10歲中國兒童參考人面元體模的建立

胡安康，邱 睿,*，代明亮，馬銳垚，武 禎，李春艷，張 輝，李君利，閆淯淳，袁新宇

(1.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084；2.清華大學(xué) 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.同方威視技術(shù)股份有限公司，北京 100084；4.首都兒科研究所附屬兒童醫(yī)院 放射科，北京 100020)

電離輻射所致人體和器官劑量直接表征射線對人體可能的損傷和潛在的風(fēng)險(xiǎn)，對劑量進(jìn)行準(zhǔn)確的評估具有重要意義。由于難以通過探測器直接測量器官劑量，因此借助計(jì)算機(jī)人體模型利用蒙特卡羅方法估算劑量成為準(zhǔn)確評估劑量的重要手段。計(jì)算機(jī)人體模型發(fā)展至今相繼出現(xiàn)了數(shù)學(xué)模型、體素模型和面元模型。與使用圓柱體、封閉二次曲面建模的數(shù)學(xué)模型相比，面元模型可真實(shí)反映人體器官形態(tài)和相對位置，在劑量評估中有更高的精度。相比于體素模型，面元模型易于通過靈活的變形操作反映人體在輻射場中的不同姿態(tài)和不同體格人的身體和器官形態(tài)，同時(shí)面元模型也可描述呼吸道壁等使用體素模型難以描述的組織[1]，具有更高的精確性。國際放射防護(hù)委員會(ICRP)在ICRP 110號出版物所建立的成年男女參考人體素模型的基礎(chǔ)上建立面元模型[2-3]。目前我國在面元體模方面的研究還比較有限。

隨著X射線、CT等放射學(xué)檢查的不斷普及，兒童接受放射性醫(yī)學(xué)檢查的人數(shù)和劑量逐年上升。兒童正處于生長發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，具有較高的輻射敏感性，同時(shí)由于兒童預(yù)期壽命較長，低劑量照射造成的遠(yuǎn)期效應(yīng)可能致使人群癌癥發(fā)病率明顯提高，因而兒童所受劑量的準(zhǔn)確評估對于國民遠(yuǎn)期健康狀況的評估、促進(jìn)電離輻射遠(yuǎn)期效應(yīng)的研究有著重要的意義。文獻(xiàn)[4-5]建立了包含兒童和成年人體模在內(nèi)的、體格特征和器官質(zhì)量符合ICRP參考人數(shù)據(jù)的一系列面元模型UF family。但由于ICRP報(bào)告中參考人的數(shù)據(jù)是基于高加索人種得到的，中國兒童的生長發(fā)育情況、體格特征等與其有很大差別，因而有必要建立符合中國兒童體格和器官特征的體模用于劑量評估。文獻(xiàn)[6]將已建立的符合ICRP參考人數(shù)據(jù)的成年男女面元模型(RIP-AM、PIR-AF)進(jìn)行分段縮放和調(diào)整，建立了符合GBZ/T 200《輻射防護(hù)用參考人》標(biāo)準(zhǔn)的中國兒童參考人面元模型。文獻(xiàn)[7]根據(jù)1歲兒童物理體模的CT掃描圖像建立了符合中國兒童參考人特征的體素模型，模型的器官和骨骼是通過縮放成年人得到的。由于成年人在骨骼發(fā)育水平、部分器官形態(tài)和相對位置與兒童差別較大，采用上述方法建立的兒童體模不能準(zhǔn)確體現(xiàn)中國兒童的解剖學(xué)特性。本研究組基于首都兒科研究所提供的體格符合GBZ/T 200.1—2007標(biāo)準(zhǔn)[8]的兒童的CT掃描圖像，建立中國兒童參考人系列面元體模。本文采用多邊形網(wǎng)格模型與NURBS曲面模型相結(jié)合的方法，建立10歲中國兒童面元體模。

1 體模建立

面元模型主要有兩種類型：1) 使用非均勻有理B樣條曲面的NURBS曲面模型(NURBS模型)；2) 采用多邊形網(wǎng)格的PM模型(PM模型)。PM模型是采用若干三角形或四邊形面片來表示物體的表面，其精度取決于面片數(shù)量，但在建模過程中易出現(xiàn)平滑程度不好、非流形錯(cuò)誤、很難通過調(diào)整面元頂點(diǎn)進(jìn)行局部變形等問題，且難以直接利用三角面片繪制出一物體。而NURBS曲面具有較好的平滑特性，且樣條曲線具備撓度曲線的一些特征，可較好地反映物體彈性形變的情況，但在使用NURBS曲面建立頭骨、脊柱等有較多孔洞的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜的器官或曲率有突變的器官模型時(shí)較為困難[9]。

鑒于人體的部分骨骼拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且存在曲率突變，且一部分器官難以通過劃分醫(yī)學(xué)影像圖像來得到，而在建模過程中不可避免地要對器官的形狀進(jìn)行一些調(diào)整，本文采用兩種類型相結(jié)合的方法建模。對于大部分器官，直接采用PM模型進(jìn)行建立和調(diào)整，而對于腸道等需要人工建立的器官和部分需要進(jìn)行微調(diào)形狀的器官采用NURBS模型進(jìn)行，建模和調(diào)整后，再轉(zhuǎn)變?yōu)镻M模型。建模的流程為：CT圖像分割→器官模型優(yōu)化調(diào)整→器官裝配及微調(diào)→器官的補(bǔ)充建立。

1.1 CT掃描圖像和圖像分割

通過保留首都兒科研究所附屬醫(yī)院兒童身體檢查時(shí)的不同體段的CT掃描圖像，為本文建立的10歲中國兒童參考人面元模型提供基礎(chǔ)。本文所建立模型的基礎(chǔ)CT圖像由不同兒童的頭頸段、胸腹段、盆部至足部和足部4段掃描圖像分割拼接而成。胸腔和腹腔部分器官由相應(yīng)體段的增強(qiáng)CT掃描圖像得到。

為使得本文建立的兒童體模具有代表性，在選取CT掃描圖像時(shí)，選擇年齡為10歲的受檢者CT圖像，且其身高、體重與GBZ/T 200.1—2007中確定的10歲兒童參考人的數(shù)值相同。此外，體模建立過程中需對身體輪廓、器官形態(tài)和質(zhì)量進(jìn)行一定的調(diào)整，在這些調(diào)整過程中盡量使所建立體模的體格參數(shù)及器官質(zhì)量符合中國兒童參考人的數(shù)值。

進(jìn)行圖像分割時(shí)，將CT掃描圖像導(dǎo)入3D-Doctor軟件中，進(jìn)行中值濾波等預(yù)處理提高圖像質(zhì)量后再分割。限于CT掃描對軟組織的分辨能力，器官邊緣不明顯，分割腹腔等部位器官時(shí)需要一定的解剖學(xué)知識和經(jīng)驗(yàn)。本工作在首都兒科研究所放射科醫(yī)師指導(dǎo)下結(jié)合斷面解剖圖譜對器官進(jìn)行了準(zhǔn)確分割[10]。將分割得到的器官輪廓利用3D-Doctor的3D建模功能導(dǎo)出，以PM模型表示器官表面的三維模型。圖1為腹腔CT圖像的分割。

圖1 腹腔CT圖像的分割Fig.1 Celiac CT image segmentation

1.2 除骨骼外的器官的優(yōu)化和調(diào)整

骨骼與人體其他器官的形態(tài)差異較大，骨骼由皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨髓等元素組成和輻射敏感程度差異較大的幾種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，優(yōu)化和調(diào)整方法與其他器官有顯著的差異。

3D-Doctor直接導(dǎo)出的分割后器官的PM模型平滑度較差、面片數(shù)量較多，且可能存在錯(cuò)誤，因此導(dǎo)出的模型需導(dǎo)入到Rhinoceros軟件中進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。優(yōu)化時(shí)減少面元的數(shù)量，提高模型的平滑程度，去除由分割誤差造成的不平滑區(qū)域，修復(fù)外露邊緣、非流形邊緣錯(cuò)誤，保證模型的正確性。

由于采用的基礎(chǔ)CT圖像是基于個(gè)體的CT掃描圖像，建立兒童參考人模型時(shí)需將器官的質(zhì)量調(diào)整至與參考人數(shù)據(jù)相同。調(diào)整時(shí)依據(jù)ICRU 46號報(bào)告[11]、GBZ/T 200.2—2007[12]、亞洲參考人[13]等數(shù)據(jù)計(jì)算得到各器官的參考體積，將器官模型通過偏移網(wǎng)格或通過整體等比例縮放器官的方法調(diào)整體積，使之與計(jì)算的參考體積在相對誤差1%內(nèi)符合。

對于胃、膽囊、膀胱等有內(nèi)容物的器官，調(diào)整體積時(shí)首先將器官總體積調(diào)整至器官壁和內(nèi)容物體積之和，再將模型外表面向內(nèi)偏移得到器官內(nèi)表面，內(nèi)表面包圍的部分為器官內(nèi)容物，內(nèi)外表面之間的部分作為器官壁。

1.3 骨骼的優(yōu)化和調(diào)整

1) 骨骼的調(diào)整方法

人體的骨骼構(gòu)成較為復(fù)雜，構(gòu)成骨骼的各結(jié)構(gòu)在密度、元素組成和輻射敏感程度有較大的差異，為保證劑量計(jì)算時(shí)的精度，面元模型的骨骼采用非均勻骨模型。脊柱外的其他骨骼分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，松質(zhì)骨內(nèi)包含骨小梁和骨髓的混合物。對于脊柱，采用混合皮質(zhì)骨模型，即在體素化時(shí)將骨骼最外層作為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨的混合物，合理設(shè)置二者的比例，使得皮質(zhì)骨的體積與該部位的皮質(zhì)骨體積相等[14]。

2) 各部位骨骼組織參考體積的計(jì)算

GBZ/T 200.2—2007僅給出不同年齡段兒童的骨骼總質(zhì)量和紅骨髓總質(zhì)量，未給出其分布。對于不同骨組織在不同部位的分布，采用ICRP 70號出版物[15]中給出的參考值，對于皮質(zhì)骨、骨小梁、黃骨髓、軟骨和其他骨組織的總質(zhì)量、密度，則采用亞洲參考人的數(shù)據(jù)。由于ICRP 70號出版物的數(shù)據(jù)和亞洲參考人的數(shù)據(jù)存在一些不自洽和矛盾，在實(shí)際調(diào)整過程中需結(jié)合CT圖像分割的結(jié)果進(jìn)行微調(diào)，以保證各種骨組織的總質(zhì)量符合GBZ/T 200.2—2007和亞洲參考人的標(biāo)準(zhǔn)[16]。

按照上述方法計(jì)算、調(diào)整的非均勻骨模型區(qū)分了皮質(zhì)骨、松質(zhì)骨、骨髓等不同的骨組織，使模型更加真實(shí)地反映人體骨骼結(jié)構(gòu)，提高了劑量計(jì)算特別是骨劑量計(jì)算的精度。

1.4 器官的裝配和微調(diào)

CT掃描得到的基礎(chǔ)圖像來自于不同人的不同體段的掃描圖像，因此通過分割后導(dǎo)出的各體段的體模處于各自的坐標(biāo)系中，需進(jìn)行裝配操作使之成為一完整的體模。裝配時(shí)根據(jù)解剖學(xué)知識，以骨骼對齊為依據(jù)整體調(diào)整每個(gè)體段的體模的位置，準(zhǔn)確拼接各體段的體模，之后平滑連接體段間的皮膚以構(gòu)成完整的體模，在進(jìn)行裝配時(shí)保證人體處于正直站立狀態(tài)，且使體模身高與參考人數(shù)據(jù)相同。

在建模和調(diào)整過程中不可避免地會出現(xiàn)器官間沖突、重疊的現(xiàn)象，調(diào)整時(shí)首先微調(diào)器官位置，再利用NURBS變形功能進(jìn)行調(diào)整。

1.5 其他器官的補(bǔ)充建立

1) 消化管的建立

由于大腸、小腸、食道在CT圖像中無法劃分，在建模時(shí)需采用Rhinoceros的NURBS建模功能手動(dòng)建立。大腸使用不等半徑的圓管建立，小腸則根據(jù)解剖學(xué)知識使用等半徑的圓管盤曲折疊而成。建立食道時(shí)通過在CT圖像上畫出幾個(gè)明顯的標(biāo)志點(diǎn)，使用樣條曲線插值得到中心線，以此建立圓管。

2) 肋軟骨和其他器官的建立

肋軟骨、唾液腺、舌等器官難以在CT圖像中完整劃分。借助NURBS曲面靈活、平滑的變形功能，首先使用橢球、半圓柱、橢圓管建立簡單器官模型，之后通過適當(dāng)?shù)淖冃蔚玫叫螤詈臀恢谜_的器官模型。再將所有用NURBS曲面建成的器官模型轉(zhuǎn)換為PM模型。

2 面元體模構(gòu)建結(jié)果

依照上述方法建立了10歲兒童參考人的面元模型。10歲兒童男性和女性除生殖器官外，其他器官差別較小，GBZ/T 200.2—2007統(tǒng)一給出了器官的質(zhì)量，未區(qū)分男女。本文建立的兒童體模，男女共用一套器官和身體外表面，只在涉及生殖器官處有不同。圖2為10歲中國兒童參考人面元體模。

本文建立的10歲中國兒童參考人體模的器官質(zhì)量與GBZ/T 200.2—2007確定的參考人器官質(zhì)量相同，體模器官質(zhì)量通過體積乘以該器官的密度得到。表1列出了體模主要器官和GBZ/T 200.2—2007確定的參考人器官質(zhì)量對比。

圖2 10歲中國兒童參考人面元體模Fig.2 10-year-old Chinese pediatric reference boundary representation phantom

器官質(zhì)量/g體模GBZ/T 200.2—2007相對誤差/%睪丸4.714.70.20卵巢1.391.4-0.71紅骨髓710.007100.00結(jié)腸169.10170-0.53肺582.205800.38胃75.08750.11膀胱20.8621-0.67肝849.56850-0.05食管25.10250.40甲狀腺7.907.90.00皮膚1 190.861 200-0.76骨骼4 534.084 5000.76腦1 350.111 3500.01心臟150.051500.03腎174.99175-0.01脾100.041000.04唾液腺44.6945-0.69膽囊3.984-0.50小腸323.45325-0.48胰59.62600.59眼14.10140.71眼晶體0.350.350.00腎上腺6.056.00.83胸腺37.04370.11腦垂體0.400.40.00

本文建立的體模內(nèi)部建立了85個(gè)器官，由于建模軟件公差的限制，對于在GBZ/T 200.2—2007有規(guī)定參考值的器官，本文所建立的體模的器官質(zhì)量與參考值相對差異小于1%，其余器官質(zhì)量與亞洲10歲兒童參考人器官參考質(zhì)量相對差異小于1%。在體格參數(shù)方面，體模的身高、體重的體格參數(shù)符合GBZ/T 200.1—2007所規(guī)定的參考值。

由于兒童尚處于生長發(fā)育時(shí)期，故兒童的部分器官在形態(tài)、相對大小、相對位置上較成年人有很大差別，兩者間的差異以腹腔器官尤為突出。兒童肝臟占據(jù)腹腔空間的比例明顯大于成年人，而肝臟附近有較多與其緊密接觸的臟器，準(zhǔn)確的劑量評估需建立真實(shí)反映兒童解剖特性的體模，本文通過直接分割兒童的CT圖像建立的模型，在調(diào)整時(shí)改動(dòng)較小，保持了兒童器官的解剖學(xué)正確性。圖3為體模不同橫截面與相應(yīng)位置CT圖像的對比?？煽闯?，體模在器官形態(tài)與相對位置上符合中國兒童的解剖學(xué)特性。

圖3 體模橫截面與相應(yīng)位置CT圖像的對比Fig.3 Comparison of cross-sections between phantom and CT image

兒童骨骼發(fā)育尚未完全，部分軟骨沒有完全骨化，所以兒童的部分骨骼的形態(tài)和關(guān)節(jié)連接處與成人有很大差異，年齡越小，差異越明顯。本文建立的體模保留了兒童骨骼發(fā)育的特性，相比于直接縮放成年人骨骼建立的體模具有更高的精度。

本文采用PM模型與NURBS模型建模相結(jié)合，最后轉(zhuǎn)換為PM模型的方法既保證了能對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲率存在突變的骨骼等器官進(jìn)行準(zhǔn)確建模，又能對難以通過分割CT圖像得到的器官進(jìn)行建模。使用PM模型還具有跨平臺通用的優(yōu)勢，可在多種建模軟件上進(jìn)行處理，且可充分利用GPU加速圖形處理。此外，通過NURBS變形功能可實(shí)現(xiàn)對體模器官進(jìn)行平滑微調(diào)，且調(diào)整過程在一定程度上反映了器官形變特性，為今后調(diào)整體模以適應(yīng)不同的體格和姿態(tài)提供了有效的方法。

3 結(jié)論

本文基于10歲中國兒童的CT掃描圖像，建立了體格特征和器官質(zhì)量符合GBZ/T 200.1—2007及GBZ/T 200.2—2007規(guī)定的參考人標(biāo)準(zhǔn)值的10歲中國兒童參考人面元模型。該模型的身高、體重等體格數(shù)據(jù)與中國參考人標(biāo)準(zhǔn)一致。已劃分的器官與GBZ/T 200.2—2007和亞洲參考人參考值的差異小于1%。同時(shí)，本文建立的面元體模的各器官在形態(tài)和相對位置上均符合10歲兒童的解剖學(xué)特性，具有較高的解剖學(xué)精度。

本文建立的10歲中國兒童參考人面元體模為兒童劑量評估提供了重要工具。該體?？蓱?yīng)用于兒童接受X射線攝影、CT、核醫(yī)學(xué)影像檢查等放射性醫(yī)學(xué)檢查時(shí)的劑量評估。結(jié)合面元模型易于調(diào)整變形的優(yōu)點(diǎn)，還可通過變形調(diào)整得到不同體格、不同姿勢的體模，更加真實(shí)地模擬不同兒童、不同姿勢接受照射時(shí)的劑量。