虚拟人体模型是辐射防护领域的一种基础工具，它可以结合蒙特卡罗程序来计算ICRP规定的防护量和ICRU规定的实用量与粒子注量、比释动能等物理量之间的转换系数，这些转换系数有的是实验无法测量的^[1]。同时，虚拟人体模型还广泛应用于放射医学、空间辐射防护、探测器的标定等领域。

1 虚拟人体模型的发展历程

虚拟人体模型经历了由简单数学模型到复杂体素模型的发展过程。

1.1 数学模型

数学模型是用数学公式描述的简单几何体来代表人体的组织或器官的模型。除数学模型外，还有ICRU用来定义周围剂量当量与定向剂量当量的组织等效的ICRU球和用来定义个人剂量当量的充水标准平板体模; IAEA采用组织等效的圆柱模型来定义剂量限值，圆柱的内部有57个组成部分^[2]。

最早的数学模型是由美国橡树岭国家实验室为美国核医学协会的医学内部核辐射剂量委员会开发的。该模型是基于ICRP23号出版物定义的西方白种人参考人来定义的，当时建造的目的是用于内照射的比吸收率SAF(specific absorbed fractions)的计算^[3]。该模型经Snyder进一步改进，成为了著名的MIRD模型。在MIRD的基础上，橡树岭国家实验室建成了包括男性、女性、不同年龄的模型“家庭” ^[4]。于此同时，GSF德国环境与健康研究中心开发了亚当(男)和夏娃(女)模型^[5]。在亚当和夏娃数学模型的基础上，Ferrai等人开发了一个雌雄同体的数学模型，将转换系数的粒子范围扩展到了更高能量和更多种类^[6]。

在体素模型之前，ICRP出版物中所有的剂量转换系数都是由MIRD5数学模型计算得到的^[1]。在ICRP2007号出版物中，ICRP已经开始用体素模型来计算即将更新的内照射和外照射的器官转换系数。由数学模型得到的转换系数是相当精确的，特别是在外照射领域结果更是令人满意的。但是对于内照射，由于数学模型不能表达人体精细的解剖结构，严重影响了比吸收系数的计算精度。

1.2 体素模型

随着计算机CT断层技术和计算机图形学的发展，开发体素模型已不存在关键技术问题。体素(volume of pixel即voxel)是一个相对2D数字图片的像素(pixel)而言的3D概念。体素模型是由一个个人体体素(长方体或正方体)有序堆列而成的数字化模型。根据人体断层图像(CT、MRI、解剖断层图片)提供的每个像素信息，可以确定每个长方体体素属于哪个器官、物质组成、密度等信息。体素模型的优点是能够表达人体精细解剖结构。

20世纪八十年代中期，人体体素模型最早由德国科学家Gibbs^[7]等和Williams^[8]等先后提出。在德国GSF，研究人员利用CT断层图片开发了包括一系列的成年男性、女性和儿童的“家庭”体素模型。当时这些模型应用于GSF蒙特卡洛程序，仅仅用于光子传输。最近几年，这个体素家庭得到很大的发展，增加了不同尺寸和年龄的女性体素模型^[9]。该家族一个名叫‘Golem’男性体素模型是依据ICRP89号出版物开发的^[10]。一个‘Golem’的副本—Laura女性体素模型和‘Golem’模型在ICRP110号出版物中经调整已经被ICRU和ICRP联合定为标准体素模型，用来取代原来基于ICRP23号出版物的MIRD模型，它们已经用于外照射光子的转换系数的计算^[11]。耶鲁大学的Zubal等人^[12]公布了人体头部和躯干部的分割数据，这些数据可以获得并用于非商业目的，对体素模型的推广应用起到了重要作用。在Zubal模型的基础上，Kramer等人^[13]开发了一个成年男子模型，命名为MAX。

1995年，英国国家防护部(NRPB)专门成立了一个体素开发工作组。1997年，该NRPB工作组公布了开发的一个名叫NORMAN成年男子模型。体模的数据来源于MRI断层图片，主要用于电离和非电离辐射的研究^[14]。通过这次NORMAN的尝试，各国实验室纷纷开发自己的体素模型。

美国伦斯勒理工大学的徐榭等人^[15]，开发了VIP-MAN成年男子模型。该模型数据来源于美国国家医学图书馆“可视人项目”的高分辨率的彩色断层图片，体素大小0.3×0.3×1mm，是目前世界上应用于辐射领域器官和组织最齐全的人体体素模型。该模型身高186mm、体重100kg，不是标准参考人模型，所以该模型不但可以计算剂量转换系数，还可以用于研究外照射和内照射转换系数的器官尺寸依赖性的研究。

ICRP推荐的体素模型是根据西方人的生理参数建造的，所以并不一定适用于东方人。在我国，中国航天员科研训练中心的曾志等人^[16]用人体的MRI图片开发了一个用于空间辐射剂量计算的男性体素模型，该体素模型高170cm、体重60.5kg，体素大小为2×2×2mm; 中国辐射防护研究院的张斌全等人^[17]采用中国可视人计算的男性彩色解剖断层图片，建立了一个名叫CANMAN的体素模型，该体素高170cm，体重65Kg，体素大小0.16×0.16×1mm，是目前世界上应用于辐射领域分辨率最高的体素模型。清华大学的李利君等人^[18]使用了一个身高170cm、体重70kg的人的中国成年男性的的MRI断层图片，开发了一个名叫CVP的体素模型，主要用于外照射，体素大小4×4×4mm。华中科技大学的张国志、刘谦等人^[19]使用中国可视人计划的男性彩色解剖断层图片，开发了一个名叫VCH的体素模型，该模型高166cm，体重58kg，体素大小2×2×2mm。此外，日本、韩国、澳大利亚也开发了基于本国人群生理结构的体素模型。

2 对体素模型的讨论

基于体素模型的蒙特卡罗计算结果不仅与体素模型表达人体器官或组织的几何精度有关系，还与蒙特卡罗程序的数据库及其源的空间和能量分布的经验知识有很大的关系。实际上，后者对计算结果的影响更大。

2.1 蒙特卡罗程序分析

蒙特卡罗程序的开发数据都是基于真实的物理实验，在此基础上对粒子输运模拟的应用范围进行扩展。物理实验结果的误差和蒙特卡罗程序内部机制的误差，使得蒙特卡罗模拟的误差不可避免。例如，FLUKA程序^[20]中的20MeV以下的中子截面库是多群界面库，相比逐点界面库计算结果是有差别的。MCNP(X)^[21]的F4或F6计数卡，都是基于径迹长度的计数卡。所以要保证它们的计算结果的可靠性，必须要求所计数的区域内有足够过的粒子径迹，因此在用它们计算体积比较小的器官或组织的能量沉积时要慎重。此外在计算低能中子的能量沉积时，F6对中子俘获反应产生的光子不做记录。F8计数卡是基于面估计来计算径迹长度的，虽然没有上述的局限性，但是会增加程序的运行时间。所以，蒙特拉罗程序内部机制需要进一步的完善和优化。

在用蒙特卡罗模拟计算时，物理参数的设置(例如电子传输模型、截止能量、截止时间、次级粒子方向分布的抽样机制)都对蒙特卡罗的计数结果影响很大。所以不能仅仅关注计算结果是否合理，还要看体素模型表达的解剖结构是够足够精细与真实，更要关注蒙卡程序物理参数的设置是否满足物理理论的要求。

2.2 体素模型分析

一个体素模型并不能代表整个人群的生理特征，尤其是在放射治疗中，人体的生理结构有差异，应当用基于病人断层数据的体素模型来做蒙特卡罗模拟计算，制定放疗计划。对于CT灰度图像，软组织器官CT值很接近，有些器官的CT值还有重叠，对于彩色断层图片颜色信息复杂，使得断层图片的自动分割难以保证分割的精度，所以目前辐射防护领域中的体素模型时断层图像大都采用手动分割，这大大增加了体素模型的开发时间。因而，有必要开发一种快速有效的分割方法，来减小体素模型开发时间。

人体在辐射场中大都是运动的，要模拟人体实际的受照情况，开发一种真实模拟人体运动情况的体素模型很有必要。加利福尼亚大学的Bin Han等人^[22]将体素模型通过计算机技术进行变形处理，通过接口程序将变形体素模型与MCNPX实时链接，实现了体素模型在圆形轨道上的行走。如何实现模拟更复杂的人体行为动作，还有待研究。

虽然体素模型有它的不足之处，但相对于它的优点而言那些不足之处真是沧海一粟。体素模型的优点不仅仅在于能准确描述精细的器官或组织结构，还在于它能够计算数学模型无法计算的物理量。数学模型把骨髓均匀分布在骨结构中，处理很粗略，但是高分辨率的人体断层图片可以区分骨密质、骨松质和骨髓，所以利用体素模型可以精确计算骨表面和骨髓的能量沉积，这是数学模型无法做到的。

3 展望

随着核工业的迅猛发展和中国空间站计划的逐步实施，要面临的辐射环境也将更加复杂。而在计算外照射剂量-注量转换系数时，采用单能齐向扩展场照射人体，这和实际的辐射场差别很大。例如ICRP74号出版物^[1]中公布的每单位粒子注量的浅表器官或组织的吸收剂量的值，对入射粒子的方向依赖性很强。因而，在估算人体受到的剂量时，粒子的空间分布和能量分布都应该考虑，但还是会给计算结果带来一定的误差。如果能够利用计算机变元技术使人体能够模拟人体在辐射场的行为动作，则就可以精确预测人体的受辐射的水平。因而通过计算机变形技术开发能够模拟人体复杂行为动作的体素模型很有必要。