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编号:10225334
非均匀人体辐照模型的研制
http://www.100md.com 《中国医学杂志》 1990年第3期
     作者:董凡 姜德智

    单位:董凡(苏州医学院血液病研究室 215006);姜德智(苏州医学院放射卫生教研室)

    关键词:辐射效应;人体模型

    中华医学杂志900313 董凡

    提要 为模拟受照人体内的辐射效应,制作了一具非均匀人体辐照模型(体模)。该体模含人体天然骨骼,以Mix-D作为软组织等效教材,M3为肝、肾、脾和胰腺的等效材料,肺用发泡乳胶制成。体模分15段,每个段面按4cm间距打孔,以便安放剂量元件。CT扫描表明,体模组织等效性良好,各部位CT值和电子密度与正常人相近。

    全身照射(TBI)是骨髓移植前的一个重要准备步骤,开展TBI的剂量学研究对于确保骨髓移植成功、提高其疗效具有重要意义。本项研究必须借助于人体模型来模拟人体对射线的吸收,估价体内吸收剂量及其分布情况,以便在病人身上治疗。因此我们研制了一具有国人解剖特点的体模,经CT扫描证实基本符合实际应用的要求。现报道如下。
, 百拇医药
    材料和方法

    一、人体辐照模型(体模)的材料标准

    1. 在临床应用的χ和γ射线能量范围内,要求该材料对射线的吸收能力与正常人体组织相同或十分相近。

    2. 有一定的机械强度,耐腐蚀。

    3. 容易加工制作和成形。

    在上述标准下,选择Mix-D作为人体软组织包括脑、胃肠道和心脏的等效材料,以M3作为肝、肾、脾和胰腺的等效材料。此两种组织代用品的成份主要是石腊,并掺入其它成份,肺组织用发泡乳胶代替。骨骼取自尸体骨骼。Mix-D、M3和人体部分脏器的元素组成和质量密度[1]见表1。

    表1 部分脏器和体模材料的元素组成及质量密度 组别
, 百拇医药
    元素组成(重量百分比)

    质量密度

    ρ(kg cm-2)

    H

    C

    N

    O

    Na

    Mg

    P

    S

    Cl

    K
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    Ca

    其它

    肌肉

    10.20

    12.30

    3.50

    72.89

    0.08

    0.02

    0.20

    0.50

    0.08

    0.30
, 百拇医药
    0.007…

    1.00~1.04

    肾脏

    10.30

    12.90

    2.74

    73.24

    0.20

    0.01

    0.16…

    0.24

    0.19

    0.01
, 百拇医药
    Fe(0.01)

    1.05

    肝脏

    10.00

    14.40

    2.83

    71.85

    0.10

    0.02

    0.03

    0.29

    0.20

    0.25
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    0.01

    Fe(0.01)

    1.07

    脑

    10.70

    15.33

    1.29

    71.40

    0.18…

    0.34

    0.17

    0.23

    0.30……
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    1.03

    Mix-D

    13.40

    77.79…

    3.50…

    3.86……………

    Ti(1.44)

    0.99

    M3

    11.43

    65.58…

    9.22…
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    13.48…………

    0.29…

    1.05

    用χ和γ射线,比较组织和等效材料对射线作用特征的方法,通常是考虑两者在一定能量范围内的质量衰减系数(μ/ρ)、质量能量吸收系数(μen/ρ)和质量密度ρ。μ/ρ可按下式计算: (1)

    式中Wi表示第i种元素的重量比例,其相应的质量衰减系数为(μ/ρ)i。μen/ρ的计算原理相同。在能量0.01、0.1、1、10和100MeV时,Mix-D和M3的μ/ρ以及μen/ρ与肌肉组织相应数值的比较(表2)。M3在上述能量范围内等效性较好,而Mix-D在能量0.01和100MeV时和肌肉组织有一定差异。
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    表2 部分体模材料的辐射特征 体模(μ/ρ)体模(μ/ρ)组织*

    (μen/ρ)体模/(μen/ρ)组织*

    能 量

    (MeV)

    材料

    0.01

    0.1

    1

    10

    100

    0.01

    0.1
, 百拇医药
    1

    10

    100

    Mix-D

    0.84

    1.02

    1.03

    0.99

    0.88

    0.81

    1.03

    1.03

    0.98
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    0.91

    M3

    0.98

    1.01

    1.01

    0.99

    0.94

    0.98

    1.01

    1.01

    0.99

    0.95

    * 肌肉组织
, 百拇医药
    心、肝、脾和胰腺以及胃肠道等组织在0.03~100MeV能量范围的μ/ρ和μen/ρ与肌肉组织无明显差异[2],因此体模和组织的μ/ρ和μen/ρ的比值应用到上述组织上不会引入很大误差。

    当射线能量在1MeV左右时(如钴-60γ射线能量为1.25MeV),射线与组织的相互作用主要是康普顿效应,它们在组织中的吸收和散射主要取决于组织的电子密度ρe。电子密度的计算用下面公式:

    这里NA代表Avogadro常数,Z为原子序数,A为原子的质量数。由下式求得:

    各种符号含义同(1)、(2)式。得用表1的资料,我们计算了部分脏器和等效材料的、ρe以及相对于水的电子密度,可见Mix-D的ρe与肌肉、脑相近,而M3则与肝、肾接近(表3)。
, 百拇医药
    表3 部分脏器组织及体模材料的、ρe和相对于水的电子密度* 脏器或等效材料

    ρe(×1023cm-3)

    ρee(水)

    肌肉

    0.551

    3.31~3.44

    0.99~1.03

    脑
, 百拇医药
    0.553

    3.42

    1.03

    Mix-D

    0.566

    3.37

    1.01

    M3

    0.557

    3.51

    1.05

    肝

    0.550
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    3.53

    1.06

    肾

    0.551

    3.48

    1.05

    * 水电子密度为3.33×1023cm-3

    二、体模大小的确定

    根据国际辐射防护委员会(ICRP)提出的“参考人”的各项参数[3],按国人解剖和人体测量资料[4,5],作为确立体模大小的依据。成型后体模身长168cm,体重52kg,头围55cm,颈围34cm,胸围92cm,腰围75cm,臀围86cm。体模内脏大小和重量见表4
, 百拇医药
    表4 体模部分脏器的重量和大小 脏器

    重量(g)

    大小(长×宽×厚)cm

    肝

    1300

    23×14.5±13.5

    脾

    147.5

    11.5×7.5×3.5

    左肾

    145

    10×5×4
, 百拇医药
    右肾

    154

    9.5×5.3×4

    胰腺

    170

    17.5×5.0×1

    心

    563

    长径12

    横径9

    前后径8.5

    左肺

    422
, 百拇医药
    长径24

    横径9

    前后径9

    右肺

    490

    长径25

    横径8

    前后径8

    三、体模的制作

    挑选一具身长为168cm的男性尸体,除去软组织,保留骨骼,并将骨骼按解剖要求固定在Mix-D等效材料内,制成体模躯体外壳。内脏均预先制作,然后按解剖要求固定在体模躯体内[6,7]。为了便于描述,以体模腹部中线作为Z轴,Z轴与骨盆底所在平面的交点为坐标原点,原点向上为Z正轴,向左为X正轴,向前为Y正轴,各脏器位置可由该坐标系确定(表5)。表5 体模内部分脏器的坐标位置 脏器
, 百拇医药
    脏器中心坐标(cm)

    X轴

    Y轴

    Z轴

    心

    1.8

    1.8

    47.2

    左肺

    8.8

    -2.2

    52.0

    右肺
, 百拇医药
    -8.0

    -2.2

    52.0

    肝

    -4.5

    1.5

    34.0

    胃

    4.8

    6.0

    32.0

    左肾

    8.5
, 百拇医药
    -4.0

    29.0

    右肾

    -7.2

    -4.5

    27.8

    脑

    ±4.0

    0

    85.5

    甲状腺

    ±1.5

    3.0
, 百拇医药
    67.0

    睾丸

    ±2.0

    5.5

    4.0

    体模成型后,为能在其内部放置剂量片,将体模由头部至骨盆共分15段,每段厚度取决于剂量测定时布点要求,人体解剖特点和材料机械强度,实际厚度4.5~7.5cm不等,每个段面有骨髓处均封以石腊,然后打孔,孔径0.48cm,孔深1~1.5cm,孔与孔之间距离约4cm。

    四、CT扫描结果

    体模制成后,用我院CT-W500(日立)型断层扫描机扫描,结果各段图象与正常人体相似,心、肺、肾、肝、胰腺和骨髓等显示清晰,解剖位置基本正确。
, 百拇医药
    为比较体模的组织等效性,测定了体模各部分的CT值。CT值代表CT图象象素内组织的线衰减系数(μ)相对于水μ的数值,由下式求得:

    因此水的CT值为0,并规定空气CT值等于-1000,骨为+1000,单位为Houndsfield,简称HU。体模各脏器组织和正常人相应脏器组织的CT值[8](表6),除胰腺CT值略偏高(约高3%)外,其余脏器的CT值与正常人基本一致。同时与美国Rando体模和四川体模部分脏器的CT值[9],做了比较。

    根据Battista等[10]提出的计算方法,将CT值转换为相对于水的电子密度,即:

    ρsoft和ρbone分别代表软组织和骨相对于水的电子密度,NCT为CT值。根据表6的数值,计算了正常人和体模各脏器相对于水的电子密度(表7)。体模各脏器的电子密度非常接近正常人体,若与表3的计算结果相比较,可见两表的数值基本相同。
, 百拇医药
    表6 正常人体与体模各脏器组织CT值的比较(HU) 脏器

    正常人

    本体模

    Rando体模

    四川体模

    肌肉

    21~50

    5~17

    14~27

    86~106

    肺

    -804~-682
, 百拇医药
    -764~-712

    -701~-656

    -887~-864

    骨皮质

    150~1000

    171~663

    539

    395

    肝

    18~70

    60~70…

    -400

    肾
, 百拇医药
    11~60

    36~67……

    脾

    19~70

    60……

    胰

    20~60

    90……

    表7 正常人和体模各脏器相对于水的电子密度比值 脏器

    正常人体

    体模

    肌肉

, 百拇医药     1.02~1.05

    1.00~1.02

    肝

    1.02~1.07

    1.06~1.07

    肾

    1.02~1.06

    1.03~1.07

    脾

    1.02~1.07

    1.06

    胰腺

    1.02~1.06
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    1.09

    肺

    0.196~0.32

    0.24~0.29

    骨皮质

    1.124~1.532

    1.134~1.370

    讨 论

    人体辐照模型在临床放疗、辐射防护等领域都具有广泛应用价值,如放疗时体内肿瘤部位的剂量测定,临床透视或摄片时病人和工作人员受照剂量的估算,都可利用人体模型,因此研制人体辐照模型具有重要意义。

    体模用Mix-D和M3作为人体软组织和内脏的等效材料,根据计算,M3在射线能量0.01~100MeV范围内等效性良好,而Mix-D在0.01~100MeV时有一定误差。该结果与White等[11]的实际测定相符,但当射线能量为17.44MeV时,Mix-D和肌肉的μ/ρ已基本相等。临床应用的X线能量很少小于17.44MeV,而大于100MeV。而高能射线在临床上更少遇到。因此用上述材料制成的体模可满足绝大多数情况下的剂量测定。
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    在确定体模大小时调查了475名18~25岁的中国男性公民的身长和体重,均数分别为169cm和58kg并收集了人体外部尺寸、内脏大小及重量的统计资料,供制作时参考。实际制作时因受尸体大小的影响,对各项参数作了部分修正,基本可代表男性中国人。

    经CT扫描,各部位图象类似正常人体,主要脏器显示清楚,解剖位置基本正确,各部位CT值及电子密度与正常人体十分接近。因此,该体模组织等效性良好,符合实际应用要求。

    参考文献

    1. White DR, Constantinon C, Anthropomorphic phantom materials. in Orton C(ed) Progress in Medical Radiation Physics, vol 1, New York: Plenum Press, 1982;138-193.
, 百拇医药
    2. White DR, Fitzgerald M, Calculated attenuation and energy absorption coefficients for ICRP reference man (1975) organs and tissues. Health Phys 1977;33:73.

    3. ICRP report 23. Reference man: anatomical physiological and metabolic characterictics. Oxford: Pergamon 1975.

    4. 张英珊,等. 我国“参考人”的身长体重及其辐射防护标准中的初步试用. 核防护 1979;(1):1.

    5. 河北新医大学《人体解剖学》编写组.人体解剖学.北京:人民卫生出版社,1978:488,950.
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    6. 贾德林.一个用于光子外照射剂量测定的人体模型的器官剂量位置的选择.中华放射医学与防护杂志 1986;6:120.

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    (1989年3月27日收稿 同年9月19日修回), 百拇医药