A Parametric Stochastic Model of Bone Geometry
DOI:
https://doi.org/10.14529/mmp180204Ключевые слова:
микро- и макро- структура трабекулярной кости, стохастическое моделирование, вокселизация.Аннотация
Целью настоящего исследования является разработка алгоритма параметрического моделирования костей с учетом особенностей их микроархитектуры, который позволяет генерировать фантомы гематопоэтических сегментов кости на основе литературных данных о микро- и макро- размерах сегментов. Мы предлагаем подход,позволяющий моделировать кости путем их разбиения на небольшие сегменты, описываемые геометрическими фигурами простой формы, заполненные стохастически генерируемой стержнеподобной моделью трабекулярной структуры, с подходящим разрешением воксела. Предлагаемый метод позволяет избежать недостатков непараметрического моделирования, основанного на индивидуальной компьютерной томографии. Параметрический подход позволяет, также, моделировать индивидуальную изменчивость костно-специфических размеров. Модель, представленная в этой статье, может быть использована для описания геометрии гемопоэтических сайтов, которые, в свою очередь, служат основой для расчета доз облучения гемопоэтических клеток костного мозга от инкорпорированных бета-излучателей.
Библиографические ссылки
Cox L.G.E., van Rietbergen B., van Donkelaar C.C., Ito K. Analysis of Bone Architecture Sensitivity for Changes in Mechanical Loading, Cellular Activity, Mechanotransduction and Tissue Properties. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, 2011, vol. 10, no. 2, pp. 701-712. DOI: 10.1007/s10237-010-0267-x
Vaughan T.J., Voisin M., Niebur G.L., McNamara L.M. Multiscale Modeling of Trabecular Bone Marrow: Understanding the Micromechanical Environment of Mesenchymal Stem Cells During Osteoporosis. Journal of Biomechanical Engineering, vol. 137, no. 1, p. 011003. DOI: 10.1115/1.4028986
McParland B.J. Nuclear Medicine Radiation Dosimetry: Advanced Theoretical Principles. London, Springer Science and Business Media, 2010. DOI: 10.1007/978-1-84882-126-2
Dant J.T., Richardson R.B., Nie L.H. Monte Carlo Simulation of Age-Dependent Radiation Dose from Alpha- and Beta-Emitting Radionuclides to Critical Trabecular Bone and Bone Marrow Targets. Physics in Medicine and Biology, 2013, vol. 58, no. 10, pp. 3301-3319. DOI: 10.1088/0031-9155/58/10/3301
Bolch W.E., Lee C., Wayson M., Johnson P. Hybrid Computational Phantoms for Medical Dose Reconstruction. Radiation and Environmental Biophysics, 2010, vol. 49, no. 2, pp. 155-168. DOI: 10.1007/s00411-009-0260-x
Pafundi D., Rajon D., Jokisch D., Lee C., Bolch W. An Image-Based Skeletal Dosimetry Model for the ICRP Reference Newborn Internal Electron Sources. Physics in Medicine and Biology, 2010, no. 7, vol. 55, pp. 1785-1814. DOI: 10.1088/0031-9155/55/7/002
Hough M., Johnson P., Rajon D., Jokisch D., Lee C., Bolch W. An Image-Based Skeletal Dosimetry Model for the ICRP Reference Adult Male - Internal Electron Sources. Physics in Medicine and Biology, 2011, vol. 56, no. 8, pp. 2309-2346. DOI: 10.1088/00319155/56/8/001
O'Reilly Sh.E., DeWeese L.S., Maynard M.R., Rajon D., Wayson M.B., Marshall E.L., Bolch W. An Image-Based Skeletal Dosimetry Model for the ICRP Reference Adult Female- Internal Electron Sources. Physics in Medicine and Biology, 2016, vol. 61, no. 24, pp. 8794-8824. DOI: 10.1088/1361-6560/61/24/8794
Fazzalari N.L., Parkinson I.H., Fogg Q.A., Sutton-Smith P. Antero Postero Differences in Cortical Thickness and Cortical Porosity of T12 to L5 Vertebral Bodies. Joint Bone Spine, 2006, vol. 73, no. 3, pp. 293-297. DOI: 10.1016/j.jbspin.2005.03.023
Volchkova A.Yu., Shishkina E.A., Tolstykh E.I. Eect of the Shape of the Bone on the Power of the Doses in the Bone Marrow of a Person. Materials of the VI International Scientific and Practical Conference, Chelyabinsk, November 8-9, 2016, pp. 36-41. (in Russian)
Roberts S., Chen P. On Some Geometric Properties of Human Ribs. Journal of Biomechanics, 1970, vol. 3, pp. 527-545. DOI: 10.1016/0021-9290(70)90037-0
Li Z., Kindig M.W., Subit D., Kent R.W. Inuence of Mesh Density, Cortical Thickness and Material Properties on Human Rib Fracture Prediction. Medical Engineering and Physics, 2010, vol. 32, no. 9, pp. 9981008. DOI: 10.1016/j.medengphy.2010.06.015
Sutton-Smith P., Beard H., Fazzalari N.L. Quantitative Backscattered Electron Microscopy of Normal and Osteoporotic Bone. Proceedings of the Annual Scientific Meeting of the Australian
and New Zealand Bone and Mineral Society; September 2005; Perth, Australia.
Da Silva A.M.H., Alves J.M., Da Silva O.L., Da Silva Junior N.F. Two and ThreeDimensional Morphometric Analysis of Trabecular Bone Using X-Ray Microtomography (µCT). Revista Brasileira de Engenharia Biomedica, 2014, vol. 30, no. 2, pp. 93-101. DOI: 10.1590/rbeb.2014.011
Connor D.M., Hallen H.D., Lalush D.S., Sumner D.R., Zhong Z. Comparison of DiractionEnhanced Computed Tomography and Monochromatic Synchrotron Radiation Computed Tomography of Human Trabecular Bone. Physics in Medicine and Biology, 2009, vol. 54, no. 20, pp. 6123-6133. DOI: 10.1088/0031-9155/54/20/006
Gefen A. Finite Element Modeling of the Microarchitecture of Cancellous Bone: Techniques and Applications. Biomechanical Systems Technology, World Scientific Publishing, 2009, vol. 3. DOI: 10.1142/9789812771384_0003
Krestinina L.Y., Davis F.G., Schonfeld S, Preston D.L., Degteva M., Epifanova S., Akleyev A.V. Leukaemia Incidence in the Techa River Cohort: 1953-2007. British Journal of Cancer, 2013, vol. 109, pp. 2886-2893. DOI: 10.1038/bjc.2013.614
Degteva M.O., Tolstykh E.I., Vorobiova M.I., Shagina N.B., Shishkina E.A., Bougrov N.G. Techa River Dosimetry System: Present and Future. Voprosy radiacionnoy bezopasnosti, 2006, no. 1, pp. 81-95. (in Russian)
Volchkova A.Y., Chuvakova D.A., Shishkina E.A. Calculations of Tooth Enamel Doses from Internal Exposure Based on a Set of Voxel Phantoms by Example of the 1st Low Incisor. Radiat Safety Problems (Mayak Production Association Scientific Journal), 2009, no. 56,
pp. 66-75. (in Russian)
Knuth D.E. The Art of Computer Programming, vol. II, Seminumerical Algorithms. N.Y., Addison-Wesley Longman, 1998.
