基于体素模型的光子外照射大鼠器官剂量模拟计算

张晓敏，李大伟，宁 静，谢向东

(军事科学院军事医学研究院，北京 100850)

在放射医学研究领域，评估受照实验动物的器官剂量，获得更为详细的剂量信息，对于剂量-效应关系研究具有重要作用和意义。器官剂量很难用实验方法测量，可行的方法是利用器官剂量转换系数来间接获得器官剂量。器官剂量转换系数是将器官剂量与可直接测量的量(如粒子注量、自由空气比释动能)联系起来的系数。器官剂量转换系数通常需要利用蒙特卡罗模拟技术结合动物数字模型来计算获得。小鼠和大鼠是放射医学研究常用的实验动物，为了评价内、外照射情况下大鼠或小鼠的器官剂量，国内外相关学者利用两种类型的鼠类数字模型来计算器官剂量。一种是以数学公式来描述小鼠或大鼠器官解剖结构和形状的模型，称为数学模型。这类模型包括Hui等[1]建立的小鼠数学模型，用来进行辐射剂量计算，Flynn等[2]建立的用来进行辐射效应评价的小鼠数学模型，Funk等[3]建立的用来进行剂量评价的小鼠和大鼠数学模型，Konijnenberg等[4]建立的用来进行剂量放疗评价的大鼠数学模型；另一种是基于断层图像开发而来的体素模型，这类模型可以真实反映体内器官组织的形状和位置，对于内、外照射剂量计算而言，相比数学模型具有更为准确的优点。目前已经建立的鼠类体素模型主要包括Kolbert等[5]基于MRI图像开发的雌性小鼠体素模型，Stabin等[6]基于CT图像开发的小鼠体素模型，Segars等[7]开发的小鼠体素模型，Bitar等[8]开发的雌性小鼠体素模型，Taschereau等[9]开发的4个小鼠体素模型，Peixoto等[10]基于雄性SD大鼠CT图像建立的体素模型，国内刘谦等[11-12]基于切片图像建立的大鼠体素模型，张晓敏等[13-14]基于冷冻切片图像建立的小鼠体素模型。

对于光子外照射尤其是低能光子外照射，大鼠体重是影响器官剂量大小的关键因素。在上述模型中，刘谦等[11]基于一个139 g 的大鼠体素模型计算获得了一套光子外照射器官剂量转换系数，该器官剂量转换系数适用于体重接近于139 g的大鼠器官剂量评估。而针对照射实验中常用到的体重超过300 g以上的大鼠，目前还没有相应的光子外照射器官剂量转换系数。鉴于以上原因，本文旨在获得质量300 g以上的大鼠器官剂量转换系数，为剂量-效应评价提供参考和依据。

本文首先基于一套大鼠的微型CT图像，建立了一个体重为323 g的大鼠体素模型；然后以此模型基础，利用MCNP程序计算获得了4种理想照射几何条件、21个单能(10 keV～10 MeV)平行光子束外照射情况下的器官剂量转换系数；最后对光子能量变化及照射几何方式对大鼠器官剂量的影响进行了讨论。

1 材料和方法

1.1 大鼠体素模型的建立

首先将一个体重为335 g的SD雄性大鼠麻醉固定，利用微型CT进行断层扫描，扫描图像间隔设置为1 mm，共获得243张断层图像；利用图像处理软件去掉每张图像周围无用的像素，使得每张图像大小为613像素×261像素，每个像素尺寸为0.16 mm×0.16 mm；利用Matlab编程对每张图像的大鼠骨组织进行自动识别与分割，对于其他器官和组织，利用Photoshop 软件进行手动分割，分割出的器官组织包括皮肤、骨骼、眼睛、脑、心脏、膀胱、睾丸、胃、胰腺、脾、肝、肾、肺、大肠、小肠、肌肉等。图1所示的是分割后的第105张图像。

图1 分割后的第105张图像Fig.1 The segmented 105th images

考虑到蒙卡模拟效率和计算负担，每间隔一张图像选取，从243张图像中选取122张图像建立大鼠体素模型，最后用于计算的体素模型的每个体素尺寸为0.16 mm×0.16 mm×2 mm。利用matlab编程与MCNP程序的重复结构栅元建立方法，建立大鼠体素模型输入文件，模型中各个器官和组织的元素组成和密度取自ICRU 46号报告[15]。

1.2 蒙特卡罗模拟

本文采用蒙特卡罗程序MCNPX2.5作为计算程序，外照射几何条件分别设置为左侧向(LL)、右侧向(RL)、腹背向(VD)和背腹向(DV)，如图2 所示。平面照射源与大鼠之间介质设置为真空，外部单能平行光子束能量分别为：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。为了获得大鼠器官或组织中的实际能量沉积，本文采用MCNP程序的*F8 卡计算能量沉积，光子和电子截止能量设置为1 keV。为了使计算统计误差控制在5%以内，模拟粒子数设置为2×107～1×108。

图2 照射几何示意图Fig.2 Illustration of four irradiation conditions

1.3 器官剂量转换系数计算方法

为了获得器官剂量转换系数，将本文蒙卡模拟计算获得的“单位光子注量的器官吸收剂量”(DT/Φ)值除以ICRU 47号报告[16]给出的“单位光子注量的空气比释动能”(Ka/Φ)值，就可以获得单位空气比释动能的器官剂量，即器官剂量转换系数DT/Ka。其中ICRU 47号报告计算“单位光子注量的空气比释动能”的公式为：

(1)

其中，Ka/Φ为自由空气比释动能与光子注量的比值，μtr/ρ为质量能量转换系数，Eγ为光子能量。

2 结果与讨论

2.1 大鼠体素模型

图3为大鼠体素模型皮肤组织及体内器官三维图，模型总共有6 173 302个体素，每个体素尺寸为0.16 mm×0.16 mm×2 mm。表1所示为大鼠体素模型各个器官组织的质量、密度和体素数量，模型总重量为323.7 g，比真实大鼠325 g小11.3 g，这主要是与器官真实密度的差异以及组织器官分割误差造成的。

2.2 器官剂量转换系数

蒙卡模拟计算的结果误差都在5%以内，证明计算结果是可信的。由于篇幅限制，本文未列出各个器官的器官剂量转换系数。

2.3 器官剂量随光子能量的变化

图4所示为不同照射几何条件下大鼠典型器官的器官剂量转换系数，可以看出大肠、小肠、肾、胃的器官剂量都表现出相同的变化趋势：当光子能量小于0.1 MeV时，器官剂量转换系数逐渐增大；当光子能量为0.1～2 MeV时，器官剂量转换系数约为1.0左右；当光子能量大于2 MeV时，器官剂量转换系数逐渐减小到约0.5，这种变化趋势直接反映了光子能量在器官中的能量沉积变化情况。从图4同时可以看出，不同的照射几何条件会造成器官剂量的差异，例如对于位置更接近于大鼠腹部的小肠，当光子能量小于2 MeV时，VD照射几何的器官剂量大于DV照射几何的器官剂量；当光子能量大于2 MeV时，VD照射几何的器官剂量又小于DV照射几何的器官剂量。这主要是由于当光子能量较低时，随着光子穿透力逐渐增加，更多的光子能量能够沉积到离腹部更近的位置；而当光子能量较高时，光子的穿透力增大到以至于使较多的次级粒子穿出了离腹部更近的位置，因此能量沉积反而越来越小。对于睾丸、肝、心脏、大肠等更靠近大鼠腹部的器官，可以推理得知其器官剂量都会表现出小肠对VD和DV相似的敏感性；对于肾脏、脑、脊柱等更靠近大鼠背部的组织，其器官剂量又会表现出与小肠相反的敏感性。同理，可以发现对于更靠近大鼠身体中心线左侧位置的胃，其器官剂量会表现出对RL和LL照射几何条件的敏感性：当光子能量小于4 MeV时，LL照射几何的器官剂量大于RL照射几何的器官剂量；当光子能量大于4 MeV时，LL照射几何的器官剂量小于RL照射几何的器官剂量，因此可以得知对于胰腺、脾等解剖位置位于大鼠身体中心线左侧的器官，其器官剂量会表现出与胃相似的照射几何敏感性。

图3 大鼠体素模型三维图Fig.3 3D view of the voxel rat model

表1 大鼠体素模型组织器官质量与密度Tab.1 Organs density and mass in the voxel rat model

3 结论

本文基于新建立的一个重量为323 g的大鼠体素模型，计算获得了21个单能(10 keV～10 MeV)平行光子束外照射情况下大鼠各个组织器官的器官剂量转换系数，利用该套转换系数可以评估受照实验大鼠的器官剂量，从而为剂量-效应研究提供更为详细的基础资料。本文同时对器官剂量变化特点进行了分析，发现随着光子能量的变化，不同器官的器官剂量表现出相似的变化趋势；同时发现由于大鼠体内各个器官解剖位置的差异，不同的照射几何条件会对大鼠器官剂量造成不同程度的影响。

图4 大肠、小肠、肾、胃器官剂量转换系数随光子能量的变化Fig.4 Organ dose conversion coefficients for large intestine,small intestine,kidneys and stomach varying with photon energies