中国成年男性参考人体素模型CRAM淋巴结的建立及其在放射性核素治疗中的应用
刘欢 , 邱睿 , 潘羽晞 , 李君利     
清华大学 工程物理系, 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室, 北京 100084
摘要:利用人体计算模型对接受放射性核素治疗的淋巴癌病人进行剂量评估时,淋巴结是至关重要的,国际放射防护委员会(International Commission on Radiological Protection,ICRP)在103号报告中将淋巴结作为辐射敏感器官。由于淋巴结在人体内分布广泛且尺寸小,在人体计算模型中很难对其进行描述。该文介绍了一种在中国成年男性参考人体素模型(Chinese reference adult male voxel model,CRAM)中自动建立淋巴结的方法,并计算了放射性核素131I分布在淋巴结时,人体其他组织或器官的S因子。在CRAM中建立了17个部位的淋巴结,淋巴结总数目、总质量符合中国参考值。S因子的计算作为淋巴结在放射性核素治疗剂量评估中的一个应用,其大小基本上能够反映淋巴结及人体其他组织或器官的位置信息。
关键词体素模型     淋巴结     S因子     剂量    
Development of lymphatic nodes in the Chinese reference adult male voxel model (CRAM) with applications to radionuclide therapy
LIU Huan, QIU Rui, PAN Yuxi, LI Junli     
Key Laboratory of Particle and Radiation Imaging of the Ministry of Education, Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract:The dosages to lymphatic nodes are critical to evaluating the dose in lymphoma patients treated with radionuclide therapy in studies using human computational phantoms. Furthermore, the International Commission on Radiological Protection (ICRP) now considers the lymphatic nodes to be a radiosensitive tissue in ICRP Publication 103. Since lymphatic nodes are widely distribute the human body and are quite small, they are difficult to model in human computational models. This paper introduces a method that automatically develops lymphatic nodes in the Chinese reference adult male voxel model (CRAM). The S-values for 131I are calculated with the lymphatic nodes as the source organs and the other organs and tissues in the human body treated as the target regions. The CRAM model has a total of 17 lymphatic node sites. Both the number and mass of the lymphatic nodes accord with the Chinese reference values. The S-value calculation illustrates the dose assessment for radionuclide therapy and its value is related to the position of the lymphatic nodes and other organs and tissues in the human body.
Key words: voxel phantom     lymphatic node     S-value     dose    

近年来,中国淋巴癌的发病率约为0.09‰,并且以每年4%的速度上升,是目前血液系统中恶性肿瘤增长速度最快的“杀手”,儿童和青壮年患者居多。放射性核素肿瘤治疗是将放射性药物定向运送到病变组织和细胞,通过放射性核素衰变时释放出的短射程的α射线、β射线、俄歇电子、内转换电子产生的电离作用达到治疗目的,其对周围组织的损伤很小。放射性核素131I在治疗非霍奇金淋巴瘤时能够达到较为满意的疗效。

在医学内照射剂量评估中,通常采用对病人的计算模型进行Monte Carlo模拟,从而得到组织或器官的吸收剂量。人体计算模型对人体组织或器官的解剖信息进行了详细描述,特别是ICRP[1-3]报告推荐的辐射敏感器官。不同类型的人体计算模型对组织或器官描述的详细程度及采用的技术有很大差别。

人体计算模型根据其使用的实体几何建模技术的不同可分为3代,分别为数学模型、体素模型和面元模型。数学模型采用简单的椭球、圆锥体、椭球柱等二次曲面描述组织或器官的外形。体素模型主要采用交互分割工具结合解剖学知识对CT (computed tomography)、MRI (magnetic resonance imaging)图像或者人体彩色断层照片进行处理,用不同编号重新定义的像素来代表不同组织或器官。近年来,研究者们开始使用一种边界表示(boundary representation, BREP)的方法来构建新一代面元模型,此模型在体素模型的基础上采用一系列微小的“面元”描述人体器官,因此,在解剖形态上与体素模型相当。

在人体计算模型描述的诸多组织或器官中,淋巴结对于进行放射性核素治疗的淋巴癌病人组织或器官剂量的评估至关重要。此外,ICRP 103号报告将淋巴结作为评价有效剂量时的辐射敏感器官[3],因此,淋巴结模型的描述在辐射防护剂量评估中也很关键。淋巴组织集中在活跃的骨髓、淋巴结、脾脏、胸腺、黏膜、扁桃体、扁桃腺、派伊尔结、阑尾中[4]。ICRP 89号报告指出在成人体内大约有600~700个淋巴结[5],淋巴结分布非常广泛,而且尺寸很小,因此在人体计算模型中很难描述。

研究者在人体数学模型中没有对淋巴结进行描述,一些研究者尝试在体素模型中描述淋巴结。在ICRP 103号报告起草修订过程中,Ferrari和Gualdrini[6]为了校正有效剂量,重新计算了组织或器官的光子外照射剂量转换系数,然而,作者没有明确地描述淋巴结,只是用血管替代了淋巴结。Kramer等[7]在体素模型MAX06和FAX06中描述了淋巴结,但是淋巴结仅在腹股沟、腋窝、膝后窝、肘窝、腹部、颈部这些位置。Zankle等[8]建立的ICRP参考男、女体素模型中利用手动重新分割剩余软组织的方法对6个不同位置的淋巴结进行了分割。另外,Lee等[9-11]在其建立的系列化混合体模(成人、儿童)中自动分割了人体16个部位的淋巴结。中国成年男性参考人体素模型CRAM[12],并没有对淋巴结这一辐射敏感器官进行分割。虽然,Lee等已经对其建立的体模进行了全身淋巴结的详细分割,但是,这一淋巴结模型及由模型计算出的剂量数据仅可用于高加索人,中国人与高加索人在身高、体重上存在着明显的差异,因此需要建立专门适用于中国参考人的淋巴结模型。

本文介绍了一种在中国成年男性参考人体素模型CRAM上自动分割淋巴结的方法。首先在CRAM中找到17个淋巴结簇的中心位置,随后在以淋巴结簇中心位置为球心的球形区域内随机采样单个淋巴结的中心位置,在每一个淋巴结簇区域内生成若干具有确定直径的淋巴结小球,重复以上过程直到17个淋巴结簇区域中的淋巴小结的数目、质量符合淋巴结解剖学参数的要求。为了说明淋巴结在放射性治疗中的应用,将每个淋巴结簇作为源器官,人体38个组织或器官(包括17个淋巴结部位)作为靶器官,计算了放射性核素131I的S因子。

1 淋巴结的建立方法 1.1 淋巴结的解剖学参数

人体内淋巴结数目众多且分布广泛,不同个体之间淋巴结的数目也存在着差异,很难精确估计淋巴结的位置和个数。中国参考人解剖生理和代谢数据中指出中国成年人体内淋巴结为500~600个,成人淋巴结的总质量约为200~300 g[12]。根据人体系统解剖学以及实用人体解剖学的描述,人体淋巴结大致分为17个部位,分别是头部、颈部、胸廓(上、下)、胸(左、右)、肠系膜(左、右)、腋窝(左、右)、尺骨(左、右)、腹股沟(左、右)、膝后窝(左、右)、纵膈,并假定淋巴结是左右对称分布的[13-14]。为了更加真实地描述淋巴结,本文用到了另外3个参数,分别是单个淋巴结直径、淋巴结簇直径、淋巴结簇区域中淋巴结个数。

系统淋巴解剖学中指出淋巴结为圆形或者椭球形的小体,其大小不等,长径约为0.1~2.5 cm。本文假定CRAM中淋巴结为球体,一般情况下直径为12 mm。由于头部、胸廓、纵膈、膝后窝这些部位没有足够多的脂肪和肌肉来分割淋巴结,因此假定这些部位的淋巴结直径为10 mm,此外,其他部位的淋巴结直径也根据分割的实际情况进行了微小的调整。17个淋巴结簇区域的直径近似于体模最大宽度除以10,肠系膜和腹股沟处比较特殊,直径分别是体模的最大宽度除以5和15。

国内关于淋巴结的文献资料没能确定给出各个淋巴结簇区域的淋巴结个数,只是大致给出了数目的范围。ICRP 89号报告给出了个别淋巴结簇区域的淋巴结个数,该报告指出成人体内腋窝处有8~37个淋巴结,肺门处有50~60个淋巴结,肠系膜处有200~500个淋巴结,淋巴结总数为600~700个。中国参考人体内淋巴结总数为300~600个,按照ICRP中淋巴结和中国参考人淋巴结总数的比例关系,取腋窝(左、右)淋巴结个数为19、肺门(胸廓上、下)淋巴结个数为47、肠系膜(左、右)淋巴结为280个,淋巴结总数为566个,其余11个部位淋巴结(566-19-47-280=220)平均为20个,从而确定了17个淋巴结簇区域的淋巴结具体数目,这些数据也很好地符合了国内相关文献中淋巴结的数目。

1.2 淋巴结的生成

为了在CRAM中实现淋巴结的自动生成,实验室开发了程序LN (lymph node),该程序是用MATLAB语言编写的,程序具体实现流程图见图 1。首先根据系统淋巴解剖学对淋巴结位置的描述及解剖图片在CRAM中找到17个淋巴结簇区域的中心位置(xyz坐标),然后将单个淋巴结的直径、17个淋巴结簇区域的中心位置、淋巴结个数这些前期确定的解剖学参数以及体素模型CRAM的数据输入到LN程序中。淋巴结的生成过程包括3个阶段:淋巴结簇区域选择、位置采样、淋巴结生成。选择17个淋巴结簇区域中的一个,在这个淋巴结簇特定的球形区域中随机采样淋巴结的中心位置,在这个过程中,必须保证采样到的淋巴结中心位置所在的体素标号代表肌肉或者脂肪。如果采样到的中心位置是已经分割的组织、器官或者骨骼,那么此次采样失败,需要重新采样。采样到正确位置后,在此位置上生成直径为12 mm的淋巴结。如果选择的淋巴结部位是头部、胸、纵膈、或者膝后窝,则生成直径为10 mm的淋巴结。重复进行以上过程直到17个淋巴结部位都生成规定数目的淋巴结。

图 1 CRAM淋巴结生成程序LN的实现流程

1.3 淋巴结的三维显示

淋巴结自动生成程序运行结束后,将得到的CRAM新数据输入到三维显示软件Amira中,对淋巴结及CRAM的其他组织或器官进行三维显示。Amira软件是澳大利亚Visage Imaging公司开发的一个功能强大的3D可视化、分析与建模软件。Amira可以可视化来自不同应用领域的数据集,如医学、生物学、生物化学、材料科学和显微学等。多种格式的3D数据可以被Amira快速识别、显示、分析、比较以及定量。本文主要使用该软件5.4.3版本进行体素模型的可视化。

2 131I的S因子计算

本文计算了放射性核素131I的S因子。采用一个通用的Monte Carlo输运程序MCNPX2.5来计算光子和电子在靶器官中沉积的能量。其中131I的电子和光子能谱从ICRP 107号报告中获取[13],采用MATLAB语言编程将CRAM模型的三维矩阵数据输出为栅元文本形式,完成体素模型的栅元填充,各个组织或器官的材料组成和密度从ICRU (International Commission on Radiation Units and Measurements)报告中获得,对光子和电子分别模拟1×107个粒子,保证误差降低到可以接受的范围。17个淋巴结部位作为源器官,38个器官和组织(包括17个淋巴结)作为靶器官。除了17个淋巴结外靶器官包括肺、唾液腺、食道、胃、小肠、结肠、肝、胆囊、胰、心脏、胸腺、脾、肾、膀胱、睾丸、前列腺、皮肤、脑、甲状腺、胸、肾上腺。131I均匀地分布在选中的淋巴结源部位。

根据医学内照射剂量模式,S因子是指源部位每发生一次核衰变,靶器官的吸收剂量,S因子强烈的依赖于源器官和靶器官的几何以及衰变的种类。本文用Monte Carlo模拟方法计算131I的S因子,其中光子和电子的计算是分开的。Monte Carlo模拟直接给出每个光子和电子沉积在靶器官rT的能量Eγ(rT)和Eβ(rT)(MeV/粒子)。通过下式计算出源器官对靶器官的S因子,单位为mGy/(MBq·s),

$ \begin{array}{*{20}{c}} {S\left( {{r_{\rm{T}}} \leftarrow {r_{\rm{S}}}} \right) = 1.602 \times {{10}^{ - 10}}\frac{1}{{M\left( {{r_{\rm{T}}}} \right)}}\left[ {{E_\gamma }\left( {{r_{\rm{T}}}} \right){Y_\gamma }} \right. + }\\ {\left. {{E_{\rm{\beta }}}\left( {{r_{\rm{T}}}} \right){Y_{\rm{\beta }}}} \right].} \end{array} $

其中:YγYβ是每次核衰变光子和电子的产额,单位为(MBq·s)-1M为靶器官的质量,单位为kg。

3 结果及讨论 3.1 淋巴结分割结果

在中国成年男性参考人体素模型CRAM的基础上,利用一个自主开发的MATLAB程序LN分割了全身17个部位的淋巴结。CRAM的体素大小为1.741 mm×1.741 mm×1 mm,通过输入淋巴结的解剖学参数自动生成全身淋巴结。图 2给出了CRAM的3D正面图,为了更好地显示淋巴结,图 2b去除了其他组织或器官,只留下骨骼。淋巴结分割程序LN共生成了566个淋巴结,符合中国参考人的参考值(300~600个)。淋巴结的总质量为211 g,该质量也符合中国参考人淋巴结质量(200~300 g),淋巴结详细数据见表 1。此外,表 1也给出了Lee等[11]对UF (University of Florida)成年男体模的淋巴结分割结果。其中,淋巴结的个数、质量主要参照ICRP 89号报告的数据,代表了高加索人的全身淋巴结的分布情况。CRAM每个淋巴结簇区域淋巴结数目与UF成年男体模相应部位淋巴结数目是成比例的,该比例等于两者淋巴结总数之比。淋巴结的分割与全身的肌肉、脂肪分布密切相关,相比高加索人,中国参考人的肌肉脂肪较少,在一些区域,例如头、膝后窝、胸廓,没有足够的肌肉、脂肪生成淋巴结,需要将这些部位的淋巴结直径调小,因此其质量要偏小于高加索人。

图 2 CRAM显示图

表 1 CRAM淋巴结生成结果
部位 CRAM淋巴结生成结果 UF成年男体模淋巴结生成结果
个数 质量/g 个数 质量/g
胸腔外淋巴结 20 3.184 23 1.67
颈部淋巴结 20 4.933 23 30.08
胸廓上淋巴结 23 3.597 5 1.73
胸廓下淋巴结 24 3.849 2.23
胸淋巴结(左) 20 5.217 46 5.41
胸淋巴结(右) 20 4.955 5.41
肠系膜淋巴结(左) 140 49.312 350 59.56
肠系膜淋巴结(右) 140 49.499 59.56
腋窝淋巴结(左) 9 6.612 22 4.06
腋窝淋巴结(右) 10 7.362 4.06
尺骨淋巴结(左) 20 14.461 46 8.12
尺骨淋巴结(右) 20 14.527 8.12
腹股沟淋巴结(左) 20 14.527 46 8.12
腹股沟淋巴结(右) 20 14.658 8.12
膝后窝淋巴结(左) 20 4.886 46 8.12
膝后窝淋巴结(右) 20 5.042 8.12
纵膈淋巴结 20 4.823 - -
总计 566 211.445 657 223
中国参考人 300~600 200~300 - -
ICRP 600~700 210 600~700 210

此外,表 2给出了CRAM各个部位淋巴结的质量、质量分布百分比与ICRP男性参考体素模型的数据比较结果。将CRAM中17个淋巴结部位与ICRP体模淋巴结的位置相对应,ET (extrathoracic region)呼吸道、胸段呼吸道、躯干这些部位的淋巴结质量分布百分比符合的比较好,其他部位差别较大。由于ICRP男性参考体素模型的淋巴结是基于图片进行的简单、不完全分割,且中国人与ICRP代表的高加索人之间本身就存在显著差别,淋巴结分割结果的差别反映了人种、模型、方法的差别。

表 2 CRAM模型与ICRP参考模型的淋巴结比较
ICRP成年男性参考体模 中国成年男性参考人体素模型CRAM CRAM/ICRP
百分比/%
淋巴结部位 质量/g 百分比/% 淋巴结部位 质量/g 百分比/%
ET呼吸道 2.3 1.6 胸腔外 3.2 1.5 0.95
胸段呼吸道 6.4 4.6 胸廓上下、纵膈 12.3 5.8 1.26
6.0 4.3 颈部 4.9 2.3 0.54
躯干 104.4 75.7 胸腺左右、腋窝左右、肠系膜、腹股沟 152.1 71.9 0.95
手臂 7.8 5.7 尺骨左右 29.0 13.7 2.41
11.1 8.0 膝后窝左右 9.9 4.7 0.59
总数 138.0 211.4

总体上,该模型既充分考虑了中国人的淋巴结解剖数据,也采用了ICRP 89号报告的建议,能够很好地反映中国人淋巴结的解剖事实。

3.2 131I的S因子计算结果

基于淋巴结分割完成的CRAM体模,利用Monte Carlo模拟方法计算了放射性核素131I分别均匀分布于17个淋巴结部位时,人体38个组织或器官(包括17个淋巴结部位)的S因子。图 3a3b分别给出了放射性核素131I分布于左、右肠系膜淋巴结时各个靶器官的S因子。淋巴结位置的不同直接影响了肝脏、胆囊、胰腺、脾、胃的剂量,当131I分布在右侧肠系膜淋巴结时,肝脏、胆囊、胰腺这些位于人体右侧的器官的剂量明显高于131I分布在左侧肠系膜淋巴结时的剂量。相应地,位于人体左侧的脾、胃这2个器官的剂量在131I源位于左侧肠系膜时明显高于131I位于右侧肠系膜。另外,当131I源位于人体的左侧肠系膜淋巴结时,胃的剂量明显高于肝的剂量;当131I源位于人体的右侧肠系膜淋巴结时,肝脏的剂量明显高于胃的剂量。图 3显示的结果跟人体各个器官的解剖学位置相一致。图 4a4b给出了131I源分别位于左、右腹股沟淋巴结时17个淋巴结部位的剂量情况,左右腹股沟淋巴结的剂量明显高于其他淋巴结的剂量。当131I源位于左侧淋巴结时,左侧肠系膜淋巴结的剂量高于右侧肠系膜淋巴结的剂量。

图 3 131I在肠系膜淋巴结(左、右)中21个靶器官的S因子,假定131I均匀的分布在源器官中

图 4 131I均匀分布在腹股沟淋巴结(左、右)中17个淋巴结区域的S因子

3.3 131I的S因子计算结果比较与分析

放射性核素131I分布在16个淋巴结部位时(除纵膈淋巴结),对人体组织或器官的S因子的计算结果与Lee等[9-11]文献中给出数据的变化趋势基本吻合,具体数据存在着一定的差别。Lee等文献中的数据是基于UF成年男性体模计算的,代表了高加索人的情况。图 5a5b给出了131I分别位于腋窝淋巴结、肠系膜淋巴结时,中国参考人、UF成年男性组织或器官的S因子值。从图 5a5b看出,当源位于腋窝淋巴结、肠系膜淋巴结时, CRAM中大部分组织或器官的S因子均略大于UF成年男性体模的值。高加索人的身高和体重大于中国参考人,那么淋巴结距其他组织或器官就相对比较远,从而,131I衰变产生的光子、电子在器官中沉积的能量相对较小。另外,高加索人的大部分组织或器官的质量略大于中国参考人,从S因子的定义可以发现其值与靶器官的质量成反比。这2个方面共同的影响导致CRAM中组织或器官的S因子值略大。从图 5可以看出,少部分器官与上面的结果不相符,因为S因子除了依赖于距离、靶器官质量,还与源器官、靶器官的几何形状密切相关。2个不同的体模以及不同的淋巴结分割标准所引起的变化因素有很多,S因子是这些因素综合作用的结果,正因如此,才有必要进行不同人种体模淋巴结的分割及S因子的计算,将来也可能需要考虑相同人种不同个体的区别。

图 5 不同体模情况下,人体组织或器官的S因子

4 结论

原有中国男性参考人体素模型CRAM并没有对淋巴结进行分割,为了能够评估淋巴癌病人在进行放射性核素治疗时组织或器官的剂量,本文开发了一个自动生成淋巴结的程序并对CRAM体模进行了淋巴结的分割。淋巴结的解剖学参数主要从中国参考人解剖生理和代谢以及ICRP89号报告中获取,并且参考了一些国内外的淋巴结解剖参数。本文分割了人体17个部位的淋巴结,在完成淋巴结的分割后,采用Monte Carlo模拟程序MCNPX v2.5计算放射性核素131I分别均匀分布在17个淋巴结部位时人体38个组织或器官(包括17个部位的淋巴结)的S因子。对不同源所致相同靶器官以及相同源不同靶器官之间的S因子进行了数值的对比,S因子基本上能够反映人体组织或器官的位置信息。本文开发的自动分割淋巴结程序具有高度的自动化,不同人的淋巴结可能存在着差异,该程序能够通过改变淋巴结的大小以及位置对特定的病人进行对应的淋巴结模拟,这对淋巴癌病人放射治疗中剂量的评价非常重要。

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