張曉敏，李大偉，寧 靜，謝向東

(軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院，北京 100850)

在放射醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域，評(píng)估受照實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的器官劑量，獲得更為詳細(xì)的劑量信息，對(duì)于劑量-效應(yīng)關(guān)系研究具有重要作用和意義。器官劑量很難用實(shí)驗(yàn)方法測量，可行的方法是利用器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)來間接獲得器官劑量。器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)是將器官劑量與可直接測量的量(如粒子注量、自由空氣比釋動(dòng)能)聯(lián)系起來的系數(shù)。器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)通常需要利用蒙特卡羅模擬技術(shù)結(jié)合動(dòng)物數(shù)字模型來計(jì)算獲得。小鼠和大鼠是放射醫(yī)學(xué)研究常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，為了評(píng)價(jià)內(nèi)、外照射情況下大鼠或小鼠的器官劑量，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者利用兩種類型的鼠類數(shù)字模型來計(jì)算器官劑量。一種是以數(shù)學(xué)公式來描述小鼠或大鼠器官解剖結(jié)構(gòu)和形狀的模型，稱為數(shù)學(xué)模型。這類模型包括Hui等[1]建立的小鼠數(shù)學(xué)模型，用來進(jìn)行輻射劑量計(jì)算，F(xiàn)lynn等[2]建立的用來進(jìn)行輻射效應(yīng)評(píng)價(jià)的小鼠數(shù)學(xué)模型，F(xiàn)unk等[3]建立的用來進(jìn)行劑量評(píng)價(jià)的小鼠和大鼠數(shù)學(xué)模型，Konijnenberg等[4]建立的用來進(jìn)行劑量放療評(píng)價(jià)的大鼠數(shù)學(xué)模型；另一種是基于斷層圖像開發(fā)而來的體素模型，這類模型可以真實(shí)反映體內(nèi)器官組織的形狀和位置，對(duì)于內(nèi)、外照射劑量計(jì)算而言，相比數(shù)學(xué)模型具有更為準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。目前已經(jīng)建立的鼠類體素模型主要包括Kolbert等[5]基于MRI圖像開發(fā)的雌性小鼠體素模型，Stabin等[6]基于CT圖像開發(fā)的小鼠體素模型，Segars等[7]開發(fā)的小鼠體素模型，Bitar等[8]開發(fā)的雌性小鼠體素模型，Taschereau等[9]開發(fā)的4個(gè)小鼠體素模型，Peixoto等[10]基于雄性SD大鼠CT圖像建立的體素模型，國內(nèi)劉謙等[11-12]基于切片圖像建立的大鼠體素模型，張曉敏等[13-14]基于冷凍切片圖像建立的小鼠體素模型。

對(duì)于光子外照射尤其是低能光子外照射，大鼠體重是影響器官劑量大小的關(guān)鍵因素。在上述模型中，劉謙等[11]基于一個(gè)139 g 的大鼠體素模型計(jì)算獲得了一套光子外照射器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)，該器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)適用于體重接近于139 g的大鼠器官劑量評(píng)估。而針對(duì)照射實(shí)驗(yàn)中常用到的體重超過300 g以上的大鼠，目前還沒有相應(yīng)的光子外照射器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)。鑒于以上原因，本文旨在獲得質(zhì)量300 g以上的大鼠器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)，為劑量-效應(yīng)評(píng)價(jià)提供參考和依據(jù)。

本文首先基于一套大鼠的微型CT圖像，建立了一個(gè)體重為323 g的大鼠體素模型；然后以此模型基礎(chǔ)，利用MCNP程序計(jì)算獲得了4種理想照射幾何條件、21個(gè)單能(10 keV～10 MeV)平行光子束外照射情況下的器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)；最后對(duì)光子能量變化及照射幾何方式對(duì)大鼠器官劑量的影響進(jìn)行了討論。

1 材料和方法

1.1 大鼠體素模型的建立

首先將一個(gè)體重為335 g的SD雄性大鼠麻醉固定，利用微型CT進(jìn)行斷層掃描，掃描圖像間隔設(shè)置為1 mm，共獲得243張斷層圖像；利用圖像處理軟件去掉每張圖像周圍無用的像素，使得每張圖像大小為613像素×261像素，每個(gè)像素尺寸為0.16 mm×0.16 mm；利用Matlab編程對(duì)每張圖像的大鼠骨組織進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別與分割，對(duì)于其他器官和組織，利用Photoshop 軟件進(jìn)行手動(dòng)分割，分割出的器官組織包括皮膚、骨骼、眼睛、腦、心臟、膀胱、睪丸、胃、胰腺、脾、肝、腎、肺、大腸、小腸、肌肉等。圖1所示的是分割后的第105張圖像。

圖1 分割后的第105張圖像Fig.1 The segmented 105th images

考慮到蒙卡模擬效率和計(jì)算負(fù)擔(dān)，每間隔一張圖像選取，從243張圖像中選取122張圖像建立大鼠體素模型，最后用于計(jì)算的體素模型的每個(gè)體素尺寸為0.16 mm×0.16 mm×2 mm。利用matlab編程與MCNP程序的重復(fù)結(jié)構(gòu)柵元建立方法，建立大鼠體素模型輸入文件，模型中各個(gè)器官和組織的元素組成和密度取自ICRU 46號(hào)報(bào)告[15]。

1.2 蒙特卡羅模擬

本文采用蒙特卡羅程序MCNPX2.5作為計(jì)算程序，外照射幾何條件分別設(shè)置為左側(cè)向(LL)、右側(cè)向(RL)、腹背向(VD)和背腹向(DV)，如圖2 所示。平面照射源與大鼠之間介質(zhì)設(shè)置為真空，外部單能平行光子束能量分別為：0.01、0.015、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.08、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1、2、4、6、8、10 MeV。為了獲得大鼠器官或組織中的實(shí)際能量沉積，本文采用MCNP程序的*F8 卡計(jì)算能量沉積，光子和電子截止能量設(shè)置為1 keV。為了使計(jì)算統(tǒng)計(jì)誤差控制在5%以內(nèi)，模擬粒子數(shù)設(shè)置為2×107～1×108。

圖2 照射幾何示意圖Fig.2 Illustration of four irradiation conditions

1.3 器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算方法

為了獲得器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)，將本文蒙卡模擬計(jì)算獲得的“單位光子注量的器官吸收劑量”(DT/Φ)值除以ICRU 47號(hào)報(bào)告[16]給出的“單位光子注量的空氣比釋動(dòng)能”(Ka/Φ)值，就可以獲得單位空氣比釋動(dòng)能的器官劑量，即器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)DT/Ka。其中ICRU 47號(hào)報(bào)告計(jì)算“單位光子注量的空氣比釋動(dòng)能”的公式為：

(1)

其中，Ka/Φ為自由空氣比釋動(dòng)能與光子注量的比值，μtr/ρ為質(zhì)量能量轉(zhuǎn)換系數(shù)，Eγ為光子能量。

2 結(jié)果與討論

2.1 大鼠體素模型

圖3為大鼠體素模型皮膚組織及體內(nèi)器官三維圖，模型總共有6 173 302個(gè)體素，每個(gè)體素尺寸為0.16 mm×0.16 mm×2 mm。表1所示為大鼠體素模型各個(gè)器官組織的質(zhì)量、密度和體素?cái)?shù)量，模型總重量為323.7 g，比真實(shí)大鼠325 g小11.3 g，這主要是與器官真實(shí)密度的差異以及組織器官分割誤差造成的。

2.2 器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)

蒙卡模擬計(jì)算的結(jié)果誤差都在5%以內(nèi)，證明計(jì)算結(jié)果是可信的。由于篇幅限制，本文未列出各個(gè)器官的器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3 器官劑量隨光子能量的變化

圖4所示為不同照射幾何條件下大鼠典型器官的器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以看出大腸、小腸、腎、胃的器官劑量都表現(xiàn)出相同的變化趨勢：當(dāng)光子能量小于0.1 MeV時(shí)，器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)逐漸增大；當(dāng)光子能量為0.1～2 MeV時(shí)，器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)約為1.0左右；當(dāng)光子能量大于2 MeV時(shí)，器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)逐漸減小到約0.5，這種變化趨勢直接反映了光子能量在器官中的能量沉積變化情況。從圖4同時(shí)可以看出，不同的照射幾何條件會(huì)造成器官劑量的差異，例如對(duì)于位置更接近于大鼠腹部的小腸，當(dāng)光子能量小于2 MeV時(shí)，VD照射幾何的器官劑量大于DV照射幾何的器官劑量；當(dāng)光子能量大于2 MeV時(shí)，VD照射幾何的器官劑量又小于DV照射幾何的器官劑量。這主要是由于當(dāng)光子能量較低時(shí)，隨著光子穿透力逐漸增加，更多的光子能量能夠沉積到離腹部更近的位置；而當(dāng)光子能量較高時(shí)，光子的穿透力增大到以至于使較多的次級(jí)粒子穿出了離腹部更近的位置，因此能量沉積反而越來越小。對(duì)于睪丸、肝、心臟、大腸等更靠近大鼠腹部的器官，可以推理得知其器官劑量都會(huì)表現(xiàn)出小腸對(duì)VD和DV相似的敏感性；對(duì)于腎臟、腦、脊柱等更靠近大鼠背部的組織，其器官劑量又會(huì)表現(xiàn)出與小腸相反的敏感性。同理，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于更靠近大鼠身體中心線左側(cè)位置的胃，其器官劑量會(huì)表現(xiàn)出對(duì)RL和LL照射幾何條件的敏感性：當(dāng)光子能量小于4 MeV時(shí)，LL照射幾何的器官劑量大于RL照射幾何的器官劑量；當(dāng)光子能量大于4 MeV時(shí)，LL照射幾何的器官劑量小于RL照射幾何的器官劑量，因此可以得知對(duì)于胰腺、脾等解剖位置位于大鼠身體中心線左側(cè)的器官，其器官劑量會(huì)表現(xiàn)出與胃相似的照射幾何敏感性。

圖3 大鼠體素模型三維圖Fig.3 3D view of the voxel rat model

表1 大鼠體素模型組織器官質(zhì)量與密度Tab.1 Organs density and mass in the voxel rat model

3 結(jié)論

本文基于新建立的一個(gè)重量為323 g的大鼠體素模型，計(jì)算獲得了21個(gè)單能(10 keV～10 MeV)平行光子束外照射情況下大鼠各個(gè)組織器官的器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)，利用該套轉(zhuǎn)換系數(shù)可以評(píng)估受照實(shí)驗(yàn)大鼠的器官劑量，從而為劑量-效應(yīng)研究提供更為詳細(xì)的基礎(chǔ)資料。本文同時(shí)對(duì)器官劑量變化特點(diǎn)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著光子能量的變化，不同器官的器官劑量表現(xiàn)出相似的變化趨勢；同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于大鼠體內(nèi)各個(gè)器官解剖位置的差異，不同的照射幾何條件會(huì)對(duì)大鼠器官劑量造成不同程度的影響。

圖4 大腸、小腸、腎、胃器官劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)隨光子能量的變化Fig.4 Organ dose conversion coefficients for large intestine,small intestine,kidneys and stomach varying with photon energies