10岁中国儿童参考人面元体模的建立

胡安康，邱 睿,*，代明亮，马锐垚，武 祯，李春艳，张 辉，李君利，闫淯淳，袁新宇

(1.清华大学 工程物理系，北京 100084；2.清华大学 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，北京 100084；3.同方威视技术股份有限公司，北京 100084；4.首都儿科研究所附属儿童医院 放射科，北京 100020)

电离辐射所致人体和器官剂量直接表征射线对人体可能的损伤和潜在的风险，对剂量进行准确的评估具有重要意义。由于难以通过探测器直接测量器官剂量，因此借助计算机人体模型利用蒙特卡罗方法估算剂量成为准确评估剂量的重要手段。计算机人体模型发展至今相继出现了数学模型、体素模型和面元模型。与使用圆柱体、封闭二次曲面建模的数学模型相比，面元模型可真实反映人体器官形态和相对位置，在剂量评估中有更高的精度。相比于体素模型，面元模型易于通过灵活的变形操作反映人体在辐射场中的不同姿态和不同体格人的身体和器官形态，同时面元模型也可描述呼吸道壁等使用体素模型难以描述的组织[1]，具有更高的精确性。国际放射防护委员会(ICRP)在ICRP 110号出版物所建立的成年男女参考人体素模型的基础上建立面元模型[2-3]。目前我国在面元体模方面的研究还比较有限。

随着X射线、CT等放射学检查的不断普及，儿童接受放射性医学检查的人数和剂量逐年上升。儿童正处于生长发育的关键时期，具有较高的辐射敏感性，同时由于儿童预期寿命较长，低剂量照射造成的远期效应可能致使人群癌症发病率明显提高，因而儿童所受剂量的准确评估对于国民远期健康状况的评估、促进电离辐射远期效应的研究有着重要的意义。文献[4-5]建立了包含儿童和成年人体模在内的、体格特征和器官质量符合ICRP参考人数据的一系列面元模型UF family。但由于ICRP报告中参考人的数据是基于高加索人种得到的，中国儿童的生长发育情况、体格特征等与其有很大差别，因而有必要建立符合中国儿童体格和器官特征的体模用于剂量评估。文献[6]将已建立的符合ICRP参考人数据的成年男女面元模型(RIP-AM、PIR-AF)进行分段缩放和调整，建立了符合GBZ/T 200《辐射防护用参考人》标准的中国儿童参考人面元模型。文献[7]根据1岁儿童物理体模的CT扫描图像建立了符合中国儿童参考人特征的体素模型，模型的器官和骨骼是通过缩放成年人得到的。由于成年人在骨骼发育水平、部分器官形态和相对位置与儿童差别较大，采用上述方法建立的儿童体模不能准确体现中国儿童的解剖学特性。本研究组基于首都儿科研究所提供的体格符合GBZ/T 200.1—2007标准[8]的儿童的CT扫描图像，建立中国儿童参考人系列面元体模。本文采用多边形网格模型与NURBS曲面模型相结合的方法，建立10岁中国儿童面元体模。

1 体模建立

面元模型主要有两种类型：1) 使用非均匀有理B样条曲面的NURBS曲面模型(NURBS模型)；2) 采用多边形网格的PM模型(PM模型)。PM模型是采用若干三角形或四边形面片来表示物体的表面，其精度取决于面片数量，但在建模过程中易出现平滑程度不好、非流形错误、很难通过调整面元顶点进行局部变形等问题，且难以直接利用三角面片绘制出一物体。而NURBS曲面具有较好的平滑特性，且样条曲线具备挠度曲线的一些特征，可较好地反映物体弹性形变的情况，但在使用NURBS曲面建立头骨、脊柱等有较多孔洞的拓扑结构复杂的器官或曲率有突变的器官模型时较为困难[9]。

鉴于人体的部分骨骼拓扑结构复杂且存在曲率突变，且一部分器官难以通过划分医学影像图像来得到，而在建模过程中不可避免地要对器官的形状进行一些调整，本文采用两种类型相结合的方法建模。对于大部分器官，直接采用PM模型进行建立和调整，而对于肠道等需要人工建立的器官和部分需要进行微调形状的器官采用NURBS模型进行，建模和调整后，再转变为PM模型。建模的流程为：CT图像分割→器官模型优化调整→器官装配及微调→器官的补充建立。

1.1 CT扫描图像和图像分割

通过保留首都儿科研究所附属医院儿童身体检查时的不同体段的CT扫描图像，为本文建立的10岁中国儿童参考人面元模型提供基础。本文所建立模型的基础CT图像由不同儿童的头颈段、胸腹段、盆部至足部和足部4段扫描图像分割拼接而成。胸腔和腹腔部分器官由相应体段的增强CT扫描图像得到。

为使得本文建立的儿童体模具有代表性，在选取CT扫描图像时，选择年龄为10岁的受检者CT图像，且其身高、体重与GBZ/T 200.1—2007中确定的10岁儿童参考人的数值相同。此外，体模建立过程中需对身体轮廓、器官形态和质量进行一定的调整，在这些调整过程中尽量使所建立体模的体格参数及器官质量符合中国儿童参考人的数值。

进行图像分割时，将CT扫描图像导入3D-Doctor软件中，进行中值滤波等预处理提高图像质量后再分割。限于CT扫描对软组织的分辨能力，器官边缘不明显，分割腹腔等部位器官时需要一定的解剖学知识和经验。本工作在首都儿科研究所放射科医师指导下结合断面解剖图谱对器官进行了准确分割[10]。将分割得到的器官轮廓利用3D-Doctor的3D建模功能导出，以PM模型表示器官表面的三维模型。图1为腹腔CT图像的分割。

图1 腹腔CT图像的分割Fig.1 Celiac CT image segmentation

1.2 除骨骼外的器官的优化和调整

骨骼与人体其他器官的形态差异较大，骨骼由皮质骨、松质骨、骨髓等元素组成和辐射敏感程度差异较大的几种结构构成，优化和调整方法与其他器官有显著的差异。

3D-Doctor直接导出的分割后器官的PM模型平滑度较差、面片数量较多，且可能存在错误，因此导出的模型需导入到Rhinoceros软件中进行优化和调整。优化时减少面元的数量，提高模型的平滑程度，去除由分割误差造成的不平滑区域，修复外露边缘、非流形边缘错误，保证模型的正确性。

由于采用的基础CT图像是基于个体的CT扫描图像，建立儿童参考人模型时需将器官的质量调整至与参考人数据相同。调整时依据ICRU 46号报告[11]、GBZ/T 200.2—2007[12]、亚洲参考人[13]等数据计算得到各器官的参考体积，将器官模型通过偏移网格或通过整体等比例缩放器官的方法调整体积，使之与计算的参考体积在相对误差1%内符合。

对于胃、胆囊、膀胱等有内容物的器官，调整体积时首先将器官总体积调整至器官壁和内容物体积之和，再将模型外表面向内偏移得到器官内表面，内表面包围的部分为器官内容物，内外表面之间的部分作为器官壁。

1.3 骨骼的优化和调整

1) 骨骼的调整方法

人体的骨骼构成较为复杂，构成骨骼的各结构在密度、元素组成和辐射敏感程度有较大的差异，为保证剂量计算时的精度，面元模型的骨骼采用非均匀骨模型。脊柱外的其他骨骼分为皮质骨和松质骨，松质骨内包含骨小梁和骨髓的混合物。对于脊柱，采用混合皮质骨模型，即在体素化时将骨骼最外层作为皮质骨和松质骨的混合物，合理设置二者的比例，使得皮质骨的体积与该部位的皮质骨体积相等[14]。

2) 各部位骨骼组织参考体积的计算

GBZ/T 200.2—2007仅给出不同年龄段儿童的骨骼总质量和红骨髓总质量，未给出其分布。对于不同骨组织在不同部位的分布，采用ICRP 70号出版物[15]中给出的参考值，对于皮质骨、骨小梁、黄骨髓、软骨和其他骨组织的总质量、密度，则采用亚洲参考人的数据。由于ICRP 70号出版物的数据和亚洲参考人的数据存在一些不自洽和矛盾，在实际调整过程中需结合CT图像分割的结果进行微调，以保证各种骨组织的总质量符合GBZ/T 200.2—2007和亚洲参考人的标准[16]。

按照上述方法计算、调整的非均匀骨模型区分了皮质骨、松质骨、骨髓等不同的骨组织，使模型更加真实地反映人体骨骼结构，提高了剂量计算特别是骨剂量计算的精度。

1.4 器官的装配和微调

CT扫描得到的基础图像来自于不同人的不同体段的扫描图像，因此通过分割后导出的各体段的体模处于各自的坐标系中，需进行装配操作使之成为一完整的体模。装配时根据解剖学知识，以骨骼对齐为依据整体调整每个体段的体模的位置，准确拼接各体段的体模，之后平滑连接体段间的皮肤以构成完整的体模，在进行装配时保证人体处于正直站立状态，且使体模身高与参考人数据相同。

在建模和调整过程中不可避免地会出现器官间冲突、重叠的现象，调整时首先微调器官位置，再利用NURBS变形功能进行调整。

1.5 其他器官的补充建立

1) 消化管的建立

由于大肠、小肠、食道在CT图像中无法划分，在建模时需采用Rhinoceros的NURBS建模功能手动建立。大肠使用不等半径的圆管建立，小肠则根据解剖学知识使用等半径的圆管盘曲折叠而成。建立食道时通过在CT图像上画出几个明显的标志点，使用样条曲线插值得到中心线，以此建立圆管。

2) 肋软骨和其他器官的建立

肋软骨、唾液腺、舌等器官难以在CT图像中完整划分。借助NURBS曲面灵活、平滑的变形功能，首先使用椭球、半圆柱、椭圆管建立简单器官模型，之后通过适当的变形得到形状和位置正确的器官模型。再将所有用NURBS曲面建成的器官模型转换为PM模型。

2 面元体模构建结果

依照上述方法建立了10岁儿童参考人的面元模型。10岁儿童男性和女性除生殖器官外，其他器官差别较小，GBZ/T 200.2—2007统一给出了器官的质量，未区分男女。本文建立的儿童体模，男女共用一套器官和身体外表面，只在涉及生殖器官处有不同。图2为10岁中国儿童参考人面元体模。

本文建立的10岁中国儿童参考人体模的器官质量与GBZ/T 200.2—2007确定的参考人器官质量相同，体模器官质量通过体积乘以该器官的密度得到。表1列出了体模主要器官和GBZ/T 200.2—2007确定的参考人器官质量对比。

图2 10岁中国儿童参考人面元体模Fig.2 10-year-old Chinese pediatric reference boundary representation phantom

器官质量/g体模GBZ/T 200.2—2007相对误差/%睾丸4.714.70.20卵巢1.391.4-0.71红骨髓710.007100.00结肠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甲状腺7.907.90.00皮肤1 190.861 200-0.76骨骼4 534.084 5000.76脑1 350.111 3500.01心脏150.051500.03肾174.99175-0.01脾100.041000.04唾液腺44.6945-0.69胆囊3.984-0.50小肠323.45325-0.48胰59.62600.59眼14.10140.71眼晶体0.350.350.00肾上腺6.056.00.83胸腺37.04370.11脑垂体0.400.40.00

本文建立的体模内部建立了85个器官，由于建模软件公差的限制，对于在GBZ/T 200.2—2007有规定参考值的器官，本文所建立的体模的器官质量与参考值相对差异小于1%，其余器官质量与亚洲10岁儿童参考人器官参考质量相对差异小于1%。在体格参数方面，体模的身高、体重的体格参数符合GBZ/T 200.1—2007所规定的参考值。

由于儿童尚处于生长发育时期，故儿童的部分器官在形态、相对大小、相对位置上较成年人有很大差别，两者间的差异以腹腔器官尤为突出。儿童肝脏占据腹腔空间的比例明显大于成年人，而肝脏附近有较多与其紧密接触的脏器，准确的剂量评估需建立真实反映儿童解剖特性的体模，本文通过直接分割儿童的CT图像建立的模型，在调整时改动较小，保持了儿童器官的解剖学正确性。图3为体模不同横截面与相应位置CT图像的对比。可看出，体模在器官形态与相对位置上符合中国儿童的解剖学特性。

图3 体模横截面与相应位置CT图像的对比Fig.3 Comparison of cross-sections between phantom and CT image

儿童骨骼发育尚未完全，部分软骨没有完全骨化，所以儿童的部分骨骼的形态和关节连接处与成人有很大差异，年龄越小，差异越明显。本文建立的体模保留了儿童骨骼发育的特性，相比于直接缩放成年人骨骼建立的体模具有更高的精度。

本文采用PM模型与NURBS模型建模相结合，最后转换为PM模型的方法既保证了能对拓扑结构复杂、曲率存在突变的骨骼等器官进行准确建模，又能对难以通过分割CT图像得到的器官进行建模。使用PM模型还具有跨平台通用的优势，可在多种建模软件上进行处理，且可充分利用GPU加速图形处理。此外，通过NURBS变形功能可实现对体模器官进行平滑微调，且调整过程在一定程度上反映了器官形变特性，为今后调整体模以适应不同的体格和姿态提供了有效的方法。

3 结论

本文基于10岁中国儿童的CT扫描图像，建立了体格特征和器官质量符合GBZ/T 200.1—2007及GBZ/T 200.2—2007规定的参考人标准值的10岁中国儿童参考人面元模型。该模型的身高、体重等体格数据与中国参考人标准一致。已划分的器官与GBZ/T 200.2—2007和亚洲参考人参考值的差异小于1%。同时，本文建立的面元体模的各器官在形态和相对位置上均符合10岁儿童的解剖学特性，具有较高的解剖学精度。

本文建立的10岁中国儿童参考人面元体模为儿童剂量评估提供了重要工具。该体模可应用于儿童接受X射线摄影、CT、核医学影像检查等放射性医学检查时的剂量评估。结合面元模型易于调整变形的优点，还可通过变形调整得到不同体格、不同姿势的体模，更加真实地模拟不同儿童、不同姿势接受照射时的剂量。