Proyecto Física en la Medicina 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 Proyecto Física en la Medicina Dr. Willy H. Gerber Instituto de Fisica Universidad Austral Valdivia, Chile Objetivos: Optimizar un modelo de fantoma humano para estudiar efectos de la radiación en el cuerpo humano. www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Modelo original El modelo original fue creado por S. Guatelli (guatelli@ge.infn.it) y M. G. Pia (pia@ge.infn.it), 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. www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Archivos bases – Caso masculino maleORNLArmBone.gdml maleORNLBrain.gdml maleORNLHead.gdml maleORNLHeart.gdml maleORNLKidney.gdml maleORNLLeftArmBone.gdml maleORNLLeftKidney.gdml maleORNLLeftLeg.gdml maleORNLLeftLegBone.gdml maleORNLLeftLung.gdml maleORNLLegBone.gdml maleORNLLegs.gdml maleORNLLiver.gdml maleORNLLowerLargeIntestine.gdml maleORNLLung.gdml maleORNLMiddleLowerSpine.gdml maleORNLPancreas.gdml maleORNLPelvis.gdml maleORNLRightArmBone.gdml maleORNLRightKidney.gdml maleORNLRightLeg.gdml maleORNLRightLegBone.gdml maleORNLRightLung.gdml maleORNLSkull.gdml maleORNLSpleen.gdml maleORNLStomach.gdml maleORNLThyroid.gdml maleORNLTrunk.gdml maleORNLUpperLargeIntestine.gdml maleORNLUpperSpine.gdml maleORNLUrinaryBladder.gdml Los archivos se pueden bajar desde http://downloads.gphysics.net/UACH/Medicina/G4UACHModel-Version-090515.rar Directorio ORNLModel www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Archivos bases – Caso femenino femaleORNLArmBone.gdml femaleORNLBrain.gdml femaleORNLHead.gdml femaleORNLHeart.gdml femaleORNLLeftArmBone.gdml femaleORNLLeftBreast.gdml femaleORNLLeftKidney.gdml femaleORNLLeftLeg.gdml femaleORNLLeftLegBone.gdml femaleORNLLeftLung.gdml femaleORNLLeftOvary.gdml femaleORNLLegBone.gdml femaleORNLLiver.gdml femaleORNLLowerLargeIntestine.gdml femaleORNLMiddleLowerSpine.gdml femaleORNLPancreas.gdml femaleORNLPelvis.gdml femaleORNLRightArmBone.gdml femaleORNLRightBreast.gdml femaleORNLRightKidney.gdml femaleORNLRightLeg.gdml femaleORNLRightLegBone.gdml femaleORNLRightLung.gdml femaleORNLRightOvary.gdml femaleORNLSkull.gdml femaleORNLSpleen.gdml femaleORNLStomach.gdml femaleORNLThyroid.gdml femaleORNLTrunk.gdml femaleORNLUpperLargeIntestine.gdml femaleORNLUpperSpine.gdml femaleORNLUrinaryBladder.gdml femaleORNLUterus.gdml Los archivos se pueden bajar desde http://downloads.gphysics.net/UACH/Medicina/G4UACHModel-Version-090515.rar Directorio ORNLModel www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Imagen del modelo original www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Software En mi pagina encontraran bajo “mySoftware” un editor de los archivos que describen el modelo (formato gdml). Con el se pueden modificar: Agregar/quitar/modificar cuerpos geométricos Realizar operaciones de grupo con los cuerpos (“restar”, “sumar” e “intersección”) Asociar propiedades de materiales a cada cuerpo Orientar en el espacio Existen dos formas de trabajar: Con el editor que arme, que es mas cómodo para consultar pero menos practico para modificar los datos. Trabajando directamente sobre el archivo gdml con editores como el jedit (download gratis y legal desde http://www.jedit.org/). www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

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

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 </…> www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

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

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

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

Formato gdml La posición o rotación define como esta localizada la segunda figura respecto al origen. z Figura original 4.52 cm x z y 45° Figura desplazada y rotada -4.23 cm x www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

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" /> 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. Para la rotación el formato es: <rotation name="rot" unit="degree" x="0" y=“45.0" z="0" /> 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. www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

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

Formato gdml Para asignar materiales a volúmenes se trabaja en el bloque “structure”: Nombre del volumen con propiedades de material. <volume name=“Vol1"> <materialref ref=“mat1"/> <solidref ref=“N"/> </volume> 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. www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

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

Editor gdml Cargar archivo www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

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

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

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

Editor gdml - Sólidos http://www.gphysics.net/geant4/geant4-gdml-format.html www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

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

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

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

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 wgerber@gphysics.net – se subirá formato-ejemplo www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Tarea – Modelo de Documento de Solucion Análisis del Modelo original Modelo nuevo propuesto Ajuste del modelo nuevo Archivo gdml del nuevo modelo www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Tarea 1. Análisis del modelo original Descripción del modelo existente 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 radio con una densidad de 1.05 g/cm3 www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Tarea Calculo de parámetros Los volúmenes de ambos cuerpos son: La masa es: www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Tarea Comparación del modelo con datos existentes Análisis de forma: 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 Las dimensiones son similares a las que se indican en wikipedia. Referencia: http://en.wikipedia.org/wiki/Human_eye www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

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

Tarea Determinación de proporción Cornea/Humero vítreo (por falta de referencias de valores medidos) www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Tarea Proporción radio interno/externo: Proporción alto cornea/diámetro ojo: Proporción ancho cornea/diámetro ojo: Angulo nervio óptico: www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Tarea 3. Ajuste del modelo nuevo Modelo de dos tipos de materiales: 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 www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09

Tarea 4. Modelo gdml (debe incluirse el archivo) Estructura del archivo gdml: 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+Humor U3=U2+S3 Ojo=U2+S4 Material Agua -> asignar a Humor ICRU-44 -> asignar a S3 Retina -> asignar a Retina Solo bosquejar que se hizo. El resto dejarlo documentado en el archivo www.gphysics.net – UACH-Proyecto-en-la-Medicina-Versión 06.09