放射性碘（如¹³¹I等）的摄入是核电厂事故后公众接受内照射辐射剂量的主要来源，例如切尔诺贝利事故和福岛事故^[1-2]，而且，随着¹³¹I在核医学，如甲状腺相关疾病的诊断和治疗中越来越普遍的应用^[3-5]，由¹³¹I造成的人体内照射剂量也受到越来越广泛的关注。由于碘及其同位素的生物动力学模式^[6]，¹³¹I会在摄入人体后短期内大量滞留于甲状腺中，并对甲状腺造成持续照射。因此，准确及时地测量滞留在人体甲状腺内的¹³¹I含量对于核事故早期核工业从业人员和公众的辐射防护非常重要，也有助于对接受¹³¹I治疗的患者进行治疗效果评估和医学管理^{[3, 7]}。

对于¹³¹I这类发射γ射线的放射性核素，可采取活体测量（或直接测量）方法，即将探测器放置于人体表面附近进行γ能谱测量，并通过能量和效率刻度建立放射源与探测器响应之间的关联。在实际操作中，通常使用物理模型进行效率刻度，而且活体测量的准确性依赖于物理模型与待测人体（或特定器官）在几何尺寸、材料的组织等效性以及放射性核素分布等方面的相似性。

对于甲状腺计数器，通常采用国际原子能机构和美国国家标准协会推荐的IAEA/ANSI颈部（甲状腺）模型^[8-9]进行刻度，该模型中颈部和甲状腺均用圆柱体表示。除此之外，其他实验室还设计了简易的或仿真的颈部（甲状腺）刻度模型，比如BRMD（Bureau of Radiation and Medical Devices）、CIRS（Computerized Imaging Reference Systems）、KKH（Kyoto Kagaku Hyohon）、RSD（Radiology Support Devices）和Seattle Thyroid模型等^[10]，这类模型主要用于模拟成人的甲状腺。然而，甲状腺的大小会由于性别、年龄、身高、体重、不同的生理状态及碘摄入量等存在区别^[11]。因此，建立不同年龄组人群的颈部和甲状腺刻度模型对于准确测量甲状腺中¹³¹I的活度以及剂量估算非常重要。

本文根据ICRP 89号报告^[12]的建议，建立了1岁、5岁、10岁、15岁儿童和青少年以及成年男性和成年女性的颈部（甲状腺）模型，并采用蒙特卡罗方法模拟了甲状腺计数器对不同类型、不同尺寸颈部（甲状腺）模型的响应。另外，考虑到该模型在核医学伽玛相机校准等方面的潜在应用，本文参考了Karimi M.等人的设计^[13]，对人体颈部的甲状腺、气管、食道和椎骨等结构进行了模拟设计。

1 材料与方法 1.1 甲状腺计数器

本文所模拟的甲状腺计数器结构如图1，其中探测器晶体为碘化钠，尺寸为Φ5.08 cm × H5.08 cm，该探测器可用于测量和识别20 keV～3 MeV能量范围的γ射线。模拟中，将晶体后端的光电倍增管等电子学结构用2 cm厚铝层代替，并采用铅作为屏蔽准直材料。图1为本文使用的甲状腺计数器的MCNP模型。

1.2 颈部（甲状腺）模型设计 1.2.1 甲状腺

甲状腺呈“H”状或蝶形，如图2所示^[8]，甲状腺位于颈前下方，气管前方，分为左右两叶和连接两叶的峡部，右叶较左叶略大，其上覆组织厚度约1～1.5 cm^[11]。甲状腺的质量、体积和对称性会随年龄、性别和外部环境因素而变化。ICRP 89号报告推荐的甲状腺在各个年龄段的质量参考值^[12]如表1。

1.2.2 IAEA/ANSI颈部（甲状腺）模型

IAEA/ANSI颈部（甲状腺）模型如图3所示^[8]，模型整体由一个直径12.7 cm、高12.7 cm的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）圆柱体表示，甲状腺由一个正圆柱聚乙烯瓶表示，直径不超过3 cm，可容纳30 ml液体。图中各参数数值为：a=12.7 cm，b=12.7 cm，c=2.5 cm，d=3.0 cm，e=9.0 cm，f=2.0 cm。

1.2.3 CRAM-Neck模型

CRAM模型（Chinese Reference Adult Male voxel phantom）是基于CNMAN模型建立的中国成年男性参考人体素模型^[14]，代表了身高为170 cm，体重60 kg的中国成年男性，该模型由头、躯干、腿三部分组成，各部分体素大小分别为1.741 mm × 1.741 mm × 1 mm，1.741 mm × 1.741 mm × 3 mm，1.741 mm × 1.741 mm × 5 mm。本文主要截取CRAM模型颈部CRAM-Neck作为感兴趣区域（如图4），高度约13 cm，并以此来设计符合中国成年男性参考人体格参数的颈部（甲状腺）模型。

1.2.4 模型设计

本文依据CRAM截面图获得成年男性颈部各主要器官的几何形状、位置和尺寸信息，如图5，包括1气管、2甲状腺、3食道、4颈椎和5骨髓等。然后，根据图6所示的设计方式对成年男性颈部（甲状腺）模型（Thyroid Male，TM）各主要器官的进行设计，其中，颈部采用直径12 cm、高12 cm的圆柱体表示，甲状腺采用两个相同体积的圆柱体表示，其他主要器官也使用圆柱、椭圆柱或长方体表示，具体参数见表2。

蒙特卡罗模拟中模型各部分所使用的材料组分主要来源于ICRU 46号报告推荐值^[15]，具体参数如表3。

对于成年女性与其他年龄段颈部模型的建立，主要是通过先确定颈围和高度，然后对成年男性颈部模型进行三维缩放。各年龄段人群颈部尺寸数据如表4。其中成年男性和成年女性的颈围数据来源于GBZ/T 200.1—2007辐射防护用参考人第1部分：体格参数^[16]，其他年龄段人群的颈部尺寸数据采用Pérez López B.^[17]的调研结果。

1.3 探测效率模拟

本文采用蒙特卡罗模拟方法研究甲状腺计数器的探测效率对刻度模型大小的依赖性。选用的蒙特卡罗模拟软件为MCNPX（版本：2.4.k），模拟的刻度源核素及能量如表5。模拟测量情景为：探测器轴线对准甲状腺中心，探测器表面距离刻度模型表面20 cm。其他模拟设置包括：计数卡选用F8卡，模拟粒子数10⁸等。为提高81～276.4 keV能量范围内甲状腺计数器探测效率拟合的准确性，本文增加了100 keV、122 keV、165 keV和200 keV四个能量点进行模拟。

2 结果 2.1 多尺寸颈部（甲状腺）模型

通过对各年龄段人群颈部尺寸、甲状腺质量的确定以及对CRAM-Neck模型的细致划分，建立了针对1岁、5岁、10岁、15岁儿童和青少年以及成年男性和成年女性的多尺寸颈部（甲状腺）模型，模型各部分参数如表6。图7为各年龄段颈部（甲状腺）模型示意图，从左到右依次代表年龄段：成年男性（TM）、成年女性（TF）、15岁（T15）、10岁（T10）、5岁（T5）和1岁（T1）。

2.2 IAEA/ANSI颈部模型、CRAM-Neck模型、TM模型对甲状腺计数器探测效率刻度

图8所示为IAEA/ANSI颈部模型、CRAM-Neck模型、TM模型对甲状腺计数器的探测效率刻度拟合曲线。由图可得，当刻度模型与探测器距离为20 cm时，甲状腺计数器对三种模型的探测效率响应基本一致，相对偏离均在2%以内。可说明，在测量距离较远时，刻度模型中甲状腺的外形、尺寸及其距离模型表面的距离对于探测效率的影响较小，因此在这种测量设置下，IAEA/ANSI颈部模型和TM模型均可很好的模拟真实成年男性的颈部（甲状腺），且TM模型可等效IAEA/ANSI颈部模型。

2.3 多尺寸颈部（甲状腺）模型对甲状腺计数器探测效率刻度

图9所示为各年龄段多尺寸颈部（甲状腺）模型对甲状腺计数器探测效率刻度拟合曲线。图10所示为多尺寸颈部（甲状腺）模型与成年男性颈部模型（TM）探测效率刻度值的相对偏离。由图可得，在测量距离为20 cm时，各年龄段多尺寸颈部（甲状腺）模型对甲状腺计数器的探测效率响应相对偏离为1%～30%；对于¹³¹I（364.48 keV），甲状腺计数器探测效率响应相对偏离为3%～23%，说明刻度模型尺寸的差异对探测器的响应影响较大，且模型尺寸差异越大所造成的探测效率相对偏离越大。因此，如果单独使用成年人颈部（甲状腺）模型对甲状腺计数器进行效率刻度，则会在测量儿童等小体格人群时引入较大的误差。

3 讨论

本研究通过对各年龄段人群颈部尺寸、甲状腺质量的确定以及对中国成年男性颈部体素模型（CRAM-Neck）的细致划分，建立了针对1岁、5岁、10岁、15岁儿童和青少年以及成年男性和成年女性的多尺寸颈部（甲状腺）模型，且该模型包含了人体颈部甲状腺、气管、食道、颈椎、骨髓等主要器官和组织。

本文还模拟了甲状腺计数器对不同类型、不同尺寸刻度模型的探测效率响应，结果表明：

1）在测量距离为20 cm时，本文设计的成年男性颈部（甲状腺）模型可有效的替代IAEA/ANSI颈部模型，且该模型可模拟真实成年男性的颈部（甲状腺）引起的甲状腺计数器探测效率响应；

2）刻度模型尺寸的差异对甲状腺计数器的探测效率影响较大，探测效率相对偏离最高可达30%，而且在实际测量中，由于儿童的甲状腺体积较小，为提高探测效率，需要减小测量距离，因此，建立各年龄段人群，尤其是儿童的颈部（甲状腺）刻度模型对提高测量的准确性有重要意义。

除此之外，个体化、多尺寸的甲状腺模型对于流行病学研究中剂量重建也有重要作用。本文所设计是颈部（甲状腺）模型还可用于核医学中伽玛相机的校准以及γ能谱测量的质量控制。随后我们还需要对测量距离、模型结构与尺寸进行优化，以提高测量效率和准确性。