Скачать электронную версию статьи (в свободном доступе).

English Abstract

Цель: В области ядерной медицины существуют жесткие ограничения на клинические испытания in vivo, связанные с этическими и нормативными стандартами изза лучевой нагрузки, а также их высокой стоимостью. Эффективной альтернативной методологией являются математические имитационные исследования in silico. Математическая модель пациента может быть безопасно испытана в различных условиях, а компьютерные эксперименты могут проводиться без ограничений с разными сценариями. В англоязычной литературе исследования с использованием математических моделей пациентов называются Virtual Clinical Trials – "Виртуальные клинические испытания". В данной статье выполнен анализ современного состояния исследований на основе виртуальных испытаний в области ядерной медицины с особым акцентом на визуализацию методом однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ).
Материал и методы: Метод виртуальных испытаний основан на разработке математических моделей пациентов и сканеров, программных кодов реконструкции изображений и прогностическом расчете поглощенных доз при радионуклидной терапии. Усилиями нескольких научных групп в мире достигнуты большие успехи в создании анатомических человеческих моделей (фантомов) и технологий визуализации ОФЭКТ и ПЭТ. Однако в области ядерной медицины необходимы персонализированные модели, которые являются специфичными для конкретного пациента и часто вообще не совпадают с его анатомическим строением. Методология создания таких пациентспецифических фантомов – цифровых двойников реальных пациентов – разработана в Лаборатории моделирования в ядерной медицине Новосибирского государственного университета и Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича. При моделировании сканеров ОФЭКТ и ПЭТ и расчете поглощенных доз золотым стандартом является метод Монте-Карло. Разработки цифровых двойников сканеров представлены несколькими программными кодами, созданными в научных группах США, Европейского союза и России (SIMIND, GATE, PENELOPE, MCNP, SimSET, NMSim Toolkit). Еще одно направление виртуальных испытаний – виртуальное лечение цифрового двойника онкологического пациента, направленное на оптимизацию и прогностическую оценку эффективности радионуклидной терапии, активно развивается.
Результаты: За прошедшие четверть века виртуальные испытания внесли большой вклад в оптимизацию технологий визуализации ОФЭКТ и ПЭТ. Произошли революционные изменения и в самой методологии виртуальных испытаний. Пройден путь от геометрических примитивов к цифровым двойникам реальных пациентов. В моделировании сканеров аналитические детерминированные модели переноса гаммаизлучения заменены на имитационное статистическое моделирование методом Монте-Карло с получением данных, адекватных клиническим измерениям. В настоящее время главными задачами, стоящими перед ядерной медициной, являются точная количественная диагностика методами ОФЭКТ и ПЭТ, точная персонализированная дозиметрия при радионуклидной терапии и разработка новых эффективных радиофармпрепаратов. Виртуальные испытания направлены на решение этих проблем.
Заключение: Виртуальные компьютерные испытания и интеграция виртуальной реальности в клинические исследования – это современная платформа исследований в области ядерной медицины. Можно ожидать, что в ближайшие годы виртуальная реальность станет играть решающую роль в персонализированном ведении пациентов в клинических отделах ядерной медицины, как это уже делается при планировании лучевой терапии и при подготовке к сложным хирургическим операциям.

Ключевые слова: ядерная медицина, виртуальные клинические испытания, цифровые двойники, ОФЭКТ/КТ, ПЭТ/КТ, имитационное компьютерное моделирование

Реферат

Purpose: In the field of nuclear medicine, there are severe limitations on in vivoclinical trials due to ethical and regulatory standards due to radiation exposure, as well as their high cost. An effective alternative methodology is mathematical simulation studies in silico. A mathematical model of a patient can be safely tested under various conditions, and computer experiments can be carried out without restrictions with different scenarios. In the English-language literature, studies using mathematical models of patients are called Virtual Clinical Trials. This article analyzes the current state of research based on virtual trials in the field of nuclear medicine with a special emphasis on visualization by single-photon emission computed tomography (SPECT).
Material and methods: The virtual trials method is based on the development of mathematical models of patients and scanners, software codes for image reconstruction and prognostic calculation of absorbed doses in radionuclide therapy. Several research groups worldwide have made great strides in creating anatomical models of patients (phantoms) and SPECT and PET imaging technologies. Nuclear medicine requires personalized phantoms that are specific to a particular patient and often do not match their anatomical structure at all. The methodology for creating such personalized phantoms - digital twins of real patients - has been developed at the Nuclear Medicine Modeling Laboratory of Novosibirsk State University and the Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics. The Monte Carlo method is the gold standard for modeling SPECT and PET scanners and calculating absorbed doses. Developments in digital twins of scanners are represented by several software codes created by research groups in the USA, the European Union, and Russia (SIMIND, GATE, PENELOPE, MCNP, SimSET, NMSim Toolkit). Another area of virtual testing is the virtual treatment of a digital twin of an oncological patient, aimed at optimizing and predicting the effectiveness of radionuclide therapy, which is actively developing.
Results: Over the past quarter of a century, virtual testing has made a great contribution to the optimization of SPECT and PET imaging technologies. Revolutionary changes have also occurred in the methodology of virtual testing itself. The path has been taken from geometric primitives to digital twins of real patients. In scanner modeling, analytical deterministic models have been replaced by Monte Carlo simulation statistical modeling with the receipt of data adequate to clinical measurements. Currently, the main tasks of nuclear medicine are accurate quantitative diagnostics using SPECT and PET methods, accurate personalized dosimetry in radionuclide therapy and the development of new effective radiopharmaceuticals. Virtual testing is included in the research and solutions to these problems.
Conclusion: Virtual computer testing and the integration of virtual reality into clinical research is a modern platform for research in the field of nuclear medicine. In the coming years, virtual reality can be expected to play a decisive role in personalized patient care in clinical nuclear medicine departments, as it already does in radiation therapy planning and in preparation for complex surgical procedures.

Key words: nuclear medicine, virtual clinical trials, digital twins, SPECT/CT, PET/CT, computer simulation

DOI: 10.52775/1810-200X-2025-108-4-35-61