Вычислительный фантом для дозиметрии красного костного мозга для взрослых мужчины и женщины

ВВЕДЕНИЕ

Изотопы стронция накаливаются в минерализованной костной ткани и локально облучают красный костный мозг (ККМ), что может приводить к увеличению риска развития лейкозов. Изотопы ^89,90Sr были основными источниками облучения ККМ для жителей прибрежных территорий реки Теча, загрязненной радионуклидами в 1950-е годы в результате радиоактивных сбросов производственного объединения «Маяк» [1–4]. Также эти радионуклиды попадали в окружающую среду в составе глобальных выпадений в результате испытаний ядерного оружия. Таким образом, внутренняя дозиметрия ККМ от изотопов стронция является очень важной задачей в рамках исследований, проводимых для облученного населения.

Оценка доз облучения ККМ от ^89,90Sr для населения прибрежных территорий реки Теча включает в себя использование биокинетической и дозиметрической моделей. Разработанная в Уральском научно-практическом центре радиационной медицины (УНПЦ РМ) биокинетическая модель для изотопов стронция имитирует процессы обмена и транспорта этих радионуклидов в организме человека и позволяет оценивать их удельные активности в костной ткани (Бк/г). Дозиметрическая модель разрабатывается для оценки коэффициентов перехода от удельной активности радионуклида в костной ткани к мощности поглощенной дозы в ККМ (Гр/с) [4]. Дозиметрическое моделирование включает использование вычислительных фантомов-моделей, имитирующих геометрию и химический состав сред, в которых происходит симуляция переноса излучений, т.е. кости и ККМ [5]. Создание таких фантомов для бета-излучателей является сложной задачей, так как они должны адекватно описывать как линейные размеры костей, так и их микроструктуру.

Новейшие вычислительные фантомы основаны на анализе изображений компьютерной томографии (КТ) скелетов умерших людей [5–10]¹. Такие фантомы сложны в исполнении и из-за ограниченного количества аутопсийного материала не позволяют оценить неопределенности, связанные с изменчивостью размеров и микроархитектуры скелета внутри популяции [11]. В качестве альтернативы в ФГБУН УНПЦ РМ был разработан оригинальный параметрический метод стохастического моделирования костных структур — SPSD-моделирование (Stochastic parametric skeletal dosimetry) [11], который предназначен для внутренней дозиметрии ^89,90Sr. Параметры SPSD-фантомов основаны на большом количестве опубликованных результатов измерений костей. Это позволяет оценивать изменчивость характеристик скелета внутри популяции и связанную с ней вариабельность DF, что крайне важно в рамках дозиметрической поддержки исследований облученного населения прибрежных территорий реки Теча. Адекватность модели подтверждена хорошей сходимостью рассчитанных энергетических зависимостей для SPSD-фантомов и аналогичных зависимостей, представленных в литературе [11–13].

В предыдущих опубликованных работах были впервые представлены параметры фантомов скелета новорожденного, годовалого, 5-летнего и 10-летнего детей [14–17]. Так как форма скелета, а также многие характеристики моделируемых участков скелета 15-летнего ребенка схожи с таковыми для взрослого, скелет которого описан наиболее подробно и полно, было принято решение сначала смоделировать скелет взрослого и в дальнейшем моделировать скелет 15-летнего ребенка на его основе. Стоит отметить, что для взрослых важно оценить половые различия характеристик скелета, используемых для дозиметрического моделирования.

Таким образом, настоящее исследование — это новый этап работы по созданию вычислительных фантомов для различных возрастных групп.

Цель исследования — разработка вычислительных фантомов скелета взрослых мужчины и женщины для оценки доз в ККМ от инкорпорированных бета-излучающих радионуклидов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Этапы создания вычислительных фантомов взрослых не отличались от таковых для младших возрастных групп [11] и включали:

1) выделение моделируемых участков скелета с активным гемопоэзом (гемопоэтических сайтов), оценка массовой доли ККМ в них;

2) оценку линейных размеров и параметров микроархитектуры моделируемых костей по опубликованным данным;

3) сегментацию гемопоэтических сайтов;

4) генерацию воксельных фантомов для каждого сегмента.

Для оценки распределения ККМ внутри скелета взрослых и выделения на этой основе основных гемопоэтических сайтов использовали данные ПЭТ [18]. Этот метод более точен, чем МРТ-исследование, результаты которого использовали для анализа распределения ККМ внутри скелета для младших возрастных групп [19]. Гемопоэтические сайты представляют собой целые кости или наборы костей, они могут включать участки без ККМ. Для того чтобы установить факт наличия ККМ в том или ином участке конкретного гемопоэтического сайта, использовали опубликованные данные МРТ-исследований [20–25].

Параметры фантомов включали усредненные значения характеристик костной микроархитектуры, а именно: толщину трабекул (Tb. Th.), размер межтрабекулярного пространства (Tb. Sp.), долю костной ткани в объеме кости (BV/TV) [26], толщину кортикального слоя (Ct. Th.) и линейные размеры костей.

Набор опубликованных данных, используемых для оценки параметров фантомов, а также методика их сбора и анализа подробно описаны ранее [26]. Для оценки параметров фантомов взрослых принимали результаты измерений костей, опубликованные в рецензируемых изданиях, атласах, монографиях и диссертациях, а также использовали электронные ресурсы, содержащие коллекции рентгеновских снимков. Для анализа применяли результаты измерений людей/образцов, определенных авторами как здоровые и не имеющие заболеваний, приводящих к деформации кости. Если опубликованные данные были недоступны, то для получения характеристик конкретного участка скелета были использованы измерения костей из анатомических коллекций Южно-Уральского гуманитарного педагогического университета и Южно-Уральского медицинского университета. Эти кости были без повреждений и не были разделены на группы в соответствии с полом. Измерения проводились сотрудниками биофизической лаборатории УНПЦ РМ с использованием микрометров (REXANT MK 12-9110-2, Китай).

В анализе были использованы данные измерений костей у людей, относящихся к этническим группам, характерным для Уральского региона: европеоидной и монголоидной в возрасте от 20 до 50 лет для женщин и от 20 до 60 лет для мужчин.

Характеристики костной микроархитектуры, необходимые для SPSD-моделирования, включали: толщину трабекул (Tb. Th.), размер межтрабекулярного пространства (Tb. Sp.), долю костной ткани в объеме кости (BV/TV) [26]. Для их оценки использовали результаты исследований, полученные с помощью гистоморфометрии и микро-КТ (компьютерная микротомография). Для оценки толщины кортикального слоя кости принимали опубликованные результаты измерений с использованием КТ, микро-КТ, а также микрометров. Линейные размеры костей оценены на основе опубликованных результатов измерений с использованием анатомических боксов, ультразвуковых и рентгенологических исследований, а также компьютерной томографии (КТ).

При отсутствии гендерных различий исследуемых характеристик кости наборы данных для обоих полов были объединены. В этом случае участок кости моделировали независимо от пола. В других случаях фантомы для мужчин и для женщин были смоделированы отдельно.

Участки скелета с активным гемопоэзом были разделены на сегменты меньшего размера. Каждый сегмент имеет однородные микроархитектуру и толщину кортикального слоя кости, а также описывается простой геометрической формой. Для каждого такого участка был смоделирован базовый фантом сегмента кости (БФСК) [27]. Такая сегментация позволила учесть неоднородную микроархитектуру внутри кости и толщину кортикального слоя, а уменьшение размеров фантомов путем их разделения позволяет увеличить их разрешение, что улучшает точность моделирования.

Линейные размеры и параметры костной микроархитектуры были определены отдельно для каждого сегмента как усредненные значения характеристик костей [26].

Плотность и химический состав моделируемых сред (минерализованной кости и костного мозга) были одинаковы для всех БФСК и оценивались на основе литературных источников [28][29].

Генерирование БФСК проводили в программе Trabecula [30]. БФСК состоит из кубов-вокселей, которые, в зависимости от своего положения, имитируют одну из моделируемых сред.

Важно отметить, что в рамках дальнейшего дозиметрического моделирования трабекулярная (ТК) и кортикальная кость (КК) рассматривались как отдельные ткани-источники, несмотря на то что в составе БФСК они смоделированы вокселями, имитирующими минерализованную костную ткань, а костный мозг рассматривался как единая ткань-мишень [30]. ТК представляет собой трехмерную сеть (костных тяжей) трабекул, толщина и взаимное расположение которых определено случайно в рамках вариабельности параметров микроархитектуры внутри моделируемой кости [30], оцененной на основе опубликованных данных [31–35]. Такой способ моделирования трабекул позволил учесть их неоднородность и приблизить модель к структуре реальной кости. КМ заполняет пространство между трабекулами, а КК покрывает БФСК снаружи сплошным слоем толщиной, равной Ct. Th. Воксельное разрешение для каждого БФСК выбрано отдельно, размер вокселя не превышал 70% Tb. Th. и был в пределах 50–140 мкм [30]. Объемы ТК, КК и КМ автоматически рассчитывались в программе Trabecula.

На рисунке 1 представлены основные гемопоэтические сайты взрослого человека, разделение кости на сегменты, а также срезы смоделированных БФСК на примере бедренной кости взрослого мужчины.

Возможность оценки неопределенности DF является важным достоинством SPSD-методики. Для этого для каждого БФСК, сгенерированного со средними значениями параметров, было создано 12 дополнительных фантомов сегментов кости (ДФСК) со случайно выбранными параметрами микро- и макроструктуры кости в пределах их индивидуальной вариабельности (в границах минимальных и максимальных измеренных значений). Способ оценки неопределенностей в рамках SPSD-подхода подробно описан ранее [36].

Гемопоэтические сайты скелета взрослого человека, а также массовая доля ККМ в них были определены согласно результатам ПЭТ [18] и представлены в таблице 1.

Как показано в таблице 1, скелет взрослого включает в себя 12 гемопоэтических сайтов. Массовая доля ККМ в них варьирует от 1,8 до 23,2%. Распределение ККМ внутри каждого гемопоэтического сайта дано согласно опубликованным данным МРТ [20–25]. Половых различий в распределении ККМ обнаружено не было.

На основе данных международной комиссии по радиационной защите [28] для взрослых был получен химический состав моделируемых сред; соответствующие данные представлены в таблице 2.

Плотность минерализованной костной ткани оценена на основе опубликованных результатов измерений плотности кортикальной кости взрослых (вне зависимости от пола) и равна 1,9 г/см³ [29]. Плотность красного костного мозга принимали равной плотности жировой ткани (0,98 г/см³) [28].

В результате анализа опубликованных данных не было обнаружено значимых половых различий характеристик костной микроархитектуры [26], поэтому данные мужчин и женщин были объединены. В таблице 3 приведены значения параметров микроархитектуры БФСК взрослых мужчины и женщины.

Для создания реалистичной модели трехмерной сети трабекул необходимо оценить значения вариабельности характеристик микроархитектуры внутри кости. Для этой характеристики нами были найдены опубликованные данные только для костей таза, позвоночника и черепа. Усредненное значение вариабельности среди указанных участков использовано для генерирования остальных фантомов. Значения вариабельности внутри кости, принятые для различных участков скелета взрослого, представлены в таблице 4.

В таблице 5 представлены линейные размеры и толщина кортикального слоя, принятые для БФСК взрослых мужчины и женщины. Ознакомиться с источниками данных, на которых основаны приведенные параметры, можно в опубликованной работе [26].

В отличие от параметров микроструктуры кости для ряда костей взрослого имеются значимые половые различия линейных размеров; для этих участков размеры оценены отдельно для мужчин и отдельно для женщин.

SPSD-фантомы скелета взрослых мужчины и женщины являются сборными и состоят из 71 БФСК, из которых 25 сегментов специфичны для мужчины, еще 25 — для женщин, а 21 сегмент моделировался одинаково для обоих полов, что показано в таблице 5.

Наибольшее количество фантомов в составе одного гемопоэтического сайта определено для крестца — 10, в то время как череп и плечевая кость содержат в своем составе по одному БФСК.

Как и для фантомов младших возрастных групп [14–17], большая часть БФСК взрослого представляет собой цилиндры и прямоугольные параллелепипеды, линейные размеры которых были в пределах от 4 до 66 мм. Наибольшие половые различия линейных размеров наблюдались для нижней части верхней ветви лобковой кости (область лобкового симфиза) и составили 66%. Наименьшее значение толщины кортикального слоя было определено для БФСК шейных позвонков (0,3 мм) и более чем в семь раз отличалось от максимального значения, принятого для проксимального конца бедренной кости (2,2 мм). Параметры микроархитектуры БФСК также варьировали в широких пределах. Значение BV/TV — от 6 до 52%, Tb. Th. — от 0,1 до 0,29 мм, Tb. Sp. — от 0,5 до 2,37 мм (табл. 3).

Популяционная вариабельность линейных размеров БФСК в среднем равна 12%, наибольшее значение вариабельности оценено для нижней ветви лобковой кости (36%), а наименьшее — для тел шейных позвонков (3%). Вариабельность толщины кортикального слоя кости была в пределах от 2% (шейные позвонки) до 50% (поясничные позвонки) и в среднем равна 20%. Вариабельность параметров микроструктуры была в пределах от 7 до 65% и в среднем составила 18%.

Полученные значения вариабельности параметров фантомов были использованы для генерирования ДФСК. Объем ДФСК был в пределах 23–264% от объема БФСК.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Характеристики фантомов взрослых людей описаны в литературе наиболее подробно и полно, для их оценки было использовано порядка 260 литературных источников, включающих описание 28 000 людей или образцов костей [26]. Процессы окостенения в скелете взрослого человека завершены, как и превращение костного мозга в желтый. Участки скелета, которые в детском возрасте имели малый размер и/или не окостенели и по этим причинам не моделировались, были смоделированы для взрослых. Поэтому фантом скелета взрослого человека содержит в своем составе большее количество БФСК, чем фантомы младших возрастных групп [14–17]. Распределение ККМ для взрослых существенно отличается от такового для детей: доля ККМ в черепе составляет 6,2%, что в 2 раза ниже, чем для 10-летних детей [17], наибольшая доля ККМ во взрослом возрасте характерна для костей таза и позвоночника. BV/TV для БФСК взрослых в среднем в полтора раза меньше, чем для БФСК 10-летнего ребенка. Tb. Th. с возрастом практически не меняется, а Tb. Sp. в среднем увеличился на 15% по сравнению с 10-летним. В таблице 6 приведено сравнение объемов сред в составе БФСК для десятилетнего ребенка с объемами для взрослых мужчины и женщины.

Общий объем фантомов взрослых больше, чем у 10-летнего, в среднем на 17% при гораздо более существенном увеличении размеров скелета. Такие малые различия объемов связаны с прекращением гемопоэза в участках скелета, моделируемых сравнительно большими фантомами, а также более подробной сегментацией скелета и, как следствие, большим количеством небольших по размеру БФСК. Тем не менее для БФСК, которые моделируются одинаково для 10-летних и для взрослых, заметен существенный рост объемов сред с возрастом, что показано в таблице 6. Для таких БФСК объемы сред увеличились в среднем в 2 раза. Половые различия объемов сред в составе фантомов, моделируемых для взрослых, для отдельных БФСК достигали 62% (верхняя ветвь седалищной кости), а в среднем составили 8 %.

Для взрослых были найдены опубликованные данные по соотношению масс частей поясничного позвонка [37]. Согласно этим данным масса тела поясничного позвонка составляет 65,3 ± 4,0% от массы всего позвонка. В рамках SPSD не моделировали ножки позвонка, так как они содержат небольшое количество ККМ, тем не менее масса БФСК тела составляет 70,0 ± 5,0% от суммы масс всех БФСК, имитирующих поясничный позвонок, что очень близко к опубликованным результатам измерений реальных костей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе впервые было представлено описание SPSD-фантомов скелета для взрослых мужчины и женщины. Каждый фантом скелета состоит из 46 базовых фантомов-сегментов и включает: проксимальные части бедра и плеча, крестец, ребра тазовые кости, череп, ключицы, лопатки, грудину, а также позвонки шейного, грудного и поясничного отделов. При этом половые различия линейных размеров были характерны для 25 из 46 сегментов. Параметры микроархитектуры и кортикальная толщина не отличались у женских и мужских фантомов сегментов. На основе оценки вариабельности параметров фантомов-сегментов для каждого базового фантома-сегмента кости было сгенерировано по 12 ДФСК. DF, рассчитанные для ДФСК, будут использованы для оценки популяционной вариабельности DF.

Представленные фантомы взрослых будут использованы для расчета коэффициентов перехода ^89,90Sr, что позволит усовершенствовать дозовые оценки для жителей Уральского региона. Данная работа является пятой в серии статей, посвященных параметрам вычислительных фантомов скелета людей разного возраста и пола. В качестве направления дальнейшего исследования мы планируем создать SPSD-фантомы скелета для лиц мужского и женского пола в возрасте 15 лет. Сгенерированные фантомы могут быть использованы для внутренней дозиметрии остеотропных бета-излучателей у населения, а также для дозиметрии других бета-излучающих радионуклидов, в том числе применяемых в радионуклидной терапии, таких как ⁸⁹Sr, ³²P, ¹⁸⁶Re, ¹⁸⁸Re, ^117mSn.