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Superficies y Vacío 23(S) 90-93, agosto de 2010
©Sociedad Mexicana de Ciencia y Tecnología de Superficies y Materiales
Desarrollo de un maniquí virtual tipo voxel a partir de imágenes en formato DICOM
E. Torres-García
Laboratorio de Simulación Monte Carlo, Coordinación de posgrado, Facultad de Medicina
Universidad Autónoma del Estado de México
G. Salinas-Muciño
Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma del Estado de México
Paseo Tollocan s/n, esquina Jesús Carranza
Col. Moderna de la Cruz. CP 50180, Toluca, Estado de México, México
(Recibido: 01 de marzo de 2010; Aceptado: 07 de mayo de 2010)
Actually there are a variety of phantoms which have been developed to perform experimental and theoretical radiation
dosimetry in radiotherapy. The voxel phantoms associated to Monte Carlo calculation dosimetry are built with various
techniques, introducing on it the real geometry of the human body or target region. The aim of this work is build a voxel
phantom with an innovative method of some region of human body from a computed tomography (TC) image series in
DICOM format. The MatLab software was used to generate a source code by which these images are manipulated, according
to Hounsfield scale used in DICOM format, to each subinterval of the scale referred corresponds a specific material.
Therefore, to each pixel is assigned a medium as: air, fat, tissue or bone. The result of this work is a MatLab source code (SC)
able to build a voxel phantom from CT images in DICOM format, in useful format to Monte Carlo N-particle transport code
MCNPX. The resolution or voxel size of phantom is determined by preset parameters of the scanner when images are
acquired. It is the general purpose the developed methodology showed in this work to build voxel phantoms for MCNPX code
and it is useful to simulating any region or whole body. The Hounsfield scale to build the voxel phantom should be adjusted to
each scanner into SC, even when the images are acquired from two scanners of the same model and company.
Keywords: Monte Carlo Simulation; Radiation Dosimetry; Voxel phantoms; DICOM format images
Los maniquíes (phantoms) usados para modelar o simular al cuerpo humano son usados en dosimetría para radioterapia,
braquiterapia, medicina nuclear y protección radiológica, es por esa razón que se han desarrollado numerosos modelos
antropomórficos, fabricados de acrílicos u otros materiales y actualmente se han desarrollado maniquíes virtuales. Los
maniquíes virtuales tipo voxel han tenido mayor auge, estos son construidos con varias técnicas, introduciendo en éstos la
geometría real del cuerpo humano o región de interés. El objetivo de este trabajo es construir un maniquí virtual tipo voxel de
alguna región del cuerpo humano a partir de una serie de imágenes tomográficas en formato DICOM. El software MatLab fue
usado para generar un código mediante el cual se manipulan dichas imágenes, de acuerdo a la escala Hounsfield, usada en el
formato DICOM, a cada subintervalo de la escala mencionada le corresponde un material, por esta razón a cada pixel se le
asigna un medio, el cual será: aire, tejido graso, tejido blando o hueso. El resultado de este trabajo es un código en lenguaje
MatLab capaz de construir un maniquí virtual tipo voxel a partir de imágenes DICOM de tomografía computarizada en un
formato útil para el código de transporte de partículas ionizantes llamado MCNPX. La resolución o tamaño de voxel del
maniquí estará determinado por los parámetros preestablecidos del tomógrafo al momento de adquirir las imágenes. La
metodología desarrollada en este trabajo para construir maniquíes virtuales en el código MCNPX, es de propósito general y es
útil para crear maniquíes de cualquier región del cuerpo o cuerpo entero. La escala Hounsfield para crear el maniquí se debe
ajustar para cada tomógrafo, incluso si las imágenes se adquieren con 2 tomógrafos de la misma marca y modelo.
Palabras clave: Simulación Monte Carlo; Dosimetría de radiaciones ionizantes; Maniquí tipo voxel; Imágenes DICOM
Otro modelo usado para dosimetría es el “water
phantom”, este es un tanque fabricado de acrílico lleno de
agua dentro del cual se colocan cámaras de ionización o
detectores TLD a diferentes profundidades, estos
maniquíes hoy en día son totalmente comerciales [2].
Los modelos virtuales se pueden clasificar en dos tipos:
los modelos matemáticos y los tipos voxel. Los modelos
matemáticos son aquellos que usan expresiones
matemáticas para representar diversas geometrías; como
cilindros, elipsoides, esferas, toroides, etc.; que describen
la superficie o volumen de distintos órganos y tejidos [1,3].
Un maniquí matemático solo es comparable a grandes
rasgos con el cuerpo humano, algunos maniquíes
1. Introducción
Los maniquíes diseñados para calcular la dosis absorbida
son modelos físicos o virtuales que representan secciones o
al cuerpo humano completo. Uno de los primeros modelos
diseñados y más usados para dosimetría es el maniquí
antropomórfico de Alderson-Rando; este maniquí es un
esqueleto humano insertado en material plástico sintético,
con una densidad equivalente a la del agua, el modelo se
encuentra provisto de huecos cada uno de ellos contiene un
dosímetro termoluminicente (TLD, por sus siglas en
inglés). Su talla es estándar para que los niveles de
referencia no sean sobrepasados [1].
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Corresponding Author: [email protected]
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c)
Figura 3. Reconstrucción en MatLab de un corte transversal del
maniquí virtual para cada de Paciente. a) P_1, b) P_2 y c) P_3.
Figura 1. Diagrama de flujo para construcción de maniquí virtual a
partir de imágenes en formato DICOM.(T.B. tejido blando).
a)
Figura 2. Maniquí virtual en formato de texto para el archivo de
entrada del MCNPX.
b)
Figura 4. a) Corte transversal de la mama, b) Reconstrucción en 3D de
una superficie formada por voxels que contienen tejido graso de la
mama de la Paciente 3.
matemáticos son: EVA y ADAM que representan a una
mujer y un hombre adultos, respectivamente [1,3].
Los maniquíes virtuales tipo voxel o tomográficos están
formados por un conjunto de cubos pequeños llamados
voxels, éstos se construyen a partir de imágenes digitales
de personas obtenidas por los equipos de Tomografía
Computarizada (CT, por sus siglas en inglés), Resonancia
Magnética (IMR, por sus siglas en ingles) y/o fotografías,
este tipo de maniquí representa la anatomía específica del
paciente [3,4].
Algunos maniquíes tipo voxel son: Voxelman,
desarrollado en la Universidad de Yale, U.S.A.; NORMAN
y NOAMI (HPA, Uk); Otoko y Onago de JAE, Japón. Los
maniquíes mencionados están a la venta al público en [5],
sin embargo, muchas veces es difícil usarlo con un
propósito y código específico.
Por esta razón, surge la necesidad de crear un maniquí
virtual tipo voxel, el cual posea el formato requerido para
cargarlo a un archivo de entrada del código MCNPX en su
versión 2.6.0 [6], lo cual es el objetivo de este trabajo.
a)
b)
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Tabla 1. Números CT para diferentes medios y tejidos usados en la
reconstrucción del maniquí tipo voxel.
TEJIDO
Donde la escala Hounsfield usada en este trabajo se
obtuvo de [7] y esta descrita en la Tabla 1.
RANGO
(unidades Hounsfield)
-1000
-500 a -200
-200 a -50
0
25 a 40
200 a 1000
Aire
Pulmones
Grasa
Agua
Músculo
Hueso
2. Métodos y Materiales
El maniquí tipo voxel se construirá definiendo cierto
número de medios que se encuentran dentro de la
estructura real de un paciente considerando que sus
diferencias en características físicas y químicas como;
densidad, composición química y coeficiente de
atenuación, sean notables, ya que los parámetros
mencionados influyen directamente en la distribución
espacial de la energía cuando un volumen compuesto por
distintos medios es expuesto a un campo de radiación
ionizante.
El maniquí será construido para 3 pacientes diferentes,
donde las características de
la serie de imágenes
provenientes de la tomografía computarizada para cada
paciente se muestran en la Tabla 2,
Las imágenes DICOM fueron descompuestas en una
matriz de m x n (Tabla 2), donde cada entrada es un pixel;
éste contiene el coeficiente de atenuación lineal µmn, el cual
está asociado a un número CT de la escala de Hounsfield
mostrada en la Tabla 1, de esta escala fueron seleccionados
4 subintervalos que representan a los materiales; aire,
grasa, tejido y hueso.
Después el número CT dentro de cada intervalo fue
reescalado a 1, 2, 3 y 4 de acuerdo a la escala Hounsfield
Dicho maniquí debe servir para realizar el transporte de
partículas ionizantes en cualquier modalidad de
radiotratamiento; teleterapia, braquiterapia, protección
radiológica, etc.
La CT permite guardar imágenes en formato DICOM
(Digital Imaging and Comunications in Medicine), éstas
consisten en una matriz de dimensiones m x n, donde cada
entrada representa un pixel que a su vez tiene asignado un
coeficiente de atenuación lineal ( μ ) dado por el material
que contiene, éste está relacionado directamente a una
unidad Hounsfield o número CT de acuerdo a la ecuación
1.
numero CT =
μtejido − μagua
μagua
(1)
Tabla 2. Características de las imágenes usadas para la reconstrucción del maniquí.
Paciente 1
Femenino
Pelvis
185
512 x 512
Siemens
Sexo del paciente
Región del cuerpo
Número de imágenes
Resolución de la tomografía (pixeles)
Tomógrafo
Paciente 2
Masculino
Pelvis
225
512 x 512
Siemens
Paciente 3
Femenino
Mama
100
512 x 512
Philips
Tabla 3. Datos de la imagen obtenida en la reconstrucción de los maniquíes.
Número CT
Paciente 1
Color
-1000 a -200
-200 a -50
Rojo*
Amarillo*
-50 a 110
Verde*
110 a 200
Azul*
200 a 1000
Morado*
Medio
Aire
Tejido
graso
Tejido
blando
Hueso
poroso
Hueso
sólido
Número
CT
-100 a -200
-200 a -50
-50 a 110
110 a 200
200 a 1300
Mayor de
1300
Paciente 2
Color
Rojo*
Amarillo
*
Verde*
Azul
cielo*
Azul
fuerte*
Morado*
Medio
Aire
Tejido
graso
Tejido
blando
Hueso
poroso
Hueso
sólido
próstata
Paciente 3
Color
Número
CT
-1000a-200
-200 a -50
Medio
Verde*
Azul*
Aire
Tejido graso
-50 a 200
Lila*
Tejido blando
200 a 1000
Rosa*
Hueso
*Aunque las figuras se presentan en escala de gris, al reconstruir se le puede asignar el color que se desee a cada medio, los colores mencionados en esta
tabla sólo son ejemplos.
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mostrada en la Tabla 1, para cada material
respectivamente. A cada pixel reescalado se le asignará un
color, para reconstruir la imagen en MatLab con el objetivo
de realizar una verificación visual de construcción correcta
del maniquí.
Finalmente, se cargará el maniquí de algún paciente en el
archivo de entrada del MCNPX para verificar que es
correcto el formato de dicho archivo y se visualizará el
maniquí mediante dicho código.
4. Conclusiones
Aun cuando la rutina en MatLab para construir el
maniquí virtual es de propósito general, esta se tiene que
ajustar de acuerdo a los parámetros de adquisición del
tomógrafo; resolución en pixeles, escala CT y profundidad
de los cortes transversales.
La escala Hounsfield cambia para cada tomógrafo,
incluso para imágenes de la misma persona adquiridas en 2
tomógrafos diferentes, de la misma marca y modelo, lo
cual se lo atribuimos a que cada uno de ellos ha tenido
diferente frecuencia de uso y mantenimiento.
En la construcción del maniquí virtual a partir de una CT,
no se puede distinguir con claridad distintos tipos de tejido
blando, dado que la resolución en el coeficiente de
atenuación del tomógrafo no permite hacerlo.
3. Resultados y Análisis de resultados
El resultado de este trabajo es una metodología para
construir un maniquí virtual tipo voxel en un formato útil
para el código MCNPX, dicho código simula el transporte
de partículas ionizantes, mediante el cual se podrá calcular
en trabajos futuros la influencia en la distribución de la
dosis absorbida de las heterogeneidades del medio en
alguna región anatómica de interés en tratamientos de
neoplasias con técnicas como; teleterapia, braquiterapia,
protección radiológica, etc. [8, 9].
La rutina en lenguaje MatLab desarrollada para la
construcción de maniquí se esquematiza en el diagrama de
flujo mostrado en la Figura 1,
Se construyeron 3 maniquíes, cambiando la región
anatómica de interés con el fin de mostrar la generalidad de
esta metodología. Las series de imágenes también se
obtuvieron de distintos tomógrafos, los datos específicos se
muestran en la tabla 3,
Dado que el maniquí virtual es manejado mediante un
archivo de texto con sólo números y generado para el
archivo de entrada del código MCNPX (figura 2), se
realizó en MatLab la reconstrucción del mismo para
verificar que se construyó de manera correcta, en la figura
3 se muestra un ejemplo del maniquí reconstruido de un
corte transversal de cada paciente y la figura 4 muestra un
corte transversal de la mama y la reconstrucción en 3D de
una sección de ésta.
Es importante mencionar que la metodología usada en
este trabajo, le permite al usuario construir el maniquí con
las dimensiones requeridas, lo anterior se traducirá en una
reducción enorme en el tiempo de cálculo en el MCNPX,
ya que el cálculo de la dosis absorbida se realiza en cada
voxel y el tiempo de simulación es proporcional al número
de éstos.
La rutina desarrollada está a disposición de cualquier
persona que se interese, favor de comunicarse al correo
electrónico [email protected]
Agradecimientos
Los autores agradecen al programa de mejoramiento del
profesorado (PROMEP) por el apoyo económico a través
del proyecto PROMEP/103.5/08/5224.
Referencias
[1]. R. Kramer, H. J. Khoury, J. W. Vieira, E. C. Loureiro, V. J.
Lima, F.R. Lima, G. Hoff. Phys. Med. Biol. 49, 5203 (2004).
[2]. PTW(http://www.ptw.de/water_phantom_horizontal_beams
20.html).
[3]. Marçal Salvadó Artells, Desarrollo de un programa de
simulación basado en el método de Montecarlo para el cálculo de
dosis con maniquíes divididos en voxels. Aplicaciones en
tomografía computarizada. (Tesis doctoral, Reus, Universitat
URV,
2004).
http://www.tesisenxarxa.net/TDX-0307106114909/index.html
[4]. C. Sang Hyouni, L. Choon-Sik, C. Sung Koo, C. Min Suk,
N. Seoung Ho and K. Chan Hyeong, World Congress on Medical
Physics and Biomedical Engineering, 14 (Seoul, Korea, 2006).
[5]. The consortium of computational human phantoms
(http://www.virtualphantoms.org).
[6]. X-5 Monte Carlo Team, MCNP — A General Monte Carlo
N-Particle Transport Code, Version 5. (Los Alamos National
Laboratory, USA, 2006).
[7]. P. P. Dendy, B Heaton. Physics for diagnostic radiology. 2nd
Ed. (Institute of physics Publishing, U K, 1999).
[8]. F. M. Khan. The physics of radiation therapy. 3rd ed.
(Lippincott Williams & Wilkins, China, 2003).
[9]. H. Cember. Introduction to health physics. 3er ed.
(McGraw-Hill, USA, 1996).
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