组织等效参考人体模设计与研究

王菲菲 高 飞 徐 阳 刘蕴韬 刘川凤 倪 宁

(中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，北京 102413)

1 引 言

癌症在中国乃至全球都有极高的发病率与死亡率，放射治疗是治疗和控制肿瘤的重要手段之一。在放射治疗中肿瘤靶区所受剂量是否准确直接关系到放射治疗的效果。为了使放射治疗整体环节按照标准安全准确地执行，需要进行质量保证工作，其内容涵盖了放疗设备的验收、调试、校准及治疗计划与实施等。其中，剂量校准是对放疗射束在体模某一深度(参考点)处的剂量进行测量并与标准值比对。吸收剂量验证是将上述测得的剂量与治疗计划软件计算的吸收剂量进行比对。体模作为放射治疗质量保证工作中的一个重要工具，是根据人体参数,用与人体组织具有相近散射和吸收系数的组织等效材料制成的人体模型。它具有外部形态相似性、组织辐射等效性、内部结构仿真性、辐射剂量可测试性。本文设计的组织等效参考人体模外部轮廓及内部器官构造模拟了真实人体及其内部脏器(包括心脏、左右肺、肝、左右肾和大小肠)。不同器官和组织的制作材料具有对X射线和γ射线的组织等效性，为射线在人体器官内的能量沉积分布规律研究、放射治疗中准确剂量控制、放疗计划的制订与执行及放射治疗质量保证技术研究提供基础和参考。

2 参考人体模的建立

参考人体模体格参数参照《GBZT-200辐射防护用参考人》推荐值，部分推荐值见表1，主要组织器官的基本元素质量百分比见表2，利用式(1)可得该元素组成下的有效原子序数

Z

参考值，参考值见表3。利用式(2)可得该元素组成下的单位质量电子密度

B

参考值。心、肝、肺、肾及肠的电子密度值近似，

B

≈3.03×10个·g。主要组织器官密度参考值见表4。

(1)

式中：

Z

——各元素的电子数；

a

——该元素的电子数占材料总电子数的百分比。

B

=

Z

×N

/M

(2)

式中：

Z

——材料的有效原子序数；N——阿伏伽德罗常数，N=6.02×10/mol；

M

——材料的摩尔质量，单位g/mol。

参考人体模外形和内部器官构造符合人体解剖结构，器官的重量、尺寸和几何形状满足人体医学解剖参数。综合考虑不同组织器官对辐射的敏感性、肿瘤发生率及参考人体模的仿真完整性，内部模拟脏器包括：心脏、左右肺脏、肝脏、左右肾脏和大小肠。器官之间用模拟肌肉和脂肪低密度组织等效材料进行填充和密封。由于选择指型电离室进行器官内剂量测量，所以在器官内各设置一个用于放置探测器(探测器直径为17mm)的孔道。孔道贯通体模前后，孔道中心与器官几何中心重合，置入指型电离室后，孔道前段用组织等效材料填充，在非使用状态下孔道由组织等效材料完全填充。

表1 体格参数部分推荐值Tab.1 Recommended values for physical parameters性别年龄/岁身高/cm体重/kg坐高/cm胸围/cm体表面积/m2男20～501706392881.9

表2 主要组织器官基本元素质量百分比Tab.2 Recommended elemental compositions for major organs器官HCNO合计心脏10.4%13.9%2.9%71.8%99.0%肝脏10.3%18.6%2.8%67.1%98.8%肺脏10.3%10.5%3.1%74.9%98.8%肾脏10.3%13.2%3%72.4%98.9%肠10.6%11.5%2.2%75.1%99.4%

表3 主要组织器官有效原子序数参考值Tab.3 Reference values of effective atomic number for major tissues and organs器官心脏肝脏肺脏肾脏肠Zeff6.8856.7836.9426.8976.958

表4 主要组织器官密度参考值Tab.4 Reference density values for major tissues and organs器官肾脏肺脏(充气)心脏肝脏肠密度(g/cm3)1.050.261.061.061.04

利用熔融沉积制造(FDM)技术和光固化3D打印技术分别打印各个器官。参考人体模三维示意图如图1所示，部分器官的示意图、实体图及孔位如图2所示。

图1 参考人体模示意图Fig.1 Diagram of radiological anthropomorphic phantom

图2 体模内部分器官三维图及部分实体模型图Fig.2 Schematic diagram,solid diagram and perforation position of some organs

3 组织等效性研究

利用参考人体模开展人体吸收剂量研究工作，需要先对参考人体模组织等效材料的辐射等效性进行测量与评价。将测量值与人体标准参数值进行比较，确认参考人体模组织等效材料辐射响应特性接近真实人体。体模制作材料的辐射等效性包括密度、C/H/O/N组成比、有效原子序数、电子密度、质量衰减系数。

3.1 组织等效材料密度

利用固体密度计，直接测量器官材料的密度。器官材料实测密度值及与标准值偏差见表5。表5中器官密度标准值来自《GBZT-200辐射防护用参考人》，各器官材料实测密度值与标准值偏差均在4%以内，满足使用要求。

3.2 组织等效材料元素组成比、有效原子序数及单位质量电子密度

在打印材料配备时，确定元素组成比，并通过

表5 器官材料实测密度值及与标准值的相对偏差Tab.5 Measured density values for organ materials and relative deviation from the standard values器官肾脏肺脏心脏肝脏肠实测密度(g/cm3)1.0370.3051.0781.0701.050标准值1.0500.2601.0601.0601.040相对偏差1%4%2%1%1%

元素分析仪得到器官材料实际元素组成比，见表6。通过式(1)计算可得器官制作材料的有效原子序数

Z

≈8。通过式(2)可得器官制作材料单位质量的电子密度

B

≈4.81×10个/g。

表6 器官材料实测元素组成比Tab.6 Elemental compositions for organ materials元素HCNO其它质量百分比6.350%51.46%0%40.96%1.230%

3.3 质量衰减系数

拟通过实验方法得到制作材料的质量衰减系数。由多种元素构成的组织等效材料(化合物或混合物)，其质量衰减系数

μ

由式(3)得到

(3)

式中：

μ

——线性衰减系数，单位/m；

ω

——第

i

种元素在等效材料中所占的质量百分比；(

μ/ρ

)——第

i

种元素的质量衰减系数，单位m/kg。由于体模中不同器官由同种树脂材料改变密度制成，元素组成比不变，根据式(3)可得体模各器官制作材料的质量衰减系数

μ

一致。拟利用实验测得在Co和Cs(0.662MeV)γ辐射场中肾脏等效材料的线性衰减系数

μ

，除以肾脏等效材料的密度

ρ

，可以求得该树脂材料在上述能量点下的质量衰减系数

μ

。在肾脏等效材料线性衰减系数实验中，记录未放置肾脏等效材料时电离室读数

I

和放置肾脏等效材料时读数

I

，实验布局如图3所示。由于X或γ射线在物质中的减弱遵从简单的指数衰减规律，如式(4)所示

N

=

N

e-

(4)

式中：

N

——穿过厚度为

d

的物质层前的光子数；

N

——穿过厚度为

d

的物质层后的光子数。

图3 肾脏等效材料线性衰减系数实验布局图Fig.3 Layout of experiment of linear attenuation coefficient of kidney equivalent material

由于电离室读出的电离电流

I

与光子数存在正比关系，所以肾脏等效材料的线性衰减系数为

μ

=(ln

I

-ln

I

)

/d

(5)

式中：

I

——未放置肾脏等效材料时电离室读数，单位pA；

I

——放置肾脏等效材料后电离室读数，单位pA；

d

——肾脏等效材料厚度，单位cm。

组合厚度分别为1cm，2cm，4cm的肾脏等效材料，记录厚度为1cm，2cm，3cm，4cm，5cm，6cm时电离室读数。根据式(6)按最小二乘法做直线拟合，直线的斜率即为肾脏等效材料的线性衰减系数

(6)

式中：

I

——未放置肾脏等效材料时电离室读数，单位pA；

I

——放置肾脏等效材料后电离室读数，单位pA；

d

——肾脏等效材料厚度，单位cm。肾脏等效材料的线性衰减系数

μ

，除以肾脏等效材料的密度

ρ

，可以求得该树脂材料在上述能量点下的质量衰减系数

μ

。ICRU44号报告给出(0.010～100)MeV单能光子下人体各组织器官质量衰减系数

μ

，(0.010～30)MeV能区间拟合系数曲线如图4所示，拟合公式为

y

=0.0066

x

(

R

=0.9934)，其中

x

为能量，

y

为质量衰减系数

μ

。由图4可知，心脏、肝脏、肾脏、肺脏及胃肠道的质量衰减系数

μ

近似一致，符合式(3)规律。

图4 主要器官质量衰减系数曲线图Fig.4 Mass attenuation coefficient curves of major organs

4 器官吸收剂量测量

4.1 器官吸收剂量实验布局

在Co γ辐射场中进行参考人体模的左侧面和右侧面照射实验，测量该照射环境下的器官吸收剂量。实验场地温度为25℃，湿度为68%，气压为1 021.39hPa。距源2.5m处辐射野直径为20cm可完整覆盖体模侧面。将PTW23332型指型电离室置入各器官孔道配合PTW-UNIDOSE剂量仪进行器官吸收剂量实验，电离室在Co射束下空气比释动能校准因子

N

为9.72×10Gy/C，实验布局，如图5所示。

表7 器官等效材料质量衰减系数Tab.7 Mass attenuation coefficient of organ equivalent materials参数能量(MeV)0.20.30.40.50.60.6621.25μm(10-2m2/kg)1.281.081.010.9030.8170.7520.581标准值1.361.181.050.9610.8880.8000.595相对偏差6%8%4%6%8%6%2%

图5 60Coγ辐射场侧面照射实验布局图Fig.5 Layout of side irradiation experiment in the 60Coγ radiation field

4.2 器官吸收剂量测量结果及分析

(7)

(8)

式中：(

μ

/ρ

)——各器官等效材料与空气的质能吸收系数之比；∏

k

——各修正项的乘积。利用MCNP软件模拟Co γ射线辐照条件下，尺寸为20cm×20cm×30cm的器官等效材料几何中心处半径为1cm小球内部的沉积能量，模拟中小球材料依次设置为空气与器官等效材料。满足带电粒子平衡条件时，器官等效材料小球和空气小球内的沉积能量之比近似等于该能量下的两种材料的质能吸收系数之比，即(

μ

/ρ

)。模拟结果见表8。

表8 各器官材料与空气质能吸收系数之比模拟值Tab.8 Simulated values of the ratio of mass energy absorption coefficient of organ materials to air器官材料肾脏肺脏心脏肝脏肠水质能吸收系数之比μenρ()p.a1.0501.0591.0511.0501.0511.100

这里的主要修正项包括：空气温度修正、气压修正及电离室铝杆修正，如式(9)所示。对于空气温度及气压修正，利用式(10)计算得到修正因子

k

为0.988。

(9)

式中：

k

——空气温度和气压修正因子；电离室铝杆的修正

k

=0.98。

(10)

式中：

T

——检定时的温度，单位℃；

P

——检定时的气压，单位kPa；

T

——参考温度20℃；

P

——参考大气压101.325kPa。

对于电离室铝杆修正，本文利用MCNP软件，模拟20cm×20cm×30cm器官等效材料的几何体，内部置入铝杆前后，几何体中心半径为1cm的小球内的能量沉积之比近似等于该能量下电离室铝杆修正因子。各器官内吸收剂量见表9。

表9 各器官内吸收剂量Tab.9 Absorbed dose of each organ器官左肾右肾左肺右肺心脏肝脏大肠小肠器官吸收剂量率Gy/h左侧面1.0950.9250.9310.6471.3770.8200.8501.441右侧面1.0311.0640.6540.8900.9591.6010.8560.888

5 结束语

通过调研国内外仿真辐照体模设计，利用3D打印技术建立了组织等效参考人体模，并对体模制作材料的密度、元素组成比例、有效原子序数、电子密度、质量衰减系数进行了理论计算和实验测量，结果证明该体模制作材料的辐射特性与人体近似，具有人体组织等效性，可利用该体模进行器官内吸收剂量研究。同时基于该体模，开展了Co γ辐射场中各器官吸收剂量的测量，实验结果为放射治疗中剂量的精确控制、放疗计划的制订与执行及放射治疗质量保证技术研究提供基础和参考。