李明生 歐向明 牛昊巍 程金生
有效劑量是輻射防護(hù)中的一個(gè)重要的危險(xiǎn)評(píng)估量,有效劑量作為防護(hù)量,無法直接測(cè)量。一種方法是應(yīng)用蒙卡程序模擬出重要輻射敏感器官的當(dāng)量劑量,根據(jù)ICRP60報(bào)告[1]中的輻射敏感器官組織權(quán)重因子得到有效劑量;另外一種是通過已經(jīng)算好的器官劑量轉(zhuǎn)化系數(shù)得到人體有效劑量,例如ICRP74報(bào)告[2]中的器官劑量轉(zhuǎn)化系數(shù)。
在蒙卡軟件Geant4中構(gòu)建一個(gè)ORNL[3]混合模體,應(yīng)用此模體計(jì)算人體側(cè)面照射時(shí)的有效劑量?;旌夏sw是指把男性與女性的一些性器官組合到一起形成的模體,應(yīng)用此模體可以直接計(jì)算各種幾何條件下人體器官的當(dāng)量劑量值和人體有效劑量。模體主要器官體積與參考體積進(jìn)行了對(duì)比,有效劑量值與ICRP74報(bào)告中的系數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
Geant是英文“幾何與追蹤”(Geometry And Tracking)的縮寫,是一種利用蒙特卡洛模擬粒子通過物質(zhì)整個(gè)物理過程的軟件平臺(tái)。這個(gè)軟件適用于幾乎所有已知的物理粒子,并且可以覆蓋絕大多數(shù)的粒子反映過程。Geant4軟件的一個(gè)主要特點(diǎn)是構(gòu)建幾何相對(duì)簡(jiǎn)單,因此我們采用此軟件來構(gòu)建人體模型。
ORNL模體是一套應(yīng)用幾何公式表示的程式化模體[4],模體器官通過不同幾何體的疊加或相減得到近似的人體器官。本工作構(gòu)建的是一個(gè)混合模體,包含男女性的性器官,這樣方便與ICRP74報(bào)告值相比較。ORNL模體主要分為五部分∶頭部、軀干、腿、乳房和睪丸,每一部分為單獨(dú)的物理體,其余器官或者組織包含在以上物理體中。其中頭部包含的器官為大腦、眼睛、頭蓋骨、上部食道、唾液腺;軀干包含腎上腺、胳膊骨、心臟、腎、大腸、肝臟、肺、子宮、胰腺、盆骨、肋骨、肩胛骨、脊椎、脾、胃、胸腺、甲狀腺、軀干、下部食道、膀胱、卵巢;腿物理體中包含腿骨;睪丸與乳房是單獨(dú)的物理體。
應(yīng)用Geant4構(gòu)建模體器官的方法就是用一些簡(jiǎn)單幾何相互之間加減組合來得到形狀與體積與標(biāo)準(zhǔn)器官一樣或者體積近似的器官,圖1為Geant4構(gòu)建的ORNL混合模體。由于人體器官形狀往往十分復(fù)雜,所以構(gòu)建的器官與文獻(xiàn)中[3]的標(biāo)準(zhǔn)器官形狀與體積存在一些差異。
圖1 Geant4構(gòu)建的ORNL混合模體
有效劑量E是輻射防護(hù)中一個(gè)重要的量,其計(jì)算也是比較復(fù)雜,依據(jù)公式(1)∶
來計(jì)算人體有效劑量。其中HT為器官或者組織T中的當(dāng)量劑量,wT為組織T的權(quán)重因子。由于蒙卡程序計(jì)算出的是各個(gè)器官的吸收劑量值,因此通過公式(1)轉(zhuǎn)換為人體有效劑量值,而輻射敏感器官與組織和相應(yīng)的權(quán)重因子的選擇依據(jù)ICRP60規(guī)定。
在計(jì)算中對(duì)一些器官劑量進(jìn)行了近似取值,例如直腸只是大腸器官的一部分,而在模體中給出的是上大腸與下大腸器官的吸收劑量值,所以采用兩者的平均值近似值作為直腸的吸收劑量值。紅骨髓和皮膚為全身分布的組織器官,在模體中無法統(tǒng)一定義,所以采用全身骨骼中紅骨髓所占比重來計(jì)算的,主要包含紅骨髓的器官分別為頭蓋骨、肩胛骨、肋骨、脊椎、腿骨、胳膊骨等[5]。計(jì)算方法為各個(gè)包含紅骨髓的骨骼吸收劑量乘以相應(yīng)的骨骼比重得到其的紅骨髓吸收劑量。
全身紅骨髓吸收劑量Dr表達(dá)公式為∶
其中Drj為骨器官r的吸收劑量,Prj為骨器官r中紅骨髓所占的百分比。
對(duì)于遍布全身的皮膚組織,認(rèn)為其劑量為頭、頸部、胳膊、腿和外軀干軟組織的平均值劑量[6]。骨表面的劑量由骨骼中的平均劑量代替[2]。平均性腺劑量為睪丸與卵巢的劑量平均值。
最后需說明的Geant4總共模擬了人體30個(gè)器官或組織,依據(jù)ICRP60報(bào)告,除了肺、胃、肝、直腸、性腺、膀胱、乳腺、食道、皮膚、紅骨髓、甲狀腺、骨表面認(rèn)為是各個(gè)骨器官的平均劑量值,剩下的器官為其余器官。值得說明的是計(jì)算有效劑量時(shí)沒有采用ICRP60報(bào)告中的分裂規(guī)則—既在其余器官或組織中有一單個(gè)器官或組織受到超過12個(gè)規(guī)定了權(quán)重因數(shù)的器官當(dāng)量劑量的例外情況下,該器官或組織取權(quán)重因數(shù)0.025,而剩下的其余器官或組織的平均當(dāng)量劑量亦取權(quán)重因數(shù)0.025。
計(jì)算時(shí),設(shè)置模體在一個(gè)立方體中心,放射源設(shè)置為平面源,其源的高度與寬度稍微大于模體高度與寬度,且與模體距離保持0.5 m。光子源入射幾何選擇了LLAT(從左側(cè)向右側(cè)入射),RLAT(從右側(cè)向左側(cè)入射)兩種方位。光子能量選擇為0.02~10MeV,這個(gè)能量范圍基本涵蓋了環(huán)境中存在的幾乎所有能譜。
計(jì)算結(jié)果是以有效劑量與空氣比釋動(dòng)能的比值呈現(xiàn),或者叫單位科瑪?shù)奈談┝恐?。模體各個(gè)器官與組織的構(gòu)成按照ICRP74報(bào)告數(shù)值,即模體包含三種組織分別為∶骨骼組織、肺和軟組織,這三種組織的組織密度分別是1.5 g/cm3, 0.3 g/cm3,1.0 g/cm3。
此文章主要構(gòu)建一個(gè)程式化的混合模體,這個(gè)模體的驗(yàn)證主要是通過與標(biāo)準(zhǔn)器官體積對(duì)比(見表1),其中參考體積為文獻(xiàn)給出的標(biāo)準(zhǔn)體積,構(gòu)建體積為應(yīng)用Geant4構(gòu)建的器官體積,比值為構(gòu)建體積與參考體積的比。
由表1可見Geant4程序構(gòu)建體積與參考文獻(xiàn)中給出的標(biāo)準(zhǔn)體積基本一致,大部分器官誤差在2%以內(nèi),只有甲狀腺器官和食道,Geant4構(gòu)建的體積與標(biāo)準(zhǔn)體積相比有較大的誤差,分別為28%和15%。
圖2和圖3給出的是應(yīng)用Geant4計(jì)算的模體有效劑量與ICRP74報(bào)告給出的同類結(jié)果比較。ICRP74報(bào)告綜合了多個(gè)國家研究人員的計(jì)算成果,他們采用的計(jì)算程序(EGS4、DEEP、MORSE_CG等)和計(jì)算模型(MIRD模型或者在其基礎(chǔ)上改進(jìn)模型)均不相同,因此ICRP74報(bào)告給出的計(jì)算結(jié)果為各個(gè)版本計(jì)算結(jié)果的平均值。其中圖2和圖3的縱坐標(biāo)為有效劑量與空氣比釋動(dòng)能的比值,橫坐標(biāo)為光子能量?!鰹镮CRP74報(bào)告值,☆為Geant4計(jì)算值。
表1 Geant4構(gòu)建器官體積與標(biāo)準(zhǔn)體積的對(duì)比
圖2 在RLAT幾何下ICRP74與Geant4計(jì)算有效劑量值的對(duì)比圖
有效劑量按照公式(1)來計(jì)算。輻射敏感器官與組織按照ICRP60。在能量小于0.1 MeV時(shí),Geant4計(jì)算值稍高于ICRP74報(bào)告值,一些點(diǎn)甚至高于10%。能量大于0.1~10 MeV時(shí),Geant4計(jì)算值與ICRP74值相差在5%以內(nèi)。由圖2可見,RLAT幾何下Geant4計(jì)算的有效劑量值與ICRP74報(bào)告有效值基本一致。
圖3為在LLAT幾何下有效劑量計(jì)算值與ICRP74對(duì)比圖。當(dāng)光子能量低于0.1 MeV時(shí),兩者相差較大,最大相差16%,光子能量在0.1~10 MeV區(qū)間內(nèi)時(shí),Geant4計(jì)算有效劑量值與ICRP74報(bào)告有效劑量值基本一致,相差在5%以內(nèi)。
Geant4構(gòu)建的模體器官(見圖1),其器官的形狀和體積與參考器官基本一致(見表1),個(gè)別器官例如甲狀腺與食道與標(biāo)準(zhǔn)有較大差別,這是由于表述兩者的數(shù)學(xué)公式十分復(fù)雜,難以構(gòu)建明晰的幾何體積與形狀,而且器官與器官之間不能重疊,所以造成了甲狀腺、食道與標(biāo)準(zhǔn)體積存在差異。
一般來說器官體積與形狀的差別對(duì)于吸收劑量能產(chǎn)生較大的影響,尤其在光子能量較低時(shí),這種效果更加明顯。從側(cè)面照射時(shí)有效劑量對(duì)比來看,光子能量小于0.1 MeV時(shí),Geant4計(jì)算值與ICRP74報(bào)告值存在差異,一些點(diǎn)約有10%左右差別;光子能量在0.1~10 MeV時(shí),兩者計(jì)算結(jié)果基本一致。Geant4構(gòu)建的食道和甲狀腺等器官的體積與標(biāo)準(zhǔn)器官在體積上有一些差異,導(dǎo)致了在低能時(shí)器官吸收劑量的差異。隨著光子能量升高,穿透能力增強(qiáng),這種器官體積差異所起的劑量差異因素在變小;由于ICRP74報(bào)告值為系列成果的平均值,所以會(huì)和Geant4計(jì)算值有所區(qū)別;另外本文對(duì)皮膚與骨髓等全身組織進(jìn)行了近似計(jì)算,這也是導(dǎo)致Geant4計(jì)算數(shù)值與ICRP74報(bào)告數(shù)值的差異。
圖3 在LLAT幾何下有效劑量的ICRP74與Geant4計(jì)算值對(duì)比圖
根據(jù)以上討論,Geant4計(jì)算的有效劑量值與ICRP74報(bào)告數(shù)值基本一致,雖然個(gè)別點(diǎn)的有效劑量值存在差異,是由于模體的不同以及計(jì)算方法的差異,導(dǎo)致了一些劑量值的差別??傮w來說大部分器官的吸收劑量值差別在15%以內(nèi),個(gè)別達(dá)到20%以上。有效劑量的差別控制在10%以內(nèi),故Geant4構(gòu)建模體基本成功,計(jì)算結(jié)果基本正確,可為將來不同方位下,非平行光照射下人體有效劑量的計(jì)算打下基礎(chǔ)。
[1]ICRP.1990 Recommendations the International Radiological of Commission Protection[J], Ann. ICRP, 1991,21∶1-201.
[2]ICRP. Conversion Coefficients for Use in Radiological Protection[J], Ann. ICRP,1996,26∶1-205.
[3]K.F. Eckerman, M. Cristy, J.C. Ryman,THE ORNL MATHEMATICAL PHANTOM SERIES.
[4]李明生,歐向明,牛昊巍,等.數(shù)字化模體及其在外照射劑量計(jì)算中的對(duì)比研究[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志2009,29∶557-559.
[5]Chan-Hyeong Kim, Sang Hyun Cho, X. George Xu. PRDC—A software package for personal radiation dose calculation[J],Radiation Protection Dosimetry,2006,118∶243-250.
[6]Kim CH, Reece WD, Poston JW. Calculation of effective doses for broad parallel photon beams. Health Phys,1999,76∶156-161.