基于體素模型的光子外照射大鼠器官劑量模擬計算

張曉敏，李大偉，寧 靜，謝向東

(軍事科學院軍事醫學研究院，北京 100850)

在放射醫學研究領域，評估受照實驗動物的器官劑量，獲得更為詳細的劑量信息，對于劑量-效應關系研究具有重要作用和意義。器官劑量很難用實驗方法測量，可行的方法是利用器官劑量轉換系數來間接獲得器官劑量。器官劑量轉換系數是將器官劑量與可直接測量的量(如粒子注量、自由空氣比釋動能)聯系起來的系數。器官劑量轉換系數通常需要利用蒙特卡羅模擬技術結合動物數字模型來計算獲得。小鼠和大鼠是放射醫學研究常用的實驗動物，為了評價內、外照射情況下大鼠或小鼠的器官劑量，國內外相關學者利用兩種類型的鼠類數字模型來計算器官劑量。一種是以數學公式來描述小鼠或大鼠器官解剖結構和形狀的模型，稱為數學模型。這類模型包括Hui等[1]建立的小鼠數學模型，用來進行輻射劑量計算，Flynn等[2]建立的用來進行輻射效應評價的小鼠數學模型，Funk等[3]建立的用來進行劑量評價的小鼠和大鼠數學模型，Konijnenberg等[4]建立的用來進行劑量放療評價的大鼠數學模型；另一種是基于斷層圖像開發而來的體素模型，這類模型可以真實反映體內器官組織的形狀和位置，對于內、外照射劑量計算而言，相比數學模型具有更為準確的優點。目前已經建立的鼠類體素模型主要包括Kolbert等[5]基于MRI圖像開發的雌性小鼠體素模型，Stabin等[6]基于CT圖像開發的小鼠體素模型，Segars等[7]開發的小鼠體素模型，Bitar等[8]開發的雌性小鼠體素模型，Taschereau等[9]開發的4個小鼠體素模型，Peixoto等[10]基于雄性SD大鼠CT圖像建立的體素模型，國內劉謙等[11-12]基于切片圖像建立的大鼠體素模型，張曉敏等[13-14]基于冷凍切片圖像建立的小鼠體素模型。

對于光子外照射尤其是低能光子外照射，大鼠體重是影響器官劑量大小的關鍵因素。在上述模型中，劉謙等[11]基于一個139 g 的大鼠體素模型計算獲得了一套光子外照射器官劑量轉換系數，該器官劑量轉換系數適用于體重接近于139 g的大鼠器官劑量評估。而針對照射實驗中常用到的體重超過300 g以上的大鼠，目前還沒有相應的光子外照射器官劑量轉換系數。鑒于以上原因，本文旨在獲得質量300 g以上的大鼠器官劑量轉換系數，為劑量-效應評價提供參考和依據。

本文首先基于一套大鼠的微型CT圖像，建立了一個體重為323 g的大鼠體素模型；然后以此模型基礎，利用MCNP程序計算獲得了4種理想照射幾何條件、21個單能(10 keV～10 MeV)平行光子束外照射情況下的器官劑量轉換系數；最后對光子能量變化及照射幾何方式對大鼠器官劑量的影響進行了討論。

1 材料和方法

1.1 大鼠體素模型的建立

首先將一個體重為335 g的SD雄性大鼠麻醉固定，利用微型CT進行斷層掃描，掃描圖像間隔設置為1 mm，共獲得243張斷層圖像；利用圖像處理軟件去掉每張圖像周圍無用的像素，使得每張圖像大小為613像素×261像素，每個像素尺寸為0.16 mm×0.16 mm；利用Matlab編程對每張圖像的大鼠骨組織進行自動識別與分割，對于其他器官和組織，利用Photoshop 軟件進行手動分割，分割出的器官組織包括皮膚、骨骼、眼睛、腦、心臟、膀胱、睪丸、胃、胰腺、脾、肝、腎、肺、大腸、小腸、肌肉等。圖1所示的是分割后的第105張圖像。

圖1 分割后的第105張圖像Fig.1 The segmented 105th images

考慮到蒙卡模擬效率和計算負擔，每間隔一張圖像選取，從243張圖像中選取122張圖像建立大鼠體素模型，最后用于計算的體素模型的每個體素尺寸為0.16 mm×0.16 mm×2 mm。利用matlab編程與MCNP程序的重復結構柵元建立方法，建立大鼠體素模型輸入文件，模型中各個器官和組織的元素組成和密度取自ICRU 46號報告[15]。

1.2 蒙特卡羅模擬

本文采用蒙特卡羅程序MCNPX2.5作為計算程序，外照射幾何條件分別設置為左側向(LL)、右側向(RL)、腹背向(VD)和背腹向(DV)，如圖2 所示。平面照射源與大鼠之間介質設置為真空，外部單能平行光子束能量分別為：0.01、0.015、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.08、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10 MeV。為了獲得大鼠器官或組織中的實際能量沉積，本文采用MCNP程序的*F8 卡計算能量沉積，光子和電子截止能量設置為1 keV。為了使計算統計誤差控制在5%以內，模擬粒子數設置為2×107～1×108。

圖2 照射幾何示意圖Fig.2 Illustration of four irradiation conditions

1.3 器官劑量轉換系數計算方法

為了獲得器官劑量轉換系數，將本文蒙卡模擬計算獲得的“單位光子注量的器官吸收劑量”(DT/Φ)值除以ICRU 47號報告[16]給出的“單位光子注量的空氣比釋動能”(Ka/Φ)值，就可以獲得單位空氣比釋動能的器官劑量，即器官劑量轉換系數DT/Ka。其中ICRU 47號報告計算“單位光子注量的空氣比釋動能”的公式為：

(1)

其中，Ka/Φ為自由空氣比釋動能與光子注量的比值，μtr/ρ為質量能量轉換系數，Eγ為光子能量。

2 結果與討論

2.1 大鼠體素模型

圖3為大鼠體素模型皮膚組織及體內器官三維圖，模型總共有6 173 302個體素，每個體素尺寸為0.16 mm×0.16 mm×2 mm。表1所示為大鼠體素模型各個器官組織的質量、密度和體素數量，模型總重量為323.7 g，比真實大鼠325 g小11.3 g，這主要是與器官真實密度的差異以及組織器官分割誤差造成的。

2.2 器官劑量轉換系數

蒙卡模擬計算的結果誤差都在5%以內，證明計算結果是可信的。由于篇幅限制，本文未列出各個器官的器官劑量轉換系數。

2.3 器官劑量隨光子能量的變化

圖4所示為不同照射幾何條件下大鼠典型器官的器官劑量轉換系數，可以看出大腸、小腸、腎、胃的器官劑量都表現出相同的變化趨勢：當光子能量小于0.1 MeV時，器官劑量轉換系數逐漸增大；當光子能量為0.1～2 MeV時，器官劑量轉換系數約為1.0左右；當光子能量大于2 MeV時，器官劑量轉換系數逐漸減小到約0.5，這種變化趨勢直接反映了光子能量在器官中的能量沉積變化情況。從圖4同時可以看出，不同的照射幾何條件會造成器官劑量的差異，例如對于位置更接近于大鼠腹部的小腸，當光子能量小于2 MeV時，VD照射幾何的器官劑量大于DV照射幾何的器官劑量；當光子能量大于2 MeV時，VD照射幾何的器官劑量又小于DV照射幾何的器官劑量。這主要是由于當光子能量較低時，隨著光子穿透力逐漸增加，更多的光子能量能夠沉積到離腹部更近的位置；而當光子能量較高時，光子的穿透力增大到以至于使較多的次級粒子穿出了離腹部更近的位置，因此能量沉積反而越來越小。對于睪丸、肝、心臟、大腸等更靠近大鼠腹部的器官，可以推理得知其器官劑量都會表現出小腸對VD和DV相似的敏感性；對于腎臟、腦、脊柱等更靠近大鼠背部的組織，其器官劑量又會表現出與小腸相反的敏感性。同理，可以發現對于更靠近大鼠身體中心線左側位置的胃，其器官劑量會表現出對RL和LL照射幾何條件的敏感性：當光子能量小于4 MeV時，LL照射幾何的器官劑量大于RL照射幾何的器官劑量；當光子能量大于4 MeV時，LL照射幾何的器官劑量小于RL照射幾何的器官劑量，因此可以得知對于胰腺、脾等解剖位置位于大鼠身體中心線左側的器官，其器官劑量會表現出與胃相似的照射幾何敏感性。

圖3 大鼠體素模型三維圖Fig.3 3D view of the voxel rat model

表1 大鼠體素模型組織器官質量與密度Tab.1 Organs density and mass in the voxel rat model

3 結論

本文基于新建立的一個重量為323 g的大鼠體素模型，計算獲得了21個單能(10 keV～10 MeV)平行光子束外照射情況下大鼠各個組織器官的器官劑量轉換系數，利用該套轉換系數可以評估受照實驗大鼠的器官劑量，從而為劑量-效應研究提供更為詳細的基礎資料。本文同時對器官劑量變化特點進行了分析，發現隨著光子能量的變化，不同器官的器官劑量表現出相似的變化趨勢；同時發現由于大鼠體內各個器官解剖位置的差異，不同的照射幾何條件會對大鼠器官劑量造成不同程度的影響。

圖4 大腸、小腸、腎、胃器官劑量轉換系數隨光子能量的變化Fig.4 Organ dose conversion coefficients for large intestine,small intestine,kidneys and stomach varying with photon energies