有效剂量是评估辐射风险的主要指标之一。有效剂量属于防护量, 无法直接测量。一般通用的方法是应用蒙特卡洛程序模拟各个器官剂量值, 然后合成有效剂量。模拟过程为, 首先建立一个仿人模体(程式化模体或者层析化模体)[1], 然后通过蒙卡软件来模拟粒子在模体的输运与相互作用物理过程, 得到器官剂量和有效剂量。这种方法十分复杂, 计算需要花费大量的时间。在放射应急时, 这种方法显然无法满足需要。
文中介绍了一种可以准确、快速计算人体器官剂量与有效剂量的方法:首先应用蒙特卡洛程序-Geant4计算出人体在不同方位、不同能量和不同距离下人体器官剂量与空气比释动能比值的转换系数, 这些系数存储在Access数据库中。应用C#编写器官剂量转化系数的二分法插值程序, 程序成功实现了对特定照射几何下的器官剂量值与有效剂量值的计算。最后对插值计算结果进行了对比验证。
1 材料和方法为了计算器官剂量数据, 应用Geant4构建了ORNL仿人模体, 在侧面照射几何下, Geant4计算值与ICRP74报告值[2]进行了对比验证。
1.1 Geant4构建ORNL模体ORNL模体是一套应用几何公式表示的程式化模体[3], 模体器官通过不同几何体的相加或相减得到近似的人体器官。ORNL模体主要分为五部分:头部、躯干、腿、乳房和睾丸, 每一部分为单独的物理体。其余器官或者组织包含于这五个物理中, 其中头部包含的器官为大脑、眼睛、头盖骨、上部食道, 唾液腺; 躯干包含肾上腺、胳膊骨、心脏、肾、大肠、肝脏、肺、子宫、胰腺、盆骨、肋骨、肩胛骨、脊椎、脾、胃、胸腺、甲状腺、躯干、下部食道、膀胱、卵巢。腿物理体中包含腿骨。睾丸与乳房是单独的物理体。对于全身分布的组织器官, 例如红骨髓和皮肤采用了文献[3]中的近似方法。
1.2 Geant4计算结果验证应用Geant4构建完成模体后, 首先对Geant4构建的模体器官体积与参考体积进行了对比验证[4], 构建的模体器官形状与大小和参考模体器官基本一致, 器官体积相差在2%以内, 仅甲状腺和食道器官体积与标准体积相比有较大的误差, 分别为28%和15%。应用Geant4计算的剂量值与ICRP74报告值在相同的几何下进行了对比验证, 在光子能量为0.01~10MeV区间内, 两者相对误差在10%以内。
1.3 计算参数设置计算器官剂量转化系数时, 光子能量设置成五档, 分别为:0.08, 0.3, 0.662, 1.25, 2 MeV, 这个能量区间基本包含了自然界中大部分核素的光子辐射能谱[5]。设置模体的中心为圆的中心原点, 点源置于半径参数分别为0.5、1、1.5、2、5m的圆面上。模体的正前方为Z轴的正向(θ为90°, φ为0°); 模体的左侧为x轴正向(θ为90°, φ为270°); 模体上方为y轴正向(θ为0°)角度的选取, 其中极化角度θ为30~150°之间内取5个点, 方位角度φ从0~360°之间取12个点, 角度间隔都是30°如图 1所示。
应用Geant4计算了点源在不同距离(0.5~5m)、角度(极化角度30~150°, 方位角度0~360°)和能量(0.08~2MeV)下的器官剂量转化系数。所以本文主要是对点源与模体距离在0.5~5m之间, 核素光子能量在0.08~2MeV之间进行插值计算。
应用C#编写了插值程序, 点源参数输入如图 1所示。插值基本过程为依据能量查找相近能量点的数据库, 例如光子能量0.8MeV时, 程序将通过查找能量0.662MeV和1.25MeV的器官剂量转化系数值, 按照二分法对其进行插值计算。
3 插值结果的验证应用Geant4计算器官剂量值与ICRP74报告值相差一般在10%以内, 所以以Geant4计算值为标准与插值结果进行对比验证。本文对极化角度、方位角度、能量点和距离进行插值的对比验证。图 2为极化角度插值的对比验证, 其中选取的角度分别为40°、45°、50°、55°、70°、75°、80°、105°、110°、115°、130°和135°, 从对比来看一般插值计算值与Geant4模拟值误差在10%以下, 个别例如肺在75°极化角度下与Geant4值相差在19.4%, 食道在75°时与Geant4值相差18.76%。
方位角度分别选取了15°、45°、75°、105°、135°、195°、255°、285°、315°、345°进行插值对比, 插值结果见图 3所示, 其中乳房在45°时, 插值结果与Geant4值相差在-30.43%。肾上腺在15°时与Geant4值相差-16.48%, 皮肤在135°角度下与Geant4计算值相差在16.47%, 其余器官插值剂量值与Geant4计算值相差在15%以下。
在光子能量范围0.08~2MeV, 取能量点0.09、0.1、0.2、0.4、0.5、0.7、0.8、1、1.4、1.6、1.8MeV进行插值计算。图 4为不同能量光子插值计算结果与Geant4计算结果的对比, 其中在能量为0.2MeV时, 膀胱插值结果与Geant4结果相差最大为8.2%, 其余插值与Geant4计算值相差最大不超过5%。相对误差随着光子能量升而逐渐变小。光子能量为1.8MeV时, 插值结果与Geant4计算值相对误差在2%以内。
在距离0.5~5m区间内分别取值1.2m和4m进行插值计算, 图 5和图 6分别为距离1.2m和4m条件下的插值结果与Geant4计算值的对比图。在距离模体1.2m时, 插值结果与Geant4有较大的误差, 其中肾在极化角度150°时插值与Geant4值相差在51.45%, 胃在150°时插值与Geant4值相差在20.42%, 其余器官剂量值与Geant4相差在20%以内。
在距离模体4 m时, 插值结果与Geant4值相差逐渐变小, 其中心脏在150°时插值与Geant4值相差最大为17.3%。其余两者相差一般在15%以下。
4 结果和讨论本文介绍了一种应用插值计算器官剂量和有效剂量的方法, 重点介绍了插值结果与Geant4直接计算值的对比验证, 通过对极化角度、方位角度和能谱和距离进行的对比验证, 发现插值方法计算结果与Geant4直接计算结果基本一致, 插值结果随着距离变大与Geant4计算值误差在变小, 随着光子能量增加相对误差减小。距离插值结果与Geant4有较大的误差, 最大误差50%, 主要是在近距离计算时, Geant4运行的粒子数不足导致一些器官剂量值偏低。能谱插值结果与Geant4计算值误差最小, 一般在5%以下。极化角度与方位角度插值由于采用了30°间隔来进行计算, 所以相对误差可能稍微大一些, 插值结果误差一般在15%以下, 个别值可能有20%误差。
虽然程序只是提供了点源的数据, 但是可以采用点源卷积计算方法[6]来算体源或者面源照射时的人体器官剂量值和有效剂量值。极化角度小于30°或者大于150°时, 由于计算量大, 精确度差, 所以程序没有提供相应角度的转化系数。程序对于在距离0.5~5m区间外的情况和光子能量在0.08~2MeV区间外的情况, 同样无法插值计算。
最后本程序仍然在发展中, 主要有两方面第一, 增加计算点(缩小角度间隔, 增加距离点), 以便减小误差, 使计算能够适用更多的放射事故情况。第二, 开发更好的仿人模体, 由于ORNL混合模体采用西方人为模型, 所以急需开发一个适合中国人的模体。
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李明生, 欧向明, 牛昊巍, 等. 数字化模体及其在外照射剂量计算中的对比研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2009, 29: 557-559. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2009.05.033 |
[2] |
ICRP. Conversion Coefficients for Use in Radiological Protection[R]. Ann. ICRP, 1996, 26: 1-205.
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[3] |
Eckerman KF, Cristy M, Ryman JC. THE ORNL MATHEMATICAL PHANTOM SERIES[Z].
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[4] |
李明生, 欧向明, 牛昊巍, 等. 应用Geant4计算光子外照射对人体产生的有效剂量[J]. 中国医学装备, 2010, 7: 14-17. |
[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. DOI:10.1093/rpd/nci352 |
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陈立新, 游日安, 于峰, 等. 核素153Sm体素S因子特性的研究[J]. 核技术, 2006, 29: 845-849. DOI:10.3321/j.issn:0253-3219.2006.11.012 |