非人類物種輻射影響評價(jià)中不同劑量率估算模型的比較

貢文靜，王慧娟

(中國輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

核設(shè)施排放到環(huán)境中的放射性核素對周圍環(huán)境的影響，需要通過對污染區(qū)域內(nèi)動(dòng)植物吸收劑量率的估算來評價(jià)。非人類物種劑量率的評價(jià)方法有兩種：一是利用非人類物種輻射影響評價(jià)程序，此方法是將建模方法使用計(jì)算機(jī)程序整合，收錄主要放射性核素與參考生物，根據(jù)界面指引輸入放射性核素與參考生物參數(shù)，再進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算得到生物體劑量率等數(shù)據(jù)。目前主要有美國能源部開發(fā)的分級方法中的RESRAD-Biota程序[1]和歐共體開發(fā)的ERICA程序[2]，兩種程序均具有完整的生物輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)庫。二是建立模型，用蒙特卡羅方法模擬粒子沉積能，再通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到生物體的內(nèi)外照射劑量率值，其中模型有整體簡化模型、簡化解剖學(xué)模型、體素模型以及最近幾年開發(fā)出來的面元模型。本文參照國內(nèi)外對人體和生物建立的劑量學(xué)模型方法，對整體簡化模型、簡化解剖學(xué)模型和體素模型進(jìn)行介紹和比較。

1 劑量系數(shù)的計(jì)算方法

對一定環(huán)境中生物體所受輻射劑量率的計(jì)算，要先確定環(huán)境介質(zhì)中的主要放射性核素、生物所受的輻射類型以及輻射能在生物體內(nèi)沉積能量的份額，這樣就可以計(jì)算生物體內(nèi)、外照射劑量系數(shù)(DC)，再由生物體體內(nèi)和所處的環(huán)境介質(zhì)中放射性核素活度濃度計(jì)算得到生物體內(nèi)、外照射劑量率以及生物體總劑量率。

在三種輻射類型α、β和γ中，α粒子和能量小于10 keV的β粒子在介質(zhì)中的射程很短，在空氣中也就只有幾厘米，所以α和低能β粒子在常規(guī)尺度的生物體內(nèi)部造成內(nèi)照射的能量吸收分?jǐn)?shù)可以近似為1，對于外照射可以忽略不計(jì)。但是，對于非低能β粒子和γ光子來說，他們的射程長，能夠穿透介質(zhì)并且有一定的能量作用范圍[3]，因此需要通過計(jì)算機(jī)模擬來確定放射性核素在生物體內(nèi)的能量沉積，進(jìn)而進(jìn)行生物體劑量率估算。

2 生物輻射劑量率估算模型

2.1 整體簡化模型

整體簡化模型是以放射性核素在體內(nèi)均勻分布為基礎(chǔ)，用簡單的球體、橢球體、柱體、椎體、長方體等二次曲面代替整個(gè)生物，通過計(jì)算機(jī)模擬獲得放射性核素在生物體的能量沉積進(jìn)而計(jì)算得到生物體內(nèi)、外照射的劑量系數(shù)，再根據(jù)生物體內(nèi)、外環(huán)境介質(zhì)的放射性核素活度濃度算出總輻射劑量率，最后對生物效應(yīng)進(jìn)行評價(jià)。圖1為整體簡化模型示意圖。

圖1 整體簡化模型示意圖

整體簡化模型不對生物體的組織器官進(jìn)行劃分，與實(shí)際的生物體差異很大，但是由于其具有模型簡單、容易建模且計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，便于對生物體的實(shí)際受照情況進(jìn)行快速估計(jì)，因此目前國際上主要生物劑量估算方法(ERICA[2]、FASSET陸生生物[4]、RESRAD-BIOTA[1]、EDEN 2[5]、EPIC DOSE3D[6])均以此為基礎(chǔ)，對不同種生物進(jìn)行快速劑量估算。

2.2 簡化解剖學(xué)模型

簡化解剖學(xué)模型考慮了生物的組織/器官及內(nèi)部放射性核素活度濃度的不同，可針對生物體內(nèi)核素在某些組織或器官的濃集特征，根據(jù)相應(yīng)的輻射類型和能量計(jì)算模型中各組織或器官的沉積能，估算模型的劑量系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算生物所受劑量率并對生物所受到的輻射劑量率進(jìn)行評價(jià)。

近幾年國內(nèi)針對簡化解剖學(xué)模型進(jìn)行了一系列的研究，圖2為國內(nèi)幾位學(xué)者建立的簡化解剖學(xué)模型示意圖。1999年，唐文喬建立了鱸魚簡化解剖學(xué)模型，分割出肌肉系統(tǒng)包括軀干部、臂部和尾部、骨骼系統(tǒng)等多個(gè)器官，給出各個(gè)器官的能量吸收分?jǐn)?shù)，得到了模型中各組織器官內(nèi)核素對性腺的劑量率系數(shù)[7]。2008年，姚青山建立了赤麻鴨簡化解剖學(xué)模型，主要研究放射性核素在赤麻鴨肝臟沉積后對周圍靶器官產(chǎn)生的內(nèi)照射，給出了能量吸收分?jǐn)?shù)，并估算赤麻鴨DC值[8]。2011年，韓學(xué)壘對蛙類建立了簡化解剖學(xué)模型和兩棲類生物生存環(huán)境模型，采用蒙特卡羅粒子輸運(yùn)過程模擬計(jì)算了137Cs的輻射類型對蛙產(chǎn)生的內(nèi)照射，得到了各源器官對靶器官和環(huán)境介質(zhì)對蛙組織/器官的劑量系數(shù)[3]。2011年，李靜晶模擬出鯔魚簡化解剖學(xué)模型，得到了鯔魚組織/器官能量吸收分?jǐn)?shù)，計(jì)算了鯔魚的吸收劑量，將此結(jié)果與同等條件下建立的鯔魚整體簡化模型進(jìn)行比較，結(jié)果顯示由于生物體內(nèi)部器官對放射性核素的濃集特性，導(dǎo)致簡化解剖學(xué)模型的局部劑量率較高，使得整體簡化模型得出的結(jié)果不如簡化解剖學(xué)模型準(zhǔn)確[9]。2016年，王艾俊建立了龍蝦、鯉魚、河蟹和河蚌的簡化解剖學(xué)模型，采用蒙特卡羅粒子輸運(yùn)過程模擬計(jì)算得到137Cs和90Sr對4種水生生物內(nèi)外照射DC值和內(nèi)外照射劑量率[10]。

圖2 簡化解剖學(xué)模型示意圖

每種參考生物的簡化解剖學(xué)模型，在建模計(jì)算過程中都要進(jìn)行很多具體的簡化假設(shè)，主要包括放射性核素的分布、生物體幾何模型和外照射條件的假設(shè)。放射性核素的假設(shè)主要取決于所獲取的放射性核素在生物體內(nèi)和環(huán)境介質(zhì)中的分布信息。

2.3 體素模型

體素模型為通過CT、MRI等手段獲得序列圖像，通過對斷層掃描圖片進(jìn)行圖像配準(zhǔn)、器官識(shí)別與分割，結(jié)合計(jì)算機(jī)程序得到大型像素矩陣，同時(shí)結(jié)合蒙特卡羅的重復(fù)結(jié)構(gòu)卡，對大型矩陣重新排序，建立體素模型[11]。

體素模型建立初期均應(yīng)用在人體上，對人的劑量學(xué)評價(jià)作出了很大的貢獻(xiàn)。圖3為中、韓兩國學(xué)者建立的人體體素模型示意圖。2005年，Choonsik Lee等基于人體MRI和CT兩種方式獲得人體斷層序列圖像，從中分割出29個(gè)器官和19個(gè)骨骼部位，分別建立了體素模型；基于MRI建立一個(gè)無臂人體體素模型，可用于計(jì)算機(jī)斷層掃描或橫向X光檢查的劑量監(jiān)測，基于CT建立了一個(gè)完整人體體素模型并與無臂人體體素模型數(shù)據(jù)形成對照[12]。2007年，張賓全等基于人體斷層解剖圖像建立了中國人體素模型，分割出了29種組織/器官，結(jié)合蒙特卡羅輸運(yùn)代碼，獲得了中國人人體輻射防護(hù)劑量測量初步結(jié)果[13]。2008年，李君利等基于MRI技術(shù)建立了中國男性體素模型，識(shí)別和分割出23種組織及器官，使用MCNP模擬計(jì)算了空氣中γ光子(能量10 keV～10 MeV)對人體器官吸收劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)[14]。

圖3 人體體素模型示意圖

人體體素模型的發(fā)展已相對比較成熟，近幾年，一些科研工作者將這種劑量率模型應(yīng)用在動(dòng)物的輻射劑量率評價(jià)中，也同樣適用。2005年，Michael G.Stabin等基于CT建立小鼠體素模型，使用MCNP軟件計(jì)算了幾種放射性核素劑量轉(zhuǎn)換因子，計(jì)算了器官吸收系數(shù)，用于估計(jì)動(dòng)物輻射效應(yīng)敏感性，控制臨床實(shí)驗(yàn)中潛在的輻射毒性[15]。2006年，A.Bitar等基于小鼠冰凍斷層切片解剖圖譜，建立小鼠體素模型，建立劑量相關(guān)數(shù)據(jù)庫，用于臨床靶向放療試驗(yàn)[16]。2008年，Sakae KINASE基于青蛙斷層解剖圖像，分割出了脾臟、腎臟和肝臟等器官，建立青蛙體素模型，此模型用來評價(jià)內(nèi)照射過程中，源器官自吸收的能量分?jǐn)?shù)[17]。2008年，武力基于小動(dòng)物成像系統(tǒng)獲得高精度斷層圖像，識(shí)別和分割出19種器官和組織，建立大鼠體素模型，使用MCNPX計(jì)算了大鼠器官吸收劑量內(nèi)外照射的有效劑量[18]。2010年，張曉敏基于小鼠冰凍斷層切片，識(shí)別/分割出了12種組織及器官，建立小鼠體素模型，使用MCNP模擬光子和中子得到小鼠外照射劑量系數(shù)[19]。2012年，E.A.Caffrey等，基于CT斷層掃描圖像建立了珍寶蟹體素模型，識(shí)別和分割出殼、鰓、性腺、肝、胰腺和心臟，使用3D-Doctor、Voxelizer和Monte Carlo，計(jì)算了12個(gè)不同能量的光子和9個(gè)不同能量的電子的能量吸收分?jǐn)?shù)[20]。2015年，王艾俊基于CT斷層掃描序列圖片，建立鯉魚和河蟹體素模型，模擬計(jì)算出水中90Sr和137Cs對水生生物的劑量系數(shù)[21]。圖4為上述學(xué)者建立的用于動(dòng)物的體素模型示意圖。

生物體素模型已應(yīng)用于人體模型、小鼠模型及其他物種器官模型的研究，近年來逐漸運(yùn)用于非人類物種的輻射劑量率估算，與生物整體簡化模型和簡化解剖學(xué)模型相比，在生物體外形方面，基本與實(shí)物相吻合；在生物體內(nèi)部器官(組織)方面，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確地定位以及高精度地建模，最終可對生物體劑量率進(jìn)行精確計(jì)算。

3 模型的比較

表1列出了三種模型在DC計(jì)算方法、建模方式、模型基本假設(shè)以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面的比較。

表1 三種模型在DC計(jì)算方法、建模方式、模型基本假設(shè)以及優(yōu)缺點(diǎn)的比較

對于整體簡化模型，將生物體簡化為一個(gè)簡單的柱體或橢球體，假設(shè)放射性核素在這個(gè)體內(nèi)均勻分布。這樣的簡化形式節(jié)約時(shí)間，成本低，通過已知放射性核素的基本性質(zhì)即可得到放射性核素對生物體的劑量系數(shù)。但是，在整體簡化模型中對生物體的幾何簡化沒有考慮生物復(fù)雜形態(tài)或生物體內(nèi)部器官/組織形態(tài)，且沒有考慮生物體內(nèi)部器官/組織對某些核素的濃集或累積造成生物體內(nèi)局部區(qū)域的劑量偏高。

在簡化解剖學(xué)模型中進(jìn)行了很多具體的簡化假設(shè)，主要包括放射性核素的分布、生物幾何模型和外照射條件的假設(shè)，考慮了生物體內(nèi)部器官/組織以及放射性核素在器官/組織中的分布情況，在已知放射性核素基本參數(shù)的前提下還要知道器官/組織的基本參數(shù)，對于不同的器官/組織可用不同的幾何形狀進(jìn)行假設(shè)，同時(shí)考慮了生物體所在環(huán)境介質(zhì)的照射幾何條件。相比于整體簡化模型，簡化解剖學(xué)模型更加趨近于真實(shí)值。

較簡化解剖學(xué)模型而言，體素模型具有：(1)模型形狀與生物體幾乎一致，尤其對生物體內(nèi)器官或組織能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的定位；(2)不需要人為推導(dǎo)器官或組織的幾何方程，并且模型尺寸的大小可隨體素晶格大小變化而變化；(3)通過計(jì)算體素的個(gè)數(shù)，可直接得到相關(guān)器官或組織的體積等優(yōu)點(diǎn)。體素模型以其高精準(zhǔn)度逐漸被人們所認(rèn)可，并且逐漸在非人類物種劑量學(xué)評價(jià)中得到運(yùn)用。

在三種模型中，整體簡化模型適用于單一的環(huán)境介質(zhì)，且所考察的生物體幾何形狀規(guī)則，比如在水環(huán)境下對水生生物或者在某些環(huán)境下對生物卵等進(jìn)行劑量評價(jià)。簡化解剖學(xué)模型適用于內(nèi)照射，考慮生物體內(nèi)部器官/組織時(shí)，將內(nèi)部器官/組織簡化為簡單幾何形狀，得到生物體內(nèi)部器官/組織的平均吸收劑量。體素模型可應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物體，可將生物整體和內(nèi)部器官/組織直觀地展現(xiàn)出來。體素模型已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于人體劑量評價(jià)中，對于成年男性體素模型的研究已經(jīng)步入成熟階段。在以后的環(huán)境評價(jià)中對于復(fù)雜的生物體劑量評價(jià)建議采用體素模型進(jìn)行建模，以求誤差降到最低。

4 小結(jié)

劑量率估算模型是進(jìn)行生物劑量學(xué)評價(jià)的重要基礎(chǔ)。本文通過對整體簡化模型、簡化解剖學(xué)模型和體素模型的建模方式、建?；炯僭O(shè)和DC估算公式的比較，明確了三種模型的優(yōu)缺點(diǎn)及適用情況。為開展非人類物種劑量學(xué)評價(jià)的模型選擇提供了參考。