在辐射剂量学和辐射监测研究, 以及放射治疗学中使用的人体(整个或局部)的模拟物或具有的定尺寸的模型, 通常由水或组织等效材料构成, 此称作为人体模型(以下简称体模)。依据体模的主要功能, 广义上体模被分为用于剂量测量、校准或影像三类, 而每类又可分为身体、标准和参考三种。

身体体模具有人体或人体一部分的形状和组成, 它通常在尺寸、形状、空间分布、质量、密度, 以及与辐射相互作用等方面等同于人体或人体的一部分。身体体模由各种组织替代物(组织等效材料)组成, 其几何形状有简化的, 也有逼真的, 那些逼真于人的体模有时被称作拟人体模。迄今身体体模已被广泛应用于辐射剂量学中。

1 体模研究进展概况

本世纪初, 用水和石蜡作为肌肉或软组织的替代物制作体模。但是, 它对较低能量的光子石蜡的减弱系数与肌肉和软组织不同, 为了弥补这种差异, 后来在石蜡中掺入一些像氧化镁和二氧化钛等高原子序数的M材料, 这样经改进的以石蜡为主的组织替代材料(特别是Mix D和后来的M材料)制作的体模, 被广泛应用于辐射剂量测量中。同时, 某些具有组织等效特性的木材也曾被用于制作体模。

到了60年代, Stacey等^[1]和Alderson等^[2]分别制成Temex和RAND体模(见表 1), 这两具体模含有真人骨骼、体腔和拟人肺, 并具有欧美成年人的平均尺寸。体模被切割成许多段, 以便能在所选择的人体部位布放探测器或剂量元件, 测量器官剂量或体内剂量分布。

近年来, 我国在体模研制方面也取得了很大进展^{[3, 4, 5]}, 由单一组织等效材料制成的均匀体模发展为包括由骨骼、肌肉和肺等替代材料的多种组织等效材料构成的非均匀体模, 在外形上也由简单型到拟人化型, 其所研制的体模大部分为放射治疗和辐射防护的目的而设计。例如, 在四川^[4]制作的拟人体模是依据体重57.5kg和身高165cm的中国成年男性而设计。该体模含有一具真人骨骼及拟人肺等脏器。拟人肺由发泡型高分子材料做成, 肌肉和其它软组织的替代物是一种热塑性材料。该体模被切割成13段, 钻有400个剂量测量孔(Φ3×20), 以便将剂量测量元件布放于体模内。另如, 苏州医学院^[5]也制作了按体重56.7kg和身高166cm设计的中国成年男性体模。该体模含有一具真人骨骼, 肌肉、肺和肝分别用Mix D、E材料和M材料作为替代材料。体模被切成三段。

2 体模材料的选择

体模材料应根据被模拟的人体组织的成分和辐射场的特性进行选择。迄今还没有一种单一的化合物能够与人体组织的原子组成完全相符合。对于一种体模材料的评估应包括:替代材料与人体组织在辐射相互作用特性和密度方面是否相同或相近。

依靠对人体组织和体模材料之间线性衰减系数μ、光电效应截面τ、康普顿散射截面σ_c、瑞利散射截面σ_coh和密度ρ等参数的匹配选择, 即可选出合适的人体组织的替代材料。进行模拟材料选择的一个间接方法是比较人体组织与其相应的替代材料之间有效原子序数或电子密度是否相同或相近。

由于光电效应在很大程度上依赖于物质原子序数Z, 而电子对的产生则较小的依赖于Z, 若替代材料中含有0.1%的Z≥ 10的物质, 对低到中能光子, 则将明显地影响替代材料的质量减弱系数, 所以对人体组织和替代材料中的这类元素含量的准确测定是十分重要的。可以采用增减掺入替代材料中的高Z元素的量, 来调解替代材料的μ/ρ和μ值与被替代的人体组织相近。在表 2中给出了一些人体组织的替代材料。^[7]

3 关于体模的尺寸确定

根据选定的参考人来确定体模的外部尺寸和内部器官的尺寸。国际放射防护委员会(ICRP)的参考人是依据白种人(高加索人)的解剖学资料确定的, 适用于欧美人种, 而与黄色人种的亚洲人有较大的差异, 需要确立亚洲参考人。为此, 国际原子能机构(IAEA)组织中国、日本和印度等亚洲国家协作开展了亚洲参考人的研究, 并于1993年10月在天津召开了关于亚洲参考人的国际研讨会, 初步确立了亚洲参考人的身高和体重等, 即成年男子身高167.7cm、体重57.7kg, 成年女子身高154.6cm、体重49.4kg。表 3中给出了一些人种的平均身高和体重。

近十年来, 由于计算机断层照象(CT)和核磁共振成象(MRI)技术的发展, 能够较准确的提供身体或器官的动态三维尺寸, 所以, 身体或器官的尺寸, 以及器官在身体中的解剖学位置能够较准确的被测定。

4 讨论

虽然在我国体模的研究和制作方面已取得了较大进展, 但仍存在许多需要提高和改进之处。由于迄今亚洲参考人的尺寸尚未正式给出, 所以以前研制的体模尺寸与亚洲参考人就不可能一致。此外, 对现已研制成的体模, 还需提高其组织替代材料的组织等效性和物理性能(包括材料的强度和易于加工性等), 进一步采用组织等效塑料、橡胶和树脂材料作为组织替代材料。在体模的制作中注意加工精度(包括外部抛光、减少分段切割之间的空隙等), 骨骼和器官按其在体内的解剖学位置布放准确, 还要防止其在浇铸中移位, 应使体模的制作规范化。另外, 为了精确地测量体内剂量分布和器官剂量, 需要增加体模的分段数。