非均匀人体辐照模型的研制
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
, http://www.100md.com
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…
, http://www.100md.com
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
, http://www.100md.com
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)
ρe/ρe(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
, http://www.100md.com
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.
, http://www.100md.com
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.
7. 谢复成.非均匀人形体模及医用诊断X线工作人员的有效剂量当量估算.中华放射医学与防护杂志 1986;6:40.
8. Van Dyk, et al. Half body radiotherapy: the use of computed tomography to determine the dose to lung. Int J Radia Onco Biol Phys 1980;6:463.
9. 吴毅,等.估算X线诊断受检者器官剂量的体模实验方法.辐射防护 1987;7:335.
10. Battista JJ, et al. Compton scatter imgaing of tranverse sections: corrections for multiple scatter and attenuations. Phys Med Biol 1977;22:229.
11. White DR, et al. Measured attenuation coefficients at low photon energies(9.88~59.32MeV)for 44 materials and tissues. Radia Res 1980;84:239.
(1989年3月27日收稿 同年9月19日修回), 百拇医药
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
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。
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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:
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
, http://www.100md.com
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。
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
, 百拇医药
表3 部分脏器组织及体模材料的
ρe(×1023cm-3)
ρe/ρe(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
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11. White DR, et al. Measured attenuation coefficients at low photon energies(9.88~59.32MeV)for 44 materials and tissues. Radia Res 1980;84:239.
(1989年3月27日收稿 同年9月19日修回), 百拇医药