Helmholtz de Múnich (Alemania, anteriormente GSF) investigaron la conversión de los fantomas de referencia existentes de vóxeles y mallas superficiales a formato tetraédrico, demostrando una mayor precisión dosimétrica en tejidos superficiales radiosensibles.
• Investigadores afiliados al linaje del fantoma HDRK coreano desarrollaron variantes de malla tetraédrica para permitir la deformación directa basada en FEM y el ajuste de postura, manteniendo las masas de órganos de referencia ICRP-89 durante toda la transformación geométrica. ^{[ 57 ]}
• La Fundación IT'IS (Suiza) exploró representaciones de malla tetraédrica dentro del marco de Población Virtual (ViP) para aplicaciones de dosimetría electromagnética y multifísica, donde el mallado volumétrico es un requisito previo para los solucionadores electromagnéticos de elementos finitos. ^{[ 58 ]}

Estos avances han servido de base para los debates en curso dentro de la ICRP sobre la posible adopción de fantomas de malla volumétrica tetraédrica o híbrida como futuros modelos de referencia para la dosimetría externa e interna.

Algunos grupos de investigación han adoptado un enfoque híbrido en el que se representan diferentes estructuras anatómicas utilizando el tipo de malla más apropiado:

• Los órganos grandes, geométricamente sencillos (por ejemplo, el hígado y los pulmones), pueden utilizar mallas tetraédricas más gruesas.
• Las estructuras estratificadas de paredes delgadas (por ejemplo, las capas de la pared del tracto gastrointestinal, la pared de la vejiga urinaria) utilizan mallas tetraédricas locales altamente refinadas para resolver capas de tejido de tan solo unos cientos de micrómetros de espesor, una resolución inalcanzable en los fantomas de vóxeles estándar sin un coste de memoria prohibitivo.
• El sistema esquelético, en particular el hueso trabecular y la médula ósea activa, se representa mediante mallas tetraédricas derivadas de micro-CT que capturan la compleja microestructura de la esponjosa relevante para la dosimetría ósea.

Este enfoque estratificado permite concentrar los recursos computacionales donde la precisión dosimétrica es más crítica, sin aumentar globalmente el número de elementos de la malla.

Aprovechando las capacidades 4D introducidas por los fantomas basados ​​en NURBS (por ejemplo, el fantoma NCAT), los fantomas de malla tetraédrica extienden la simulación dinámica a través del modelado de deformación basado en FEM:

• Movimiento cardíaco : El latido del corazón se simula aplicando campos de deformación FEM derivados de datos de resonancia magnética o ecocardiografía 4D marcados directamente a la malla tetraédrica del corazón, preservando el volumen y evitando la interpenetración de estructuras adyacentes.
• Movimiento respiratorio : El desplazamiento del diafragma y el cambio de volumen pulmonar se modelan resolviendo un problema de deformación de mecánica de medios continuos en la malla tetraédrica torácica, lo que produce un movimiento de los límites de los órganos físicamente consistente a lo largo del ciclo respiratorio.
• Deformación postural : Como se demostró con el concepto del fantasma CHAD, los datos de captura de movimiento pueden generar cambios posturales en todo el cuerpo; con una representación tetraédrica, el desplazamiento de los órganos internos se resuelve mediante el método de elementos finitos (FEM) en lugar de aproximarse geométricamente, lo que produce resultados anatómicamente más plausibles. ^{[ 59 ] [ 60 ]}