계산 인간 팬텀

Computational human phantom

컴퓨터 인간 팬텀은 컴퓨터 분석에 사용되는 인체의 모델이다.1960년대 이후 방사선학계는 이 같은 모델을 개발해 전리방사선 선량측정 연구에 적용했다.이러한 모델들은 인체의 내부 구조와 관련하여 점점 더 정확해지고 있다.

컴퓨팅이 발전함에 따라, 유령도 진화했다.단순한 2차 방정식을 바탕으로 한 팬텀에서 실제 인체 의학적 이미지를 바탕으로 한 복셀화된 팬텀까지 졸업하는 것이 주요 단계였다.최신 모델은 통일되지 않은 이성적 B-스플라인(NURBS)과 폴리곤 메쉬와 같은 좀 더 발전된 수학에 바탕을 두고 있어 3차원 공간뿐만 아니라 시간적으로도 시뮬레이션을 할 수 있는 4-D 팬텀이 가능하다.

팬텀은 임신부는 물론 어린이부터 청소년, 성인, 남성과 여성, 그리고 임산부에 이르기까지 매우 다양한 인간들을 위해 개발되었다.이렇게 다양한 팬텀으로 의료 영상 촬영 절차에서 핵의학까지 다양한 종류의 시뮬레이션을 실행할 수 있다.수년간, 이러한 시뮬레이션의 결과는 국제방사선방호위원회(ICRP) 권고안에서 채택된 표준의 종류를 만들어냈다.[1]

스타일화된(1세대) 컴퓨터 팬텀

1세대 컴퓨터 팬텀은 내부 축적된 방사성 물질의 장기 선량을 근로자와 환자에게 더 잘 평가해야 할 필요성을 다루기 위해 개발되었다.1950년대 후반까지 ICRP는 여전히 매우 단순한 모델을 사용했다.[2]이러한 계산에서 신체의 각 기관은 "유효한 반지름"을 가진 구체로 표현되는 것으로 가정되었다.관심 방사성핵종이 구의 중심에 위치한 것으로 가정하고 각 장기에 대해 "유효 흡수 에너지"를 계산했다.Shepp-Logan Phantom과 같은 팬텀은 이미지 재구성 알고리즘 개발 및 테스트에서 인간 머리의 모델로 사용되었다.[3][4][5][6]하지만 과학자들은 신체의 개별적인 장기들과 궁극적으로 전체 인체를 사실적으로 모형화하려고 시도했고, 그 노력의 결과로 인체 해부도를 닮은 의인화된 유령들이 양식화되었다.

일반적으로 스타일화된 계산 팬텀은 몬테카를로 방사선 운송 컴퓨터 코드와 결합할 때 신체의 방사선 상호작용과 에너지 침적을 추적하는 데 사용될 수 있는 인체의 수학적 표현이다.양식화된 계산 팬텀의 특징은 개별 장기의 부피, 위치, 형태를 기술하는 수학 방정식의 개별 매개변수를 조정하여 정교하게 조정된다.스타일화된 계산 팬텀은 1960년대부터 1980년대까지 긴 발전 역사를 가지고 있다.

MIRD 팬텀

MIRD 팬텀은[7] 1960년대 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)에서 Fisher와 Snyder에 의해 22개의 내부 장기와 100개 이상의 하위 영역으로 개발되었다.[8][9]그것은 내적 선량측정을 위한 헤르마프로다이트 성인을 나타내는 최초의 의인화된 유령이다.

MIRD에서 파생된 팬텀

패밀리 팬텀 시리즈[10]

MIRD 팬텀에 기초하여, 이후 수십 년 동안 많은 팬텀의 파생이 개발되었다.대표적인 팬텀 종류로는 1980년대 크리스티와 에커맨이 개발한 스타일화된 '패밀리' 팬텀 시리즈, 독일 GSF가 개발한 'ADAM과 EVA', 주류 방사선방호 선량측정 커뮤니티에 알려지지 않은 NASA가 개발한 CAM(Computerized Anatomical Man) 팬텀 등이 있다.

스타일화된 팬텀에 대한 제한

방사선방호, 방사선치료, 의료영상 분야에서 응용 분야를 다양화하고 확대하기 위해 많은 노력을 기울였지만 타고난 한계를 극복할 수는 없다.이 수학적 유령에서 내부 장기의 표현은 각 장기의 위치와 기하학에 대한 가장 일반적인 설명만을 포착함으로써 조잡했다.1980년대 후반 강력한 컴퓨터와 단층 촬영 기술이 보급되면서 역사는 복셀 팬텀의 새로운 시대를 열었다.

복셀(2세대) 팬텀

양식화된 팬텀은 오차가 큰 기본적인 정보만 제공했다.진보를 위해서는 보다 정확한 인체 시뮬레이션 방법이 필요했다.더 많은 연구를 허용하기 위해서, 컴퓨터 기술은 더 강력하고 더 쉽게 이용할 수 있어야 했다.이것은 1980년대에 이르러서야 일어났다.실제 돌파구는 컴퓨터단층촬영(CT)과 자기공명영상(MRI) 장치가 내부 장기에 대한 고도로 정확한 영상을 3차원과 디지털 형식으로 생성할 수 있을 때 발생했다.연구원들은 이 진단 데이터를 복셀(볼륨 픽셀) 형식으로 변환할 수 있다는 것을 발견했는데, 이것은 근본적으로 3D로 인간의 몸을 디지털 형태로 재창조하는 것이다.오늘날 복셀 형식의 인간 팬텀은 38개가 넘는데, 이는 다양한 용도로 사용된다.[11]

구현 과제

참조 팬텀의 개발과 관련된 두 가지 주요 문제는 유용한 이미지를 얻는 것과 이러한 이미지에서 생성된 대량의 데이터를 처리하는 데 어려움을 겪는 것이다.CT 스캔은 인체에 많은 양의 전리방사선을 제공한다 – 계산용 팬텀은 애초에 회피하기 위해 고안된 것이다.MRI 영상은 처리하는 데 오랜 시간이 걸린다.게다가, 단일 피험자의 대부분의 스캔은 신체의 작은 부분만을 다루는 반면, 유용한 데이터를 위해서는 전체 스캔 시리즈가 필요하다.이 자료를 다루는 것 또한 어렵다.최신 컴퓨터들은 데이터를 저장할 수 있을 만큼 큰 하드 드라이브를 가지고 있었지만, 원하는 복셀 크기로 영상을 처리하기 위한 메모리 요구 사항은 종종 너무 가팔랐다.[1]

복셀 팬텀의 기본 개발 프로세스

복셀 팬텀이 많이 개발됐지만 모두 비슷한 과정을 거쳐 완성됐다.첫째로, 그들은 CT 스캔, MRI 영상촬영 또는 사진을 통해 직접 영상촬영으로부터 원시 데이터를 얻어야 한다.둘째, 신체의 구성 요소는 분할하거나 식별하여 나머지 구성 요소와 분리해야 한다.셋째, 각 성분의 구성과 함께 각 성분의 밀도를 파악해야 한다.마지막으로 데이터는 단일 3D 구조로 통일되어야 분석에 사용될 수 있다.

초기 개발

복셀화된 팬텀에 대한 초기 연구는 밴더빌트 대학의 깁스 박사와 독일 국립환경보건연구센터(GSF)의 잔클 박사에 의해 거의 동시에 독립적으로 이루어졌다.[12][13]이것은 1982년경에 일어났다.깁 박사의 연구는 의료용량 시뮬레이션에 사용된 인간 팬텀의 재구성을 위해 CT나 MRI 영상이 아닌 X선 영상으로 시작했다.M. Zankl과 팀은 C.T 이미징을 사용하여 BABY부터 VISILE HUMAN까지 12개의 팬텀을 만들었다.

국가별 복셀 팬텀 디자인 향상

  • 미국
    • 주발 박사와 예일 대학교 연구팀은 1994년에 복셀맨 팬텀을 개발했다.[14]이 원래의 팬텀은 머리부터 발끝까지 완성되었고, 특히 핵의학을 향상시키기 위해 고안되었다.초기 개발 이후 완전한 인체를 나타내기 위해 팔과 다리를 포함하도록 개선되었으며, 뇌의 작은 내부 하부 구조를 묘사하는 전용 헤드가 완성되었다.[15]
    • 2000년에, George Shu 박사와 RPI (Rensselaer Polytechnic Institute)의 두 학생은 국립 의학 도서관 (NLM) VHP에서 검색한 데이터로부터 VIP-Man 팬텀을 만들었다.[16]이 팬텀은 지금까지 37억 개가 넘는 복셀을 가진 가장 복잡한 모델이었다.이 모델은 건강물리학과 의학물리학에 관한 많은 연구에 사용되었다.
    • 볼치 박사와 플로리다 대학의 팀은 2002년부터 2006년까지 소아용 팬텀 세트를 만들었다.[17]아동 계산 팬텀은 이 시점까지 심각하게 과소평가되어 있었다.연구팀은 신생아부터 10대 중반까지 다양한 모델을 개발했다.
    • 미국 식품의약국(FDA)은 X선 선량 연구를 위한 복셀 기반의 가상 가족 신체 팬텀을 개발했다.구 박사와 키프리아누 박사는 2011년 남성/여성 고해상도 컴퓨터 하트 팬텀(복셀/메쉬 기반 모두)으로 심장 부분을 개선했다.[19]주요 기여는 관상동맥의 세부 수준이 이러한 팬텀에서 보인다는 것이다.
  • 브라질
  • 영국
    • 노먼 팬텀은 딤비로우 박사가 이끄는 팀에 의해 개발되었다.[21]이것은 1996년 한 인간 남성의 자기공명영상을 분석하여 만들어졌다.2005년 이 팀은 여성 팬텀을 만들었다.
  • 호주.
    • 플린더스 대학교에서 카온 박사와 팀은 1999년에 10대 소녀를 흉내내기 위해 몸통 팬텀을 만들었다.[22]팬텀의 이름은 아델라이드였다.이것은 수 년 동안 유일한 십대 여성 팬텀이었다.
  • 일본.
    • 최초의 아시아 팬텀은 2001년에 사이토 박사와 일본 원자력 연구소의 팀에 의해 개발되었다.[23]이것은 주로 방사선 선량측정 연구에 사용되었다.
    • 미국 정보통신기술연구소(NICT) 나가오카 박사가 이끄는 또 다른 그룹은 JAERI 그룹과 비슷한 시기에 남녀 팬텀을 만들었다.[24]이것들은 MR 이미지에서 만들어졌다.
  • 한국
    • 한국에서는 2004년 이후 많은 컴퓨터 팬텀이 만들어졌다.이 씨와 김 씨.[25]남성 팬텀과 여성 팬텀이 모두 만들어졌다.HDRK(High-Definition Reference Korean)는 RPI에서 VIP-Man 팬텀을 제작하는 것과 유사한 시체의 컬러 사진으로 만들어졌다.
  • 중국
    • 2000년대 중반 중국 정부는 자체 버전의 VHP를 만들도록 허가했다.[26]이 데이터는 장 박사와 중국 방사선방호연구소 연구팀이 지금까지 가장 정확한 계산 팬텀인 CNMAN 팬텀을 만들기 위해 사용했다.
  • 독일.
    • M. Zankl과 동료들은 CT 영상을 사용하여 세 명의 소아 환자와 임신 24주차에 한 명의 여성을 포함한 다양한 개별 복셀 팬텀을 구성했다.[27][28][29][30][31]

최근 개발

통계 팬텀

내부 방사성핵종 선량측정 및 기타 핵의약품 적용을 위한 인종별 장기 모델 구축을 위해 통계적 형상 모델링에 기초한 연산 프레임워크가 제시되었다.인종별 통계 팬텀을 생성하기 위해 사용된 제안 기법은 해부학적 사실성을 유지하고 방사성핵종 선량측정에 적용하기 위한 통계 매개변수를 제공한다.[32]

경계 표현(3세대) 팬텀

경계표현(BRP) 팬텀은 경계표현법을 이용해 인체의 외부 및 내부 해부학적 특징을 포함하는 계산 인간 모델이다.건강과 의학 물리학의 영역에서 그것들은 주로 전리방사선 선량측정에 사용된다.

계산 인간 팬텀의 개발에서 특히 관심 있는 것은 특정한 신체 기관 형태, 볼륨 또는 신체 자세에 맞게 기하학을 편리하게 변형할 수 있는 "변형 가능한" 팬텀의 개념이다.이러한 유형의 팬텀 설계는 NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) 방법이나 폴리곤 메쉬 방법으로 실현되며, 일반적으로 BREP 방법이라고 한다.복셀 팬텀에 비해 BREP 팬텀은 압출, 채프링, 블렌딩, 드래프팅, 쉘링, 트윗 작업과 같은 대규모 컴퓨터 작업이 가능하기 때문에 기하학적 변형과 조정에는 더 적합하다.BREP 팬텀의 주요 장점은 기존 기준 팬텀 또는 실제 작업자 또는 환자의 해부학적 구조로 변환할 수 있다는 것이며, 이는 개별 선량 계산을 가능하게 한다.[33]

NURBS 기반 팬텀

통일되지 않은 합리적 B-스플라인(NURBS) 기반 팬텀의 표면은 제어 지점 세트로 공식화된 NURBS 방정식으로 정의된다.NURBS 표면의 모양과 부피는 제어점의 좌표에 따라 다르다.이 기능은 시간에 의존하는 4D 인체 모델 설계에 유용하다.[33]NCAT 팬텀은 Segars 외 연구진에 의해 제시되며, 이 팬텀은 심장 시스템의 보다 현실적인 모델링으로 심장과 호흡 운동을 시뮬레이션하는 데 사용된다.

폴리곤 망사 기반 팬텀

폴리곤 메시(polygonal mesh)는 3D 공간에서 다면체의 형태를 지정하는 정점, 가장자리, 면의 집합으로 구성되어 있다.팬텀의 표면은 다량의 다각형 메시에 의해 정의되며, 가장 일반적으로 삼각형이다.폴리곤 메쉬는 전신 팬텀을 개발하는 데 있어서 세 가지 놀라운 장점을 가지고 있다.첫째로, 인체 해부학을 묘사한 망사 표면은 실제 환자 이미지나 상용 인체 해부학적 망사 모델에서 편리하게 얻을 수 있다.둘째, 폴리곤 메시 기반의 팬텀은 기하학을 조정하고 미세 조정하는데 상당한 유연성을 가지고 있어 매우 복잡한 해부학의 시뮬레이션을 가능하게 한다.셋째, 코뿔소, AutoCAD, VTK(Visualization Toolkit) 등 많은 상용 컴퓨터 보조설계(CAD) 소프트웨어는 다각형 메시를 NURBS로 신속하게 변환할 수 있는 내장 기능을 제공한다.[33]

개발

실제 모션 데이터(왼쪽)를 모션 캡처 플랫폼(가운데)에서 획득하여 CHAD 팬텀([34]오른쪽)의 자세를 결정하는 데 사용

세가스는 팬텀 디자인에 NURBS를 적용한 선구자였다.2001년 그의 박사 논문은 동적 NURBS 기반 심장-토르소(NCAT) 팬텀을 개발하는 방법을 상세히 기술했다.팬텀에는 4D 태그(MRI) 데이터에서 파생된 4D 박동 심장 모델이 있다.팬텀 몸통에 남아 있는 장기는 Visible Human Project CT 데이터 세트를 기반으로 설계되었으며 3D NURBS 표면으로 구성되었다.호흡 운동도 이 유령에 통합되었다.

2005년에 렌셀라이어 폴리테크닉 연구소의 쉬 외 연구진은 3D VIP-Man 팬텀을 사용하여 NCAT 팬텀의 게이트 호흡 동작 데이터를 채택하여 호흡 운동을 시뮬레이션했다.[35]4D VIP-맨 흉부 팬텀은 폐암 환자의 외부 빔 치료 계획을 연구하는데 사용되었다.[36]2007년 쉬의 연구팀은 임신 3개월, 6개월, 9개월의 임신 말기에 임신부와 태아를 나타내는 일련의 폴리곤 기반의 팬텀을 만들었다고 보고했다.[37]망사 데이터는 처음에 임신 7개월 여성 CT 데이터 세트, 태아의 망사 모델 등 별도의 해부학적 정보 출처에서 입수했다.2008년, 두 개의 삼각 메시 기반의 팬텀이 만들어졌는데, 이 팬텀은 RPI 변형 가능한 성인 남성과 여성(RPI-AM, RPI-FM)으로 명명되었다.[38][39]팬텀의 해부학적 매개변수는 ICRP-23과 ICRP-89에서 유래한 내부 장기의 질량과 밀도라는 두 데이터 집합과 일치하도록 만들어졌으며 전신 높이와 체중 백분위 데이터는 국민건강영양검사(NHANES 1999–2002)에서 얻었다.이후, 유방 크기와 폐 선량측정 사이의 관계를 연구하기 위해, RPI-AF의 유방 기하를 변경하여 새로운 유령 그룹이 만들어졌다.[39]

2006년부터 2009년까지 플로리다 대학의 연구원들은 신생아, 1세, 5세, 10세, 15세, 성인 남성/페밀을 나타내는 총 12개의 "하이브리드" 남성과 여성 팬텀을 디자인했다.[40][41][42]팬텀은 "하이브리드"로 취급되는데, 대부분의 장기와 조직은 NURBS 표면으로 모델링된 반면 골격, 뇌 및 외흉부 기도는 다각형 표면으로 모델링되었기 때문이다.[43]팬텀의 해부학적 매개변수는 4개의 기준 데이터 집합, 즉 표준 인체측정학 데이터, ICRP 간행물 89의 기준 기관 질량, ICRU 보고서 46뿐만 아니라 ICRP 89에 제공된 기준 원소 구성 및 ICRP 간행물 89 및 100에 제공된 연금술 기관에 대한 참조 데이터와 일치하도록 조정되었다.

2008년 밴더빌트 대학교 연구진은 듀크 대학교의 연구자들과 협력하여 NURBS 기반의 NCAT 성인 남성 팬텀과 여성 팬텀을 적용하여 성인 및 소아 팬텀의 가족을 개발하였다.[43]NURBS 표면을 조정하기 위해 ICRP-89 기준 신체와 장기 값을 사용했다.

2009년 브라질 페르남부코 연방대학의 카솔라 [44]외 연구진은 서 있는 자세의 폴리곤 메시 기반의 팬텀, FASH(여성 성인 mesH)와 MASH(남성 성인 mesH)를 개발했다.이 방법론은 RPI-AM 및 RPI-FM 설계에서 구현된 방법론과 매우 유사하지만 완전히 동일하지는 않다.

2010년에는 기존 RPI-AM을 기반으로 RPI 연구진이 23~44kg∙m-2의 체질량지수(BMI)가 다른 5개의 팬텀을 계속 만들어냈다.[45]이러한 팬텀은 CT 및 양전자 방출 단층촬영(PET) 검사에 따른 BMI와 장기 선량 사이의 상관관계를 연구하기 위해 사용된다.

2011년 한국 한양대 연구진은 폴리곤-표면 참조 한국 남성 팬텀(PSRK-Man)[46]을 보고했다.이 팬텀은 VKH맨(Visible Korean Human-Man, VKH-Man)을 폴리곤 메시 기반의 팬텀으로 변환하여 제작하였다.장기와 조직의 높이, 무게, 기하학적 구조를 참조 한국 데이터와 일치하도록 조정했다.복셀화 없이 PSRK-man은 내장 함수를 사용하여 Geant4 몬테카를로 시뮬레이션에서 직접 구현될 수 있었지만, 계산 시간은 VKH-man에서 파생된 복셀화 팬텀인 HDRK-Man(High Definition Reference Korean-Man)에서 요구하는 것보다 70~150배 길었다.

2012년, RPI의 연구원들은 모션 캡처 시스템을 사용하여 얻은 데이터와 함께 그 자세를 조정할 수 있도록 구조화된 애니메이션 도시메트리용 컴퓨터 인간 팬텀을 개발했다.[47]이 팬텀은 원자력 사고 시나리오의 직업에 관련된 노동자의 움직임을 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있으며, 연구자들은 노동자의 움직임이 방사선량에 미치는 영향의 이해를 얻을 수 있다.

참고 항목

참조

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외부 링크