基于中国辐射虚拟人Rad-HUMAN 的中子剂量转换系数及分析

程梦云，王 文，范言昌，龙鹏程，胡丽琴

（中国科学院 核能安全技术研究所，中国科学院 中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽 合肥 230031）

中子外照射是核设施、高能加速器等场所常见的一种辐照。中子通过物质时具有很强的穿透能力，对人体产生的危险较相同剂量的X 射线、γ射线更严重，人体受过量的中子辐射后，肠胃和胸腺会严重损伤，诱导肿瘤的生物效应高，并易导致早期死亡［1］。然而由国际放射防护委员会（ICRP）定义的防护量（当量剂量和有效剂量）不能被直接测量，须利用器官剂量转换系数计算得到，中子外照射剂量转换系数是评价人员中子剂量的基础性数据。ICRP建议用人体模型计算辐射场中组织或器官的剂量转换系数，通过转换系数得到工作人员所接受的剂量［2］。

1996年，在ICRP 74号出版物［3］中，定义了6种外照射参考辐射场，给出了在这些参考辐射场中器官剂量转换系数的推荐值。这些推荐值是综合了几个数学模型的计算结果，这些模型的体表和内部组织器官用简单的数学公式来描述，由一些长方体、椭圆或圆柱组成。

在ICRP 103号出版物［4］中正式提出采用体素模型计算内外照射的基础数据。2012年3月份发布的ICRP 116号出版物推荐的剂量转换系数是根据参考模型ICRP AF／AM［5］重新模拟计算给出的。但这个模型的相关数据均是根据西方人群调查得来的，与中国人体存在较大差异，这种解剖学差异会直接影响辐射剂量的结果。

中国科学院核能安全技术研究所FDS团队已建立了基于我国人体解剖数据的成年女性辐射虚拟人模型Rad-HUMAN。本文拟利用该辐射虚拟人的体素模型计算在外照射参考辐射场中器官的中子剂量转换系数，并与ICRP 74号、ICRP 116号出版物推荐值进行比较。

1 人体模型及其在蒙特卡罗程序中的实现

1.1 Rad-HUMAM 模型简介

中国高精度辐射虚拟人Rad-HUMAN 是由FDS团队自主构建的，用于辐射防护、放射医疗等应用的辐射虚拟人模型［6-11］。该模型利用第三军医大学采集的中国数字化可视化人体数据集（CVH2）［12］，通过手工分割高分辨率全身彩色切片，利用三维重建技术构建而成。CVH2为女性数据集标本，指标为：年龄22岁、身高162cm、体重54kg、体型匀称，非器质性疾病死亡。彩色切片图像分辨率为3 072×2 048，头颈部切片层间距为0.25 mm，其余部位层间距为0.5mm，全身共计3 641个断面。

由专业人员历时约半年对人体46个器官进行了精确分割，基本覆盖了ICRP 103 号出版物中规定的辐射敏感的器官或组织（表1）。应用FDS团队自主研发的多物理耦合分析自动建模软件SuperMC／MCAM［13-23］构建高精度中国成年女性辐射虚拟人模型Rad-HUMAN。Rad-HUMAN的体素大小为0.15mm×0.15mm×0.5mm，体素数目约288亿个。部分器官或组织的三维模型如图1所示。

表1 Rad-HUMAN器官或组织名称Table 1 Organ and tissue names of Rad-HUMAN

图1 Rad-HUMAN 的三维模型Fig.1 3-D model of Rad-HUMAN

1.2 蒙特卡罗模拟计算

为满足物理计算的要求，除建立Rad-HUMAN几何模型外，还利用FDS团队自主研发的SuperMC／MCAM 软件建立了用于辐射输运计算的计算模型，其中密度主要来源于ICRP 89 号出版物，组织成分主要来源于ICRU 44号报告［24］。该计算模型用统一的符号U 标志属于各器官或组织的所有体素，并采用重复结构描述每个体素的位置。

Rad-HUMAN 包含的体素数目多达288亿个，如此巨大的体素数目对计算机的内存和运算速度是个很大的挑战。本文对Rad-HUMAN的体素进行了合并处理，计算时采用的体素大小为3mm×3mm×3mm，合并后的体素数目约为700万个（164×79×539）。

在实际环境中，人体所受的照射与源分布、方向角有密切关系。在剂量评估中通常对人体所受照射几何条件划分为6 类［25］：前向照射（AP）、背向照射（PA）、左侧照射（LLAT）、右侧照射（RLAT）、旋转照射（ROT）和各向同性照射（ISO）。上述定义的几何条件都是理想化的，但可作为对真实照射条件的近似，如AP、PA、LLAT、RLAT 等几何条件可认为是对一些由单个源所产生的辐射场和一些特定的身体取向情况下的近似。此外，旋转几何条件可认为是受到广泛散布的平面源照射的一种近似；当人体浸没在放射性气体中时则可近似为各向同性照射几何条件。

本文采用的模拟计算程序是超级蒙特卡罗核 计 算 仿 真 软 件 系 统SuperMC［26-27］，采 用mode N，P 模式，计数方式采用T6：N，P，记录中子、次级光子所沉积的能量，采用的截面数据库 为HENDL3.0 库［28］。分 别 针 对AP、PA、LLAT、RLAT、ROT 和ISO 6 种参考辐射场，10-9～20 MeV 范围内的20 个能量点，Rad-HUMAN 体素模型的46 个器官，共计算了5 520组中子外照射剂量转换系数。

2 计算结果与分析

2.1 器官中子剂量转换系数对比

对Rad-HUMAM 器官中子剂量转换系数与ICRP 74［3］和ICRP 116号出版物［29］的推荐值进行了对比。ICRP 116号出版物中的中子剂量转换系数是基于ICRP-AF 女性模型得到的，ICRP 74号出版物中的是基于数学模型得到的。几种模型的参数对比列于表2。

表3列出了ICRP 103号出版物推荐的组织权重因子。由表3可看出，红骨髓、结肠、肺、胃、乳腺的辐射权重因子最高。本文对乳腺、胃、肺几种典型器官的剂量转换系数进行比较，其中乳腺为靠近人体前部的器官，选取AP、PA参考辐射场进行对比；胃为左右不对称的器官，选取LLAT、RLAT 参考辐射场进行对比；肺为左右对称的器官，选取LLAT、RLAT 参考辐射场进行对比。

表2 几种模型的参数对比Table 2 Parameters comparison of several models

表3 ICRP 103号出版物推荐的组织权重因子Table 3 Tissue weight factor recommended by ICRP 103publication

1）乳腺的中子剂量转换系数比较

在AP、PA 照射方式下，Rad-HUMAN、ICRP 74号出版物、ICRP 116号出版物中乳腺的中子剂量转换系数的对比如图2所示。由图2可见，三者数据总体上较为吻合，且可明显看出三者在AP照射方式下的中子剂量转换系数明显高于PA 照射方式的，这是因为乳腺在人体中的位置偏靠前。

2）胃的中子剂量转换系数比较

在LLAT、RLAT 照射方式下，Rad-HUMAN、ICRP 74号出版物、ICRP 116号出版物中胃的剂量转换系数对比如图3所示。由图3可明显看到在LLAT 照射方式下胃的剂量转换系数明显大于RLAT 照射方式下的，这是由于胃位于人体左侧。此外由于胃靠近人体左侧，Rad-HUMAN 相较于ICRP 出版物采用的模型偏瘦，因此在RLAT 照射方式下，与ICRP 74号出版物、ICRP 116号出版物的差异更明显。在LLAT 照 射 方 式 下，Rad-HUMAN 胃 的 剂 量转换系数较ICRP 116 号出版物的小17%左右，而在RLAT 照射方式下，Rad-HUMAN胃的剂量转换系数较ICRP 116 号出版物大36%左右。这可能是由于Rad-HUMAN模型中胃的位置相对于ICRP 116号出版物的偏右侧造成的。

3）肺的中子剂量转换系数比较

在LLAT、RLAT 照 射 方 式 下，Rad-HUMAN、ICRP 74 号 出 版 物、ICRP 116 号 出版物中肺的中子剂量转换系数对比如图4所示。由图4可见，三者数据总体上较为吻合；在LLAT 和RLAT 照射方式下，肺的中子剂量转换系数曲线趋势一致，且无明显差异，说明肺是左右对称的器官。

图2 AP和PA 照射方式下乳腺的中子剂量转换系数对比Fig.2 Comparison of neutron dose conversion coefficients for breast in AP and PA geometries

图3 LLAT 和RLAT 照射方式下胃的中子剂量转换系数对比Fig.3 Comparison of neutron dose conversion coefficients for stomach in LLAT and RLAT geometries

图4 LLAT 和RLAT 照射方式下肺的中子剂量转换系数对比Fig.4 Comparison of neutron dose conversion coefficients for lung in LLAT and RLAT geometries

2.2 有效剂量对比

有效剂量是表示在多个器官或组织同时受照时，辐射对人体的总危害。有效剂量定义如下：

式中：WT为器官或组织T 的组织权重因子；HT为器官或组织所受的当量剂量；WR为粒子辐射权重因子；DT，R为器官或组织的平均剂量。

2007年出版的ICRP 103号出版物取代了沿用多年的ICRP 60号出版物，降低了低能中子的辐射权重因子，图5 示出了ICRP 60 和ICRP 103号出版物的中子辐射权重因子。由图5可明显看出，在能量低于1 MeV 时，中子辐射权重因子降低了很多。Rad-HUMAN 和ICRP 116号出版物在计算中子有效剂量时采用的是ICRP 103号出版物给出的中子辐射权重因子，ICRP 74号出版物在计算中子有效剂量时采用的是ICRP 60 号出版物给出的中子辐射权重因子。

图5 中子辐射权重因子随能量的变化Fig.5 Change of radiation weight factor with neutron energy

有效剂量是一种性别平均，利用某一性别模型计算得到的不能称之为有效剂量（effective-dose），有研究人员称之为“Effectivefemale／male-dose”。本文采用该名称，下文提到的Rad-HUMAN 有效剂量，均指“Effectivefemale／male-dose”。

表4列出了Rad-HUMAM 在6 种照射方式、20个能量对应的有效剂量。从表4可看出，AP照射方式下的有效剂量明显大于其他5种照射方式的，主要原因在于大部分对有效剂量有贡献的器官均位于身体前部。侧向照射方式的有效剂量较小，主要原因在于位于两侧的胳膊和侧向较长的躯干延长了粒子到达器官的距离，使得器官吸收的剂量较小。在ROT 和ISO 照射方式下粒子是均匀发出的，其有效剂量介于其他照射方式值之间。

图6为Rad-HUMAN、ICRP 74号出版物和ICRP 116 号出版物的中子有效剂量对比。由于ICRP 74 号 出 版 物 采 用 的 是ICRP 60 号出版物给出的权重因子，导致中子能量低于1 MeV时，ICRP 74 号出版物的有效剂量明显高于Rad-HUMAN 和ICRP 116号出版物的。除RLAT 外，Rad-HUMAN 的有效剂量均小于ICRP 116 号出版物的。在PA、LLAT 和ISO 照 射 方 式 下，Rad-HUMAN 和ICRP 116号出版物的吻合较好（＜8%）。在RLAT 和ROT 照射方式下存在较大的差异，最大差异可达33%。

表4 不同照射方式、能量下的Rad-HUMAN有效剂量Table 4 Effective dose for Rad-HUMAN under various irradiation geometries and energies

图6 Rad-HUMAN、ICRP 74号和ICRP 116号出版物中的中子有效剂量对比Fig.6 Comparison of neutron effective dose for Rad-HUMAN，ICRP 74and ICRP 116

ICRP 116 号 出 版 物 采 用 的ICRP 成 年 女性参考人是基于高加索人种的，其与中国人在解剖结构等方面存在较大差异，上述有效剂量的差异可能是由于ICRP 参考人与Rad-HUMAN模型间的个体差异所致。相较于ICRP 116 号 报 告 推 荐 数 据，Rad-HUMAN 更适合用于中国人的辐射防护实际工作，能从一定程度上提高剂量估算的准确度。

3 结论与展望

利用中国辐射虚拟人模型Rad-HUMAN和蒙特卡罗程序模拟了单能中子在6种照射方式（AP、PA、RLAT、LLAT、ROT、ISO）和20种不同能量（10-9～20 MeV）下在人体内的输运过程，得到了一套中国成年女性的器官中子剂量转换系数库和有效剂量值。

将计算结果与ICRP 74、116 号出版物推荐值进行了对比分析。对于某些器官和照射条件，三者的中子剂量转换系数结果较一致；但在某些照射条件下，基于Rad-HUMAN 的结果和ICRP74、116 号出版物推荐值存在较大差异，如 在RLAT 照 射 方 式 下，Rad-HUMAN 胃的剂量转换系数较ICRP 116的大36%左右。除RLAT 照射方式外，Rad-HUMAN 的有效剂量 均 小 于ICRP 116 的，在PA、LLAT 和ISO 照射方式下，两者吻合较好，在RLAT 和ROT 照射方式下存在较大差异，最大差异达33%。由于中国人个体与ICRP参考人之间的差异，基于中国辐射虚拟人Rad-HUMAN 的中子剂量转换系数和有效剂量与ICRP出版物的有一定差异。本文提供的中子剂量转换系数库和有效剂量值为精确定量计算中国成年女性的中子外照射剂量提供了参考数据。

本工作是在FDS 团队进行的，感谢FDS团队其他成员提供的各项帮助和支持。

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