Proyecto Física en la Medicina Optimizar un modelo de fantoma humano para estudiar efectos de la radiación en el cuerpo humano. Objetivos:

ProyectoFísica en la Medicina

Optimizar un modelo de fantoma humano para estudiar efectos de la radiación en el cuerpo humano.

Objetivos:

www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Dr. Willy H. GerberInstituto de Fisica

Universidad AustralValdivia, Chile

Nota: este documento será ampliado a medida que en el trabajo se requiera de mas información. El presente set corresponde a la

Versión 29.06.2009

Modelo original

2www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

El modelo original fue creado por S. Guatelli ([email protected]) y M. G. Pia ([email protected]), INFN Genova, Italia y se basa en dos articulos:

[1] W.S. Snyder, et al, "MIRD Pamphlet No. 5 Revised, Estimates of absorbed fractions for monoenergetic photon sources uniformly distributed in various organs of a heterogeneous phantom",J. Nucl. Med. Suppl., no. 3, pp. 5-52, 1969.

[2] M. Cristy and K. F. Eckerman, "Specific absorbed fractions of energy at various ages from internal photon sources", ORNL/TM-8381/VI, Apr. 1987.

Trabajaremos sobre el segundo que tiene mayor detalle.

La fase 3 se correra sobre una version modificada del programa en Geant4 creada por G. Guerrieri para los investigadores citados al inicio de esta lamina.

Archivos bases – Caso masculino


maleORNLArmBone.gdmlmaleORNLBrain.gdmlmaleORNLHead.gdmlmaleORNLHeart.gdmlmaleORNLKidney.gdmlmaleORNLLeftArmBone.gdmlmaleORNLLeftKidney.gdmlmaleORNLLeftLeg.gdmlmaleORNLLeftLegBone.gdmlmaleORNLLeftLung.gdmlmaleORNLLegBone.gdmlmaleORNLLegs.gdmlmaleORNLLiver.gdmlmaleORNLLowerLargeIntestine.gdmlmaleORNLLung.gdmlmaleORNLMiddleLowerSpine.gdmlmaleORNLPancreas.gdml

maleORNLPelvis.gdmlmaleORNLRightArmBone.gdmlmaleORNLRightKidney.gdmlmaleORNLRightLeg.gdmlmaleORNLRightLegBone.gdmlmaleORNLRightLung.gdmlmaleORNLSkull.gdmlmaleORNLSpleen.gdmlmaleORNLStomach.gdmlmaleORNLThyroid.gdmlmaleORNLTrunk.gdmlmaleORNLUpperLargeIntestine.gdmlmaleORNLUpperSpine.gdmlmaleORNLUrinaryBladder.gdml

Los archivos se pueden bajar desdehttp://downloads.gphysics.net/UACH/Medicina/G4UACHModel-Version-090515.rarDirectorio ORNLModel

http://downloads.gphysics.net/UACH/Medicina/G4UACHModel-Version-090515.rar

Archivos bases – Caso femenino


femaleORNLArmBone.gdmlfemaleORNLBrain.gdmlfemaleORNLHead.gdmlfemaleORNLHeart.gdmlfemaleORNLLeftArmBone.gdmlfemaleORNLLeftBreast.gdmlfemaleORNLLeftKidney.gdmlfemaleORNLLeftLeg.gdmlfemaleORNLLeftLegBone.gdmlfemaleORNLLeftLung.gdmlfemaleORNLLeftOvary.gdmlfemaleORNLLegBone.gdmlfemaleORNLLiver.gdmlfemaleORNLLowerLargeIntestine.gdmlfemaleORNLMiddleLowerSpine.gdmlfemaleORNLPancreas.gdmlfemaleORNLPelvis.gdml

femaleORNLRightArmBone.gdmlfemaleORNLRightBreast.gdmlfemaleORNLRightKidney.gdmlfemaleORNLRightLeg.gdmlfemaleORNLRightLegBone.gdmlfemaleORNLRightLung.gdmlfemaleORNLRightOvary.gdmlfemaleORNLSkull.gdmlfemaleORNLSpleen.gdmlfemaleORNLStomach.gdmlfemaleORNLThyroid.gdmlfemaleORNLTrunk.gdmlfemaleORNLUpperLargeIntestine.gdmlfemaleORNLUpperSpine.gdmlfemaleORNLUrinaryBladder.gdmlfemaleORNLUterus.gdml

Los archivos se pueden bajar desdehttp://downloads.gphysics.net/UACH/Medicina/G4UACHModel-Version-090515.rarDirectorio ORNLModel

http://downloads.gphysics.net/UACH/Medicina/G4UACHModel-Version-090515.rar

Imagen del modelo original


Software


En mi pagina encontraran bajo “mySoftware” un editor de los archivos que describen el modelo (formato gdml). Con el se pueden modificar:

1.Agregar/quitar/modificar cuerpos geométricos2.Realizar operaciones de grupo con los cuerpos (“restar”, “sumar” e “intersección”)3.Asociar propiedades de materiales a cada cuerpo4.Orientar en el espacio

Existen dos formas de trabajar:

1.Con el editor que arme, que es mas cómodo para consultar pero menos practico para modificar los datos.2.Trabajando directamente sobre el archivo gdml con editores como el jedit (download gratis y legal desde http://www.jedit.org/).

http://www.jedit.org/

Formato gdml


Formato gdml

Formato gdml


El archivo tiene 5 bloques de información:

-Definiciones (<define>…</define>)-Materiales (<materials>…</materials>)-Cuerpos geométricos (<solids>…</solids>)-Estructuras (<structure>…</structure>)-Datos generales (<setup>…</setup>)

Los bloques comienzan con el texto <…> y terminan con </…>

Formato gdml


Comencemos con el bloque clave que es el de “solids”. Consta de un área en que están las figuras geométricas y una segunda en que se indica como se compone el solido. Los comandos geométricos están resumidos en mi pagina http://www.gphysics.net/geant4/geant4-gdml-format.html y se escriben en la forma que allí se indica.

Ejemplo:

<box name = "boxExample" x = "20" y = "10" z = "30" lunit= "cm" />

lunit indica las unidades en que están los valores. En este caso “cm”.El name es el nombre que debe ser único (dos cuerpos no pueden tener el mismo nombre) y se emplea para referenciar el cuerpo en las operaciones de ir armando el cuerpo.

Formato gdml


Existen tres funciones distintas para ir armando el cuerpo:

- union- subtraction- intersection

Si se han definido dos sólidos con “name” S1 y S2

S1 S2

La idea es operar sobre el primero (“first”) con el segundo (“second”).

Formato gdml


Las funciones generan un nuevo cuerpo de name “N” de la forma graficada:

<union name=“N”><first ref=“S1”/><second ref=“S2”/><positionref ref=“pos”/><rotationref ref=“rot”/></union>

<subtraction name=“N”><first ref=“S1”/><second ref=“S2”/><positionref ref=“pos”/><rotationref ref=“rot”/></subtraction>

<intersection name=“N”><first ref=“S1”/><second ref=“S2”/><positionref ref=“pos”/><rotationref ref=“rot”/></intersection>

A continuación se explica como se define positionref y rotationref.

Formato gdml


La posición o rotación define como esta localizada la segunda figura respecto al origen.

z

x

yx

z

4.52 cm

-4.23 cm

45°

Figura original

Figura desplazaday rotada

Formato gdml


Los positionref y rotationref se incluyen en el primer bloque, el “define”Usan las coordenadas relativas de S2 respecto de S1 mostradas en la lamina anterior. En este caso serian:

<position name="pos" unit="cm" x=“4.52" y="0.0" z="-4.23" />

<rotation name="rot" unit="degree" x="0" y=“45.0" z="0" />

Es importante que el nombre de la posición no se repita para otra posición. Las coordenadas se refieren a la posición relativa al primer cuerpo. La misma posición en si se puede usar en todas las uniones, substracciones e intersecciones que se desee.

El ángulo se puede expresar tanto en grados como radianes en que se debe indicar la “unit” correspondiente. El ángulo se indica para el eje que se uso, en este caso la rotación se realizo en 45 grados en torno del eje y. Se pueden realizar rotaciones en los tres ejes. El nombre de la rotación no se debe repetir en otra rotación.

Nota: OrganPos y OrganRot son las posiciones y rotaciones de todo el órgano respecto del cuerpo como un todo. Pueden ser modificadas si se requiere.

Para la rotación el formato es:

Formato gdml


La propiedad de los materiales se define en el bloque <materials>.La primera parte contiene las definiciones de los elementos atómicos y solo se debe modificar si falta alguno.

<material name="sH" formula=" " Z="1."> <D value="0.00009" /> <atom value="1.008"/> </material>

La segunda parte corresponde a la defunción de compuestos indicando la densidad y la proporción de cada elemento

<material formula=" " name=“mat1"> <D value="1.1" /> <fraction n="0.07337" ref="sH" /> <fraction n="0.25475" ref="sC" /> <fraction n="0.03057" ref="sN" /> …</material>

Densidad en g/cm3

Elemento

Fracción

Mas modelos de materiales se encuentran en mi pagina http://www.gphysics.net/tables/127.html

Formato gdml


Para asignar materiales a volúmenes se trabaja en el bloque “structure”:

<volume name=“Vol1"><materialref ref=“mat1"/><solidref ref=“N"/></volume>

Nombre del volumen con propiedades de material.

Referencia al material a usar

Referencia al volumen al que se le asigna la propiedad de material

El ultimo bloque “setup” solo contiene información general del archivo y no necesita ser modificado.

Editor gdml


Editor gdml

Editor gdml


Cargar archivo

Editor gdml - Definiciones


Editor gdml - Materiales


Editor gdml - Materiales


Editor gdml - Sólidos


http://www.gphysics.net/geant4/geant4-gdml-format.html

Editor gdml - Sólidos


Editor gdml - Estructura


Editor gdml - Setup


Tarea


Criterios de evaluación:

• Modelo original bien comprendido/analizado (geometría y masa) (1.0)- representación geometría sobre imágenes (0.5)- estimación de masa (0.5)

• Modelo geométrico nuevo es acorde a la geometría (1.0)- representación geométrica sobre imagen (0.6)- referencia a fuentes (0.4)

• Modelo geométrico nuevo tiene dimensiones adecuadas (1.0)- comparación con dimensiones originales (0.4)- escalación de imágenes empeladas (0.6)

• Modelo nuevo presenta adecuada distribución de masa (1.0)- estimación de masa (1.0)

• Modelo nuevo refleja adecuadamente composición- análisis critico del perfil empleado en el modelo original (0.4)- adecuación del perfil en el nuevo modelo (0.6)

• Modelo esta correctamente armado en formato gdml- si no hay errores conceptuales se obtienen: defintion (10%), materials (20%), solids (40%), structure (30%)

Entrega 02.07.2009 24:00 por mail [email protected] – se subirá formato-ejemplo

1. Análisis del Modelo original2. Modelo nuevo propuesto3. Ajuste del modelo nuevo4. Archivo gdml del nuevo modelo

Tarea – Modelo de Documento de Solucion


Tarea


1. Análisis del modelo original

El modelo original esta compuesto por dos elementos:-Una esfera de radio 6 mm y densidad homogénea-Un cilindro de 3 mm de largo y 1 mm de radiocon una densidad de 1.05 g/cm3

Descripción del modelo existente

Tarea


Calculo de parámetros

Los volúmenes de ambos cuerpos son:

La masa es:

Tarea


Comparación del modelo con datos existentes

Análisis de forma:

1.La figura modela correctamente el humor vítreo del ojo pero no la cornea. Por otro lado el nervio óptico se considera en forma horizontal.

Referencia: imagen de ADAM, http://en.wikipedia.org/wiki/Human_eye 2.Las dimensiones son similares a las que se indican en wikipedia.

Referencia: http://en.wikipedia.org/wiki/Human_eye

Tarea


2. Modelo nuevo Propuesto

Modificaciones propuestas:

1. Modelamiento de la Retina en forma separada del humor vítreo.

2. Introducción de un elipsoide para la cornea.

3. Inclinación del nervio óptico.

Tarea


Determinación de proporciónCornea/Humero vítreo (por falta de referencias de valores medidos)

Tarea


Proporción radio interno/externo:

Proporción alto cornea/diámetro ojo:

Proporción ancho cornea/diámetro ojo:

Angulo nervio óptico:

Tarea


1. Humor Vítreo modelado como agua(Referencia: http://en.wikipedia.org/wiki/Vitreous_humour )Volumen: esfera menos medio elipsoide:

2. Resto empleando modelo gphysics y modelo existente(Referencia: Eye Lens (ICRU-44)http://www.gphysics.net/tables/127.html )Volumen: capa de esfera mas elipsoide menos disco para eliminar zona que se sumo doble

3. Ajuste del modelo nuevoModelo de dos tipos de materiales:

Tarea


Solid:S1: Esfera de radio R (orb)S2: Esfera de radio R’ (orb)S3: Elipsoide de semiejes a,b y a (ellipsoid)S4: Cilindro

Formación:U1=S1-S2 Retina=U1-S3 (crear retina)Humor=S2-S3 (crear humor vítreo)U2=Retina+HumorU3=U2+S3Ojo=U2+S4

MaterialAgua -> asignar a HumorICRU-44 -> asignar a S3Retina -> asignar a Retina

4. Modelo gdml (debe incluirse el archivo)

Estructura del archivo gdml:

Solo bosquejar que se hizo.El resto dejarlo documentado en el archivo

Documents

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