辐射防护用中国参考人体素模型建立、应用及最新进展北大核心CSCD

以中国女性参考人体素模型为例,介绍了中国成年男女参考人体素模型的建立工作,包括构建非均匀骨模型,补充辐射敏感器官,进行器官二次分割和调整等过程。最后建立的中国参考人体素模型基本包含了ICRP新建议书中所有辐射敏感器官,器官质量与中国参考人数据差异基本在5%以内。该模型在内照射、外照射方面均得到一定应用,研究结果为我国辐射剂量评价工作提供了基础数据。最后介绍了人体体素模型的最新进展:精细乳房模型和微观骨模型。     

中国女性参考人体素模型的开发

利用分割后的中国女性虚拟人体数据集,建立可视化人体模型,通过校正人体模型的身高、体重和器官/组织质量,从而建立用于辐射剂量学计算的中国女性参考人体素模型。校正后的模型身高和体重与中国成年女性参考人数据完全一致,器官质量与参考人数据基本一致。再利用MCNPX粒子输运程序对校正前后的两个模型进行模拟,计算了外照射中子剂量转换系数,并将校正后模型的计算结果与ICRP参考人体素模型的计算结果进行了比较。总体上,器官剂量当量和有效剂量与ICRP参考人数据趋势符合较好,但是由于模型之间的差异,不同的胸腔厚度,器官相对位置等因素导致器官剂量当量有较大差异,有些差异甚至达到50%以上。     

一个中国成年女性体素模型的建立及辐射剂量学应用

开发了一个基于中国女性彩色解剖断层图像的体素剂量学模型VPCF,并用FLUKA程序计算了光子能量在0.02～10 MeV范围内的20个能量点、外照射方向为腹背向(AP)、背腹向(PA)的组织或器官剂量转换因子和有效剂量转换系数,并与ICRP 74号报告的推荐值、CRAM和Regina的计算值进行了比较.结果表明:VPCF有些器官(如膀胱)的剂量转换因子与ICRP 74号出版物差别较大;有效剂量转换系数的差别不如器官或组织的剂量转换因子明显;VPCF的有效剂量转换系数要大于ICRP 74号出版物推荐值、CRAM和Regina的计算值.     

基于中国参考人人体数学模型的内照射剂量计算

根据中国人体特征开发的中国参考人人体数学模型,采用Monte Carlo方法模拟γ光子在人体模型内的粒子输运过程,计算得出反映国人特征的各源器官对靶器官的比吸收分数(Φ),建立了我国自己的Φ数据库.并将此结果与美国橡树岭模型(ORNL)推荐值进行了比较,源靶器官相同(自吸收)时结果十分吻合,证明了方法的正确性;源靶器官不同时,由于人体模型的差别和物理过程选择的差别,数据存在一定差异.     

基于micro-CT图像的骨复合体素模型建模研究

已建立的人体体素模型中,骨松质均采用均匀模型代替,使骨剂量的计算精度受到影响。目前国际上利用白种人骨松质的NMR、micro-CT图片开展了骨微观模型的建模及剂量学研究,但我国尚未开展这方面的研究。本文利用micro-CT成像,建立了基于中国人骨松质的骨微观模型,同时与已建立的中国成年男性参考体素模型中的宏观骨模型相结合,建立了骨复合体素模型。利用该模型初步计算了骨盆骨小梁体源、骨小梁面源和红骨髓源对骨内膜的电子吸收分数。计算结果显示,基于中国人骨松质的骨微观模型计算的吸收分数曲线变化趋势与白种人的计算结果一致,最大差异分别为5.7%、1.4%和2%。     

基于并行技术的人体外照射实时精确剂量评估方法

为了精确评估核辐射环境下人体及器官受照剂量,FDS团队基于中国高精度辐射虚拟人模型Rad-HUMAN发展了体素级人体外照射剂量评估方法。但由于计算量巨大,现有计算流程和计算方法难以满足虚拟仿真对剂量评估实时性的要求。为了解决这一问题,本文借助OpenMP和MPI并行计算技术,发展了基于并行计算的体素级人体外照射剂量评估方法,实现了百万量级体素外照射剂量实时计算。以加速器驱动铅铋冷却反应堆堆顶包容小室内维修作业人体受照剂量评估为例的测试结果表明,该方法满足了体素级剂量实时评估计算的需求,对考虑到器官剂量限制的人体外照射剂量实时精确评估有重要意义。     

中国成年女性精细乳房模型的建立及其在外照射防护中的应用

乳腺是对辐射致癌最敏感的器官之一,2007年国际放射防护委员会(ICRP)将乳腺的组织权重因子由0.05提升为0.12,使乳腺剂量的准确评估变得更为重要。本文利用数学建模方法建立了精细乳房模型,包括输乳窦、输乳管、小叶和脂肪组织,模型体素化后与中国成年女性参考人体素模型进行了融合。利用该模型计算了光子AP照射时乳腺腺体的剂量转换系数,并与原来模型的计算结果进行对比。结果显示,光子能量较低时两个模型的计算结果相差30%,光子能量在0.03 MeV以上时差别不大。     

10岁中国儿童参考人面元体模的建立

本文基于首都儿科研究所提供的中国儿童真实CT扫描图像建立了10岁中国儿童参考人面元体模。采用了多边形网格模型与NURBS曲面模型相结合的方法,建立了10岁中国儿童的多边形网格面元。体模包括85个器官,经过优化和调整,各组织和器官质量与GBZ/T 200 2-2007和亚洲参考人的参考值差异小于1%,各器官位置和形态符合中国儿童解剖学特征。该面元体模为10岁中国儿童剂量的准确计算提供了重要工具。     

中国参考人数学模型的建立和软件开发

随着核医学发展,放射性药品已经越来越多地应用于诊断、治疗以及生理、生化等医学研究领域。放射性药品作为一类特殊药品,在为人类带来利益的同时,也带来一定剂量的辐射照射。本文基于中国参考人的数据,参照C-E模型建立符合中国人特征的中国参考人数学模型。利用该数学模型,通过蒙卡算法开发了计算内照射剂量的软件。     

基于体素模型的光子外照射大鼠器官剂量模拟计算

获得外照射条件下的大鼠器官剂量,对于放射医学剂量-效应关系研究具有重要意义。本文基于大鼠微型CT图像建立大鼠体素模型,并研究光子外照射情况下大鼠器官剂量。大鼠体素模型质量323.7 g,单个体素尺寸为0.16 mm×0.16 mm×2 mm,包含大鼠大部分关键器官和组织。利用蒙特卡罗模拟程序MCNP计算获得了4种照射几何条件、21个单能(10 keV～10 MeV)平行光子束外照射情况下的器官剂量转换系数,最后对器官剂量随光子能量的变化进行了分析与讨论。     

中国女性参考人曲面模型的光子有效剂量转换系数计算

本文基于人体断层解剖图像,根据所建立的中国女性参考人曲面模型和体素模型,采用MCNP计算了6种标准照射方式下光子在0.01~10MeV能量范围内20个能量点的光子有效剂量转换系数,并对曲面模型和体素模型的计算结果进行了比较。结果表明:在不同照射方式下曲面模型和体素模型的光子有效剂量转换系数的变化趋势基本一致,大部分能量点其差异在10%之内。光子有效剂量转换系数的差异主要是由于模型器官的位置和质量对剂量有一定影响,在低能级下差异较为明显。     

中国参考人系列模型的建立及外照射剂量学特征的研究

为探讨不同人种、不同姿势及新的组织权重因子对人体剂量学的影响,建立了基于GBZ/T200的中国参考人系列模型（包括立姿、坐姿、走姿的男女模型）;结合蒙特卡罗程序计算得到不同射线能量、6种标准照射方式下的器官吸收剂量和有效剂量。结果表明,基于不同权重因子和不同种族参考模型可得到不同的有效剂量,尤其是低能阶段的差异较为明显;姿势的改变使得器官剂量和有效剂量有所变化,主要由于器官之间的屏蔽作用,体现在相对立姿时坐姿前后照射的有效剂量减小和走姿左右照射的有效剂量增加。进行辐射剂量学评估时,在低能阶段不同的影响因素对结果有较大的影响,而高能时不太明显,因此在进行医学影像等复杂辐射场的辐射防护工作时应注重实际情况的考虑。     

二氧化铀点缺陷模型的建立及应用

为研究超化学剂量二氧化铀（UO_2+x）中缺陷对烧结的影响,应用缺陷化学理论建立了点缺陷模型（PDM）。通过PDM计算了UO_2+x中的缺陷浓度、铀离子的扩散系数、烧结后密度等。结果表明,二氧化铀中的铀离子和氧离子的缺陷浓度随着气氛中氧分压（p_O2）或UO_2+x中的多余氧x的变化而急剧变化。超化学剂量二氧化铀芯块的烧结试验结果很好地符合了计算值。PDM揭示了UO_2+x粉末能够在较低温度下烧结成芯块的机理。