辐射防护用中国参考人体素模型建立、应用及最新进展

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。     

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。     

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。     

精细乳房模型及其在乳腺X射线摄影剂量评估中的应用

乳腺是对辐射致癌最敏感的组织之一,而辐射致癌风险与受照剂量密切相关。为更准确地评估电离辐射所致乳腺受照剂量,本文建立了一个具有皮肤、皮下脂肪、乳房后侧脂肪、悬吊韧带、纤维腺体区脂肪、输乳管、小叶、输乳窦和乳头等精细结构的乳房数学模型,并将其体素化为体素模型。考虑到在乳腺X射线摄影中的应用,对乳房体素模型进行头尾位（CC位）压迫,建立压迫乳房模型,并与中国成年女性参考人体素体模（CRAF）相拼接。采用Geant4对乳腺X射线摄影进行蒙特卡罗模拟,计算了一系列平均腺体剂量转换因子。根据计算结果,采用精细乳房模型计算的平均腺体剂量转换因子低于我国现行国家标准的取值,但与美国放射学会（ACR）标准的取值差别不大。     

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。     

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。     

辐射危害的线性无阈（LNT）模型研究及评价

介绍了研究辐射危害常用的剂量效应线性无阂（LNT）模型,以及目前对该模型应用的评价。综合文献分析显示：LNT模型对高剂量诱导生物学效应描述的准确性优于低剂量;细胞辐射效应的条件修复模型可较好兼顾高、中、低照射剂量范围对细胞存活的描述;建立在以LNT剂量反应假设和个体平均器官当量剂量基础上的内照射有效剂量评估模型仍存在许多不确定性,考虑到性别的差异有必要建立性别特异的体素人体模型。结果提示,各种模型优缺点并存,在新理论新模型未产生之前,遵循现有理论和LNT模型评估辐射危害仍是目前最科学的态度。     

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。     

我国南方某核厂址蟾蜍剂量率评估的比较研究

选择我国南方某核厂址两栖动物——蟾蜍作为参考生物,建立了蟾蜍的生物解剖学模型和外照射环境模型。采用蒙特卡罗模拟技术计算源介质中放射性核素¹³⁷Cs、⁹⁰Sr和²³⁹Pu对靶组织/器官的辐射剂量率,由此计算蟾蜍整体的辐射剂量率。采用ERICA程序和RESRAD-BIOTA程序计算蟾蜍的剂量率,并与解剖学模型进行比较。结果表明:三种方法计算的蟾蜍内照射剂量率基本一致;由于外照射环境模型的不同,外照射剂量率估算结果并不相同,ERICA程序与解剖学模型计算的外照射剂量率结果更接近;解剖学模型关注生物组织/器官的辐射剂量,对于核素分布不均匀的生物个体研究具有重要的意义。     

一个鱼类辐射剂量计算解剖模型的建立

选择在我国沿海常见且经济意义重要的纺锤型作为基本外形,以养殖和捕捞上常见的商品规格作为大小,以解剖学上较典型的鲈作为参考,尝试建立了一个作为辐射环境评价使用的、由10类器官(或组织)组成的鱼类剂量率估算解剖模型,给出了各器官的数学描述,并用蒙特卡罗方法详细计算了单能光子在各解剖器官间相互的能量吸收分数。最后给出了各器官内常见的29种核素单位浓度的不同γ成分对性腺产生的吸收剂量率。     

空间辐射防护的剂量预估

为了评估空间辐射对人体健康的影响,利用空间辐射场模型、载人航天器质量厚度分布模型、舱外航天服质量厚度分布模型以及人体模型结合粒子输运方法,对空间辐射在人体器官内所产生的剂量进行预估.本文概括地介绍了这些计算模型和方法.     

基于蒙特卡罗方法的航空机组人员辐射剂量评估北大核心CSCD

采用辐射仿真人体面元模型和数字化飞机模型,基于蒙特卡罗方法开展了航空机组人员的航空辐射剂量研究。选取昆明至北京航线为例,评估了航空机组人员在该航线飞行时受到的航空辐射有效剂量率,分析了人体参数对航空辐射有效剂量率的影响,并探索了航线参数变化时机组人员受到的航空辐射有效剂量率的变化。结果表明,机组人员在昆明至北京航线受到的航空辐射有效剂量率为2.114μSv/h,基于中国人参考生理特征的体模和高加索人体参数体模的有效剂量率评估结果差异为25.3%;航线参数中航线的高度是最主要的影响因素,14 km飞行高度的航空辐射有效剂量率达到10 km高度时的1.8倍,同时,航线纬度升高时,机组人员受到的航空辐射有效剂量率也会产生显著的提升。该研究对航空机组人员的辐射剂量评估具有一定的参考和指导意义。     

4D人体辐射剂量计算技术研究

当前人体辐射剂量计算技术只能给出直立人体3D静态剂量结果，无法满足未来精准防护需求。为实现4D剂量计算，首先基于刚体旋转矩阵、体积图拉普拉斯算子和近似刚体变换三种算法实现了面元模型变形；然后研究了动作捕捉引导的模型变形；接下来基于Delaunay算法的四面体切割技术实现了高速蒙特卡罗计算，最后设计开发了4D剂量计算应用系统。将建立的完整方法用于核电厂进行现场实验，针对特定辐射作业过程的应用结果验证了该方法的可靠性和实用性，突破了4D剂量计算过程中关键技术环节。未来该技术有望在核电厂运维、核设施退役治理及医学介入治疗等场景下实现人员精准防护。     

ICRP《放射性核素职业摄入(OIR)》系列出版物中工作人员及公众内照射剂量系数的更新

正剂量系数对于放射防护体系的实际实施至关重要。基于ICRP第103号出版物中所提及的建立一套完整的职业和公众内照射剂量系数,其准备工作已取得了显著的进步。剂量系数依赖于物理数据和解剖与生物动力学模型。ICRP第107 号出版物提供了核衰变数据。第110号出版物给出了利用体素(三维像素)定义体内器官和组织的成人参考计算体模。运用这些体模,第133号出版物可提供比吸收分数,这是计算滞留在人体组织内放     

基于Geant4的肺部计数器效率校准及其受核素分布影响研究

效率校准是人体内照射活体监测中的一个关键环节,是影响内污染活体测量准确性的一个重要因素。利用人体躯干物理模型的CT扫描图片和实验确定的探测器晶体尺寸,分别建立了三维人体数字模型和高纯锗探测器的计算模型,进而通过调用Geant4工具包,编写了模拟肺部计数器的蒙特卡罗程序,用以校准计数器效率。在此基础上,结合ICRP生物动力学模型,模拟计算全身其他器官滞留核素对肺部计数器计数的贡献,研究核素在其他器官的分布对计数器效率的影响。结果表明:肺部计数器效率的蒙特卡罗校准结果与实验测量结果相对偏差为2.47%(对59.5 ke V)和-8.58%(对17.5 ke V);在摄入核素241Am的最初2天内和50天后,人体的实际探测效率要高于只考虑肺部滞留的探测效率,在其他器官分布的核素在肺部计数器的计数占总计数的60%以上,而在摄入中期(第3—50天),二者结果较为一致,AMAD为1μm时,其他器官内核素的计数小于20%,AMAD为5μm时,其他器官内核素的计数在30%以内。     

R&D 128和ERICA模型在陆生生物辐射剂量估算中的应用研究

RD 128和ERICA分别是英格兰和威尔士环境当局、欧共体推荐的估算非人类物种辐射剂量的模型。从陆生生物辐射剂量估算的原理、核素种类、参考生物种类、计算参数等方面对RD128和ERICA进行了比较和分析,并利用两个模型对我国某AP1000核电厂周围陆生生物辐射剂量率进行了计算,最后对比分析了两个模型的计算结果和优缺点。     

用于生物剂量评价的体素模型建立及验证

以鲤鱼为例建立体素模型,计算水中137Cs对鲤鱼不同组织和器官的外照射剂量转换因子,并与建立的与体素模型尺寸相一致的简化模型、欧盟非人类物种评价方法 ERICA、ICRP 108号报告中参考生物淡水鱼的剂量转换因子估算结果进行了比较。结果显示,在本文的建模条件下,体素模型计算所得的总的剂量转换因子与简化模型的总剂量转换因子的结果接近,低于ICRP 108号报告和ERICA方法所提供的剂量转换因子的结果。     

国际放射防护委员会为放射防护提出的人呼吸道模型

本文简要介绍了国际放射防护委员会１９９４年提出的人呼吸道模型，主要叙述了该模型的特点和吸入放射性核素在呼吸道的沉积模式和廓清途径；文中还了一些对辐射敏感的组织和细胞，以及计算靶组织剂量的方法。