組織等效參考人體模設(shè)計與研究

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，計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點實驗室，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)備的驗收、調(diào)試、校準(zhǔn)及治療計劃與實施等。其中，劑量校準(zhǔn)是對放療射束在體模某一深度(參考點)處的劑量進(jìn)行測量并與標(biāo)準(zhǔn)值比對。吸收劑量驗證是將上述測得的劑量與治療計劃軟件計算的吸收劑量進(jìn)行比對。體模作為放射治療質(zhì)量保證工作中的一個重要工具，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·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)置一個用于放置探測器(探測器直徑為17mm)的孔道?？椎镭炌w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，需要先對參考人體模組織等效材料的輻射等效性進(jìn)行測量與評價。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，直接測量器官材料的密度。器官材料實測密度值及與標(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，確定元素組成比，并通過

表5 器官材料實測密度值及與標(biāo)準(zhǔn)值的相對偏差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測密度(g/cm3)1.0370.3051.0781.0701.050標(biāo)準(zhǔn)值1.0500.2601.0601.0601.040相對偏差1%4%2%1%1%

元素分析儀得到器官材料實際元素組成比，見表6。通過式(1)計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/g。

表6 器官材料實測元素組成比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)

擬通過實驗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。擬利用實驗測得在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)實驗中，記錄未放置腎臟等效材料時電離室讀數(shù)

I

和放置腎臟等效材料時讀數(shù)

I

，實驗布局如圖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)實驗布局圖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下的質(zhì)量衰減系數(shù)

μ

。ICRU44號報告給出(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 器官吸收劑量實驗布局

在Co γ輻射場中進(jìn)行參考人體模的左側(cè)面和右側(cè)面照射實驗，測量該照射環(huán)境下的器官吸收劑量。實驗場地溫度為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)行器官吸收劑量實驗，電離室在Co射束下空氣比釋動能校準(zhǔn)因子

N

為9.72×10Gy/C，實驗布局，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相對偏差6%8%4%6%8%6%2%

圖5 60Coγ輻射場側(cè)面照射實驗布局圖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，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。對于空氣溫度及氣壓修正，利用式(10)計算得到修正因子

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

——檢定時的溫度，單位℃；

P

——檢定時的氣壓，單位kPa；

T

——參考溫度20℃；

P

——參考大氣壓101.325kPa。

對于電離室鋁桿修正，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，利用3D打印技術(shù)建立了組織等效參考人體模，并對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)行了理論計算和實驗測量，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，實驗結(jié)果為放射治療中劑量的精確控制、放療計劃的制訂與執(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。