Scientific articles \ Prolegomena. Fundamentals of knowledge and culture. Propaedeutics \ Computer science and technology. Computing. Data processing \ Application-oriented computer-based techniques

A parametric stochastic model of bone geometry

A parametric stochastic model of bone geometry

Zalyapin V.I. Timofeev Yu.S. Shishkina E.A.

Journal: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование @vestnik-susu-mmp

Section: Математическое моделирование

Article in issue: 2 т.11, 2018.

Free access

The aim of the present study is to develop a parametric bone modelling algorithm which takes into account bone microarchitecture. This approach allows to generate hematopoietic bone segment phantoms based on literature-derived micro - and macro dimensions. We propose a method for subdividing bones into small segments which can be described by simple geometric shapes filled with a stochastically generated rod-like model of the trabecular structure with appropriate voxel resolution. This approach avoids the disadvantages of non-parametric individual modelling based on computer tomography scans. The parametric method allows the simulation of individual variability in bone-specific dimensions. The model presented in this paper will be used to describe the geometry of hematopoietic sites, which in turn will serve as a basis for calculating the doses of irradiation of the hematopoietic cells of the bone marrow from the incorporated beta-emitters.

micro- and macro- structure of the trabecular bone \ stochastic modelling \ voxelization

Similar articles in the section Application-oriented computer-based techniques

Модель расчёта поглощения энергии от инкорпорированных излучателей моноэнергетических электронов в объектах природной биоты
Модель расчёта поглощения энергии от инкорпорированных излучателей моноэнергетических электронов в объектах природной биоты

Сазыкина Т.Г., Крышев А.И.

Расчёты доз внутреннего облучения нано-, микро- и макро-биоструктур электронами, бета-частицами и квантовым излучением различной энергии при разработках и исследованиях новых РФП в ядерной медицине
Расчёты доз внутреннего облучения нано-, микро- и макро-биоструктур электронами, бета-частицами и квантовым излучением различной энергии при разработках и исследованиях новых РФП в ядерной медицине

Степаненко В.Ф., Яськова Е.К., Белуха И.Г., Петриев В.М., Скворцов В.Г., Колыженков Т.В., Петухов А.Д., Дубов Д.В.

Применение унифицированной модели расчёта фракций поглощённой энергии от инкорпорированных излучателей моноэнергетических электронов и фотонов для биообъектов из различных материалов
Применение унифицированной модели расчёта фракций поглощённой энергии от инкорпорированных излучателей моноэнергетических электронов и фотонов для биообъектов из различных материалов

Сазыкина Т.Г.

Применение унифицированной методологии для аналитического расчёта поглощённых фракций гамма-излучения в биообъектах цилиндрической формы
Применение унифицированной методологии для аналитического расчёта поглощённых фракций гамма-излучения в биообъектах цилиндрической формы

Сазыкина Т.Г., Крышев А.И.

Numerical simulation of radiotherapy beam interaction with soft tissues and pla plastic for 3D printing of dosimetric phantoms
Numerical simulation of radiotherapy beam interaction with soft tissues and pla plastic for 3D printing of dosimetric phantoms

Miloichikova I.A., Bulavskaya A.A., Polomoshnova D.A., Saburov V.O., Stuchebrov S.G.

Internal bone marrow dosimetry: the effect of the exposure due to 90Sr incorporated in the adjacent bone segments
Internal bone marrow dosimetry: the effect of the exposure due to 90Sr incorporated in the adjacent bone segments

Volchkova A.Yu., Sharagin P.A., Shishkina E.A.

Short address: https://sciup.org/147232884

IDS: 147232884   |   UDC: 004.942+001.851.573   |   DOI: 10.14529/mmp180204

Параметрическая стохастическая модель геометрии кости

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.

References A parametric stochastic model of bone geometry

  • Cox, L.G.E. Analysis of Bone Architecture Sensitivity for Changes in Mechanical Loading, Cellular Activity, Mechanotransduction, and Tissue Properties / L.G.E. Cox, B. van Rietbergen, C.C. van Donkelaar, K. Ito // Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. - 2011. - V. 10, № 2. - P. 701-712.
  • Vaughan, T.J. Multiscale Modeling of Trabecular Bone Marrow: Understanding the Micromechanical Environment of Mesenchymal Stem Cells During Osteoporosis / T.J. Vaughan, M. Voisin, G.L. Niebur, L.M. McNamara // Journal of Biomechanical Engineering. - 2015. - V. 137, № 1. - P. 011003.
  • McParland, B.J. Nuclear Medicine Radiation Dosimetry: Advanced Theoretical Principles / B.J. McParland. - London: Springer Science and Business Media, 2010.
  • Dant, J.T. Monte Carlo Simulation of Age-Dependent Radiation Dose from Alpha - and Beta-Emitting Radionuclides to Critical Trabecular Bone and Bone Marrow Targets / J.T. Dant, R.B. Richardson, L.H. Nie // Physics in Medicine and Biology. - 2013. - V. 58, № 10. - P. 3301-3319.
  • Bolch, W.E. Hybrid Computational Phantoms for Medical Dose Reconstruction / W.E. Bolch, C. Lee, M. Wayson, P. Johnson // Radiation Environmental Biophysics. - 2010. - V. 49, № 2. - P. 155-168.
  • Pafundi, D. An Image-Based Skeletal Dosimetry Model for the ICRP Reference Newborn - Internal Electron Sources / D. Pafundi, D. Rajon, D. Jokisch, C. Lee, W. Bolch // Physics in Medicine and Biology. - 2010. - V. 55, № 7. - P. 1785-1814.
  • Hough, M. An Image-Based Skeletal Dosimetry Model for the ICRP Reference Adult Male - Internal Electron Sources / M. Hough, P. Johnson, D. Rajon, D. Jokisch, C. Lee, W. Bolch // Physics in Medicine and Biology. - 2010. - V. 56, № 8. - P. 2309-2346.
  • O'Reilly, Sh.E. An Image-Based Skeletal Dosimetry Model for the ICRP Reference Adult Female - Internal Electron Sources / Sh.E. O'Reilly, L.S. DeWeese, M.R. Maynard, D. Rajon, M.B. Wayson, E.L. Marshall, W. Bolch // Physics in Medicine and Biology. - 2016. - V. 61, № 24. - P. 8794-8824.
  • Fazzalari, N. Antero-Postero Differences in Cortical Thickness and Cortical Porosity of T12 to L5 Vertebral Bodies / N.L. Fazzalari, I.H. Parkinson, Q.A. Fogg, P. Sutton-Smith // Joint Bone Spine. - 2006. - V. 73, № 3. - P. 293-297.
  • Волчкова, А.Ю. Влияние формы кости на мощность дозы в костном мозге человека / А.Ю. Волчкова, Е.А. Шишкина, Е.И. Толстых // Адаптация биологических систем к природным и экстремальным факторам окружающей среды: Материалы VI Международной научно-практической конференции, Челябинск, ноябрь 8-9, 2016. - Челябинск, 2016. - С. 36-41.
  • Roberts, S. On Some Geometric Properties of Human Ribs / S. Roberts, P. Chen // Journal of Biomechanics. - 1970. - V. 3. - P. 527-545.
  • Li, Z. Influence of Mesh Density, Cortical Thickness and Material Properties on Human Rib Fracture Prediction / Z. Li, M.W. Kindig, D. Subit, R.W. Kent // Medical Engineering and Physics. - 2010. - V. 32, № 9. - P. 998-1008.
  • Sutton-Smith, P. Quantitative Backscattered Electron Microscopy of Normal and Osteoporotic Bone / P. Sutton-Smith, H. Beard, N.L. Fazzalari // Proceedings of the Annual Scientific Meeting of the Australian and New Zealand Bone and Mineral Society. - Perth, 2005.
  • Da Silva, A.M.H. Two and Three-Dimensional Morphometric Analysis of Trabecular Bone Using X-ray Microtomography (uCT) / A.M.H. Da Silva, J.M. Alves, O.L. Da Silva, N.F. Da Silva Junior // Revista Brasileira de Engenharia Biomédica. - 2014. - V. 30, № 2. - P. 93-101.
  • Connor, D.M. Comparison of Diffraction-Enhanced Computed Tomography and Monochromatic Synchrotron Radiation Computed Tomography of Human Trabecular Bone / D.M. Connor, H.D. Hallen, D.S. Lalush, D.R. Sumner, Z. Zhong // Physics in Medicine and Biology. - 2009. - V. 54, № 20. - P. 6123-6133.
  • Gefen, A. Finite Element Modeling of the Microarchitecture of Cancellous Bone: Techniques And Applications / A. Gefen // Biomechanical Systems Technology. - World Scientific Publishing, 2009. - V. 3. - P. 73-112.
  • Krestinina, L.Y. Leukaemia Incidence in the Techa River Cohort: 1953-2007 / L.Y. Krestinina, F.G. Davis, S. Schonfeld, D.L. Preston, M. Degteva, S. Epifanova, A.V. Akleyev // British Journal of Cancer. - 2013. - V. 109. - P. 2886-2893.
  • Дегтева, М.О. Дозиметрическая система бассейна реки Теча: настоящее и будущее / М.О. Дегтева, Е.И. Толстых, М.И. Воробьева, Н.Б. Шагина, Е.А. Шишкина, Н.Г. Бугров // Вопросы радиационной безопасности. - 2006. - № 1. - C. 81-95.
  • Волчкова, А.Ю. Расчет дозы внутреннего облучения зубной эмали на базе набора воксельных фантомов на примере 1-го нижнего резца / А.Ю. Волчкова, Д.А. Чувакова, Е.А. Шишкина // Проблемы радиационной безопасности (Научный журнал производственного объединения Маяк). - 2009. - № 56. - С. 66-75.
  • Knuth, D.E. The Art of Computer Programming. Vol. II, Seminumerical Algorithms / D.E. Knuth. - N.Y.: Addison-Wesley Longman, 1998.
More
QR code for installing the SciUp app Point your camera and download the free app SciUp