組織等效參考人體模設(shè)計(jì)與研究

王菲菲 高 飛 徐 陽 劉蘊(yùn)韜 劉川鳳 倪 寧

(中國原子能科學(xué)研究院，計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

1 引 言

癌癥在中國乃至全球都有極高的發(fā)病率與死亡率，放射治療是治療和控制腫瘤的重要手段之一。在放射治療中腫瘤靶區(qū)所受劑量是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到放射治療的效果。為了使放射治療整體環(huán)節(jié)按照標(biāo)準(zhǔn)安全準(zhǔn)確地執(zhí)行，需要進(jìn)行質(zhì)量保證工作，其內(nèi)容涵蓋了放療設(shè)備的驗(yàn)收、調(diào)試、校準(zhǔn)及治療計(jì)劃與實(shí)施等。其中，劑量校準(zhǔn)是對(duì)放療射束在體模某一深度(參考點(diǎn))處的劑量進(jìn)行測量并與標(biāo)準(zhǔn)值比對(duì)。吸收劑量驗(yàn)證是將上述測得的劑量與治療計(jì)劃軟件計(jì)算的吸收劑量進(jìn)行比對(duì)。體模作為放射治療質(zhì)量保證工作中的一個(gè)重要工具，是根據(jù)人體參數(shù),用與人體組織具有相近散射和吸收系數(shù)的組織等效材料制成的人體模型。它具有外部形態(tài)相似性、組織輻射等效性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿真性、輻射劑量可測試性。本文設(shè)計(jì)的組織等效參考人體模外部輪廓及內(nèi)部器官構(gòu)造模擬了真實(shí)人體及其內(nèi)部臟器(包括心臟、左右肺、肝、左右腎和大小腸)。不同器官和組織的制作材料具有對(duì)X射線和γ射線的組織等效性，為射線在人體器官內(nèi)的能量沉積分布規(guī)律研究、放射治療中準(zhǔn)確劑量控制、放療計(jì)劃的制訂與執(zhí)行及放射治療質(zhì)量保證技術(shù)研究提供基礎(chǔ)和參考。

2 參考人體模的建立

參考人體模體格參數(shù)參照《GBZT-200輻射防護(hù)用參考人》推薦值，部分推薦值見表1，主要組織器官的基本元素質(zhì)量百分比見表2，利用式(1)可得該元素組成下的有效原子序數(shù)

Z

參考值，參考值見表3。利用式(2)可得該元素組成下的單位質(zhì)量電子密度

B

參考值。心、肝、肺、腎及腸的電子密度值近似，

B

≈3.03×10個(gè)·g。主要組織器官密度參考值見表4。

(1)

式中：

Z

——各元素的電子數(shù)；

a

——該元素的電子數(shù)占材料總電子數(shù)的百分比。

B

=

Z

×N

/M

(2)

式中：

Z

——材料的有效原子序數(shù)；N——阿伏伽德羅常數(shù)，N=6.02×10/mol；

M

——材料的摩爾質(zhì)量，單位g/mol。

參考人體模外形和內(nèi)部器官構(gòu)造符合人體解剖結(jié)構(gòu)，器官的重量、尺寸和幾何形狀滿足人體醫(yī)學(xué)解剖參數(shù)。綜合考慮不同組織器官對(duì)輻射的敏感性、腫瘤發(fā)生率及參考人體模的仿真完整性，內(nèi)部模擬臟器包括：心臟、左右肺臟、肝臟、左右腎臟和大小腸。器官之間用模擬肌肉和脂肪低密度組織等效材料進(jìn)行填充和密封。由于選擇指型電離室進(jìn)行器官內(nèi)劑量測量，所以在器官內(nèi)各設(shè)置一個(gè)用于放置探測器(探測器直徑為17mm)的孔道。孔道貫通體模前后，孔道中心與器官幾何中心重合，置入指型電離室后，孔道前段用組織等效材料填充，在非使用狀態(tài)下孔道由組織等效材料完全填充。

表1 體格參數(shù)部分推薦值Tab.1 Recommended values for physical parameters性別年齡/歲身高/cm體重/kg坐高/cm胸圍/cm體表面積/m2男20～501706392881.9

表2 主要組織器官基本元素質(zhì)量百分比Tab.2 Recommended elemental compositions for major organs器官HCNO合計(jì)心臟10.4%13.9%2.9%71.8%99.0%肝臟10.3%18.6%2.8%67.1%98.8%肺臟10.3%10.5%3.1%74.9%98.8%腎臟10.3%13.2%3%72.4%98.9%腸10.6%11.5%2.2%75.1%99.4%

表3 主要組織器官有效原子序數(shù)參考值Tab.3 Reference values of effective atomic number for major tissues and organs器官心臟肝臟肺臟腎臟腸Zeff6.8856.7836.9426.8976.958

表4 主要組織器官密度參考值Tab.4 Reference density values for major tissues and organs器官腎臟肺臟(充氣)心臟肝臟腸密度(g/cm3)1.050.261.061.061.04

利用熔融沉積制造(FDM)技術(shù)和光固化3D打印技術(shù)分別打印各個(gè)器官。參考人體模三維示意圖如圖1所示，部分器官的示意圖、實(shí)體圖及孔位如圖2所示。

圖1 參考人體模示意圖Fig.1 Diagram of radiological anthropomorphic phantom

圖2 體模內(nèi)部分器官三維圖及部分實(shí)體模型圖Fig.2 Schematic diagram,solid diagram and perforation position of some organs

3 組織等效性研究

利用參考人體模開展人體吸收劑量研究工作，需要先對(duì)參考人體模組織等效材料的輻射等效性進(jìn)行測量與評(píng)價(jià)。將測量值與人體標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值進(jìn)行比較，確認(rèn)參考人體模組織等效材料輻射響應(yīng)特性接近真實(shí)人體。體模制作材料的輻射等效性包括密度、C/H/O/N組成比、有效原子序數(shù)、電子密度、質(zhì)量衰減系數(shù)。

3.1 組織等效材料密度

利用固體密度計(jì)，直接測量器官材料的密度。器官材料實(shí)測密度值及與標(biāo)準(zhǔn)值偏差見表5。表5中器官密度標(biāo)準(zhǔn)值來自《GBZT-200輻射防護(hù)用參考人》，各器官材料實(shí)測密度值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差均在4%以內(nèi)，滿足使用要求。

3.2 組織等效材料元素組成比、有效原子序數(shù)及單位質(zhì)量電子密度

在打印材料配備時(shí)，確定元素組成比，并通過

表5 器官材料實(shí)測密度值及與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)偏差Tab.5 Measured density values for organ materials and relative deviation from the standard values器官腎臟肺臟心臟肝臟腸實(shí)測密度(g/cm3)1.0370.3051.0781.0701.050標(biāo)準(zhǔn)值1.0500.2601.0601.0601.040相對(duì)偏差1%4%2%1%1%

元素分析儀得到器官材料實(shí)際元素組成比，見表6。通過式(1)計(jì)算可得器官制作材料的有效原子序數(shù)

Z

≈8。通過式(2)可得器官制作材料單位質(zhì)量的電子密度

B

≈4.81×10個(gè)/g。

表6 器官材料實(shí)測元素組成比Tab.6 Elemental compositions for organ materials元素HCNO其它質(zhì)量百分比6.350%51.46%0%40.96%1.230%

3.3 質(zhì)量衰減系數(shù)

擬通過實(shí)驗(yàn)方法得到制作材料的質(zhì)量衰減系數(shù)。由多種元素構(gòu)成的組織等效材料(化合物或混合物)，其質(zhì)量衰減系數(shù)

μ

由式(3)得到

(3)

式中：

μ

——線性衰減系數(shù)，單位/m；

ω

——第

i

種元素在等效材料中所占的質(zhì)量百分比；(

μ/ρ

)——第

i

種元素的質(zhì)量衰減系數(shù)，單位m/kg。由于體模中不同器官由同種樹脂材料改變密度制成，元素組成比不變，根據(jù)式(3)可得體模各器官制作材料的質(zhì)量衰減系數(shù)

μ

一致。擬利用實(shí)驗(yàn)測得在Co和Cs(0.662MeV)γ輻射場中腎臟等效材料的線性衰減系數(shù)

μ

，除以腎臟等效材料的密度

ρ

，可以求得該樹脂材料在上述能量點(diǎn)下的質(zhì)量衰減系數(shù)

μ

。在腎臟等效材料線性衰減系數(shù)實(shí)驗(yàn)中，記錄未放置腎臟等效材料時(shí)電離室讀數(shù)

I

和放置腎臟等效材料時(shí)讀數(shù)

I

，實(shí)驗(yàn)布局如圖3所示。由于X或γ射線在物質(zhì)中的減弱遵從簡單的指數(shù)衰減規(guī)律，如式(4)所示

N

=

N

e-

(4)

式中：

N

——穿過厚度為

d

的物質(zhì)層前的光子數(shù)；

N

——穿過厚度為

d

的物質(zhì)層后的光子數(shù)。

圖3 腎臟等效材料線性衰減系數(shù)實(shí)驗(yàn)布局圖Fig.3 Layout of experiment of linear attenuation coefficient of kidney equivalent material

由于電離室讀出的電離電流

I

與光子數(shù)存在正比關(guān)系，所以腎臟等效材料的線性衰減系數(shù)為

μ

=(ln

I

-ln

I

)

/d

(5)

式中：

I

——未放置腎臟等效材料時(shí)電離室讀數(shù)，單位pA；

I

——放置腎臟等效材料后電離室讀數(shù)，單位pA；

d

——腎臟等效材料厚度，單位cm。

組合厚度分別為1cm，2cm，4cm的腎臟等效材料，記錄厚度為1cm，2cm，3cm，4cm，5cm，6cm時(shí)電離室讀數(shù)。根據(jù)式(6)按最小二乘法做直線擬合，直線的斜率即為腎臟等效材料的線性衰減系數(shù)

(6)

式中：

I

——未放置腎臟等效材料時(shí)電離室讀數(shù)，單位pA；

I

——放置腎臟等效材料后電離室讀數(shù)，單位pA；

d

——腎臟等效材料厚度，單位cm。腎臟等效材料的線性衰減系數(shù)

μ

，除以腎臟等效材料的密度

ρ

，可以求得該樹脂材料在上述能量點(diǎn)下的質(zhì)量衰減系數(shù)

μ

。ICRU44號(hào)報(bào)告給出(0.010～100)MeV單能光子下人體各組織器官質(zhì)量衰減系數(shù)

μ

，(0.010～30)MeV能區(qū)間擬合系數(shù)曲線如圖4所示，擬合公式為

y

=0.0066

x

(

R

=0.9934)，其中

x

為能量，

y

為質(zhì)量衰減系數(shù)

μ

。由圖4可知，心臟、肝臟、腎臟、肺臟及胃腸道的質(zhì)量衰減系數(shù)

μ

近似一致，符合式(3)規(guī)律。

圖4 主要器官質(zhì)量衰減系數(shù)曲線圖Fig.4 Mass attenuation coefficient curves of major organs

4 器官吸收劑量測量

4.1 器官吸收劑量實(shí)驗(yàn)布局

在Co γ輻射場中進(jìn)行參考人體模的左側(cè)面和右側(cè)面照射實(shí)驗(yàn)，測量該照射環(huán)境下的器官吸收劑量。實(shí)驗(yàn)場地溫度為25℃，濕度為68%，氣壓為1 021.39hPa。距源2.5m處輻射野直徑為20cm可完整覆蓋體模側(cè)面。將PTW23332型指型電離室置入各器官孔道配合PTW-UNIDOSE劑量儀進(jìn)行器官吸收劑量實(shí)驗(yàn)，電離室在Co射束下空氣比釋動(dòng)能校準(zhǔn)因子

N

為9.72×10Gy/C，實(shí)驗(yàn)布局，如圖5所示。

表7 器官等效材料質(zhì)量衰減系數(shù)Tab.7 Mass attenuation coefficient of organ equivalent materials參數(shù)能量(MeV)0.20.30.40.50.60.6621.25μm(10-2m2/kg)1.281.081.010.9030.8170.7520.581標(biāo)準(zhǔn)值1.361.181.050.9610.8880.8000.595相對(duì)偏差6%8%4%6%8%6%2%

圖5 60Coγ輻射場側(cè)面照射實(shí)驗(yàn)布局圖Fig.5 Layout of side irradiation experiment in the 60Coγ radiation field

4.2 器官吸收劑量測量結(jié)果及分析

(7)

(8)

式中：(

μ

/ρ

)——各器官等效材料與空氣的質(zhì)能吸收系數(shù)之比；∏

k

——各修正項(xiàng)的乘積。利用MCNP軟件模擬Co γ射線輻照條件下，尺寸為20cm×20cm×30cm的器官等效材料幾何中心處半徑為1cm小球內(nèi)部的沉積能量，模擬中小球材料依次設(shè)置為空氣與器官等效材料。滿足帶電粒子平衡條件時(shí)，器官等效材料小球和空氣小球內(nèi)的沉積能量之比近似等于該能量下的兩種材料的質(zhì)能吸收系數(shù)之比，即(

μ

/ρ

)。模擬結(jié)果見表8。

表8 各器官材料與空氣質(zhì)能吸收系數(shù)之比模擬值Tab.8 Simulated values of the ratio of mass energy absorption coefficient of organ materials to air器官材料腎臟肺臟心臟肝臟腸水質(zhì)能吸收系數(shù)之比μenρ()p.a1.0501.0591.0511.0501.0511.100

這里的主要修正項(xiàng)包括：空氣溫度修正、氣壓修正及電離室鋁桿修正，如式(9)所示。對(duì)于空氣溫度及氣壓修正，利用式(10)計(jì)算得到修正因子

k

為0.988。

(9)

式中：

k

——空氣溫度和氣壓修正因子；電離室鋁桿的修正

k

=0.98。

(10)

式中：

T

——檢定時(shí)的溫度，單位℃；

P

——檢定時(shí)的氣壓，單位kPa；

T

——參考溫度20℃；

P

——參考大氣壓101.325kPa。

對(duì)于電離室鋁桿修正，本文利用MCNP軟件，模擬20cm×20cm×30cm器官等效材料的幾何體，內(nèi)部置入鋁桿前后，幾何體中心半徑為1cm的小球內(nèi)的能量沉積之比近似等于該能量下電離室鋁桿修正因子。各器官內(nèi)吸收劑量見表9。

表9 各器官內(nèi)吸收劑量Tab.9 Absorbed dose of each organ器官左腎右腎左肺右肺心臟肝臟大腸小腸器官吸收劑量率Gy/h左側(cè)面1.0950.9250.9310.6471.3770.8200.8501.441右側(cè)面1.0311.0640.6540.8900.9591.6010.8560.888

5 結(jié)束語

通過調(diào)研國內(nèi)外仿真輻照體模設(shè)計(jì)，利用3D打印技術(shù)建立了組織等效參考人體模，并對(duì)體模制作材料的密度、元素組成比例、有效原子序數(shù)、電子密度、質(zhì)量衰減系數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量，結(jié)果證明該體模制作材料的輻射特性與人體近似，具有人體組織等效性，可利用該體模進(jìn)行器官內(nèi)吸收劑量研究。同時(shí)基于該體模，開展了Co γ輻射場中各器官吸收劑量的測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為放射治療中劑量的精確控制、放療計(jì)劃的制訂與執(zhí)行及放射治療質(zhì)量保證技術(shù)研究提供基礎(chǔ)和參考。