非人类物种辐射影响评价中不同剂量率估算模型的比较

贡文静，王慧娟

(中国辐射防护研究院，太原 030006)

核设施排放到环境中的放射性核素对周围环境的影响，需要通过对污染区域内动植物吸收剂量率的估算来评价。非人类物种剂量率的评价方法有两种：一是利用非人类物种辐射影响评价程序，此方法是将建模方法使用计算机程序整合，收录主要放射性核素与参考生物，根据界面指引输入放射性核素与参考生物参数，再进行进一步计算得到生物体剂量率等数据。目前主要有美国能源部开发的分级方法中的RESRAD-Biota程序[1]和欧共体开发的ERICA程序[2]，两种程序均具有完整的生物辐射效应数据库。二是建立模型，用蒙特卡罗方法模拟粒子沉积能，再通过经验公式计算得到生物体的内外照射剂量率值，其中模型有整体简化模型、简化解剖学模型、体素模型以及最近几年开发出来的面元模型。本文参照国内外对人体和生物建立的剂量学模型方法，对整体简化模型、简化解剖学模型和体素模型进行介绍和比较。

1 剂量系数的计算方法

对一定环境中生物体所受辐射剂量率的计算，要先确定环境介质中的主要放射性核素、生物所受的辐射类型以及辐射能在生物体内沉积能量的份额，这样就可以计算生物体内、外照射剂量系数(DC)，再由生物体体内和所处的环境介质中放射性核素活度浓度计算得到生物体内、外照射剂量率以及生物体总剂量率。

在三种辐射类型α、β和γ中，α粒子和能量小于10 keV的β粒子在介质中的射程很短，在空气中也就只有几厘米，所以α和低能β粒子在常规尺度的生物体内部造成内照射的能量吸收分数可以近似为1，对于外照射可以忽略不计。但是，对于非低能β粒子和γ光子来说，他们的射程长，能够穿透介质并且有一定的能量作用范围[3]，因此需要通过计算机模拟来确定放射性核素在生物体内的能量沉积，进而进行生物体剂量率估算。

2 生物辐射剂量率估算模型

2.1 整体简化模型

整体简化模型是以放射性核素在体内均匀分布为基础，用简单的球体、椭球体、柱体、椎体、长方体等二次曲面代替整个生物，通过计算机模拟获得放射性核素在生物体的能量沉积进而计算得到生物体内、外照射的剂量系数，再根据生物体内、外环境介质的放射性核素活度浓度算出总辐射剂量率，最后对生物效应进行评价。图1为整体简化模型示意图。

图1 整体简化模型示意图

整体简化模型不对生物体的组织器官进行划分，与实际的生物体差异很大，但是由于其具有模型简单、容易建模且计算速度快等优点，便于对生物体的实际受照情况进行快速估计，因此目前国际上主要生物剂量估算方法(ERICA[2]、FASSET陆生生物[4]、RESRAD-BIOTA[1]、EDEN 2[5]、EPIC DOSE3D[6])均以此为基础，对不同种生物进行快速剂量估算。

2.2 简化解剖学模型

简化解剖学模型考虑了生物的组织/器官及内部放射性核素活度浓度的不同，可针对生物体内核素在某些组织或器官的浓集特征，根据相应的辐射类型和能量计算模型中各组织或器官的沉积能，估算模型的剂量系数，进而计算生物所受剂量率并对生物所受到的辐射剂量率进行评价。

近几年国内针对简化解剖学模型进行了一系列的研究，图2为国内几位学者建立的简化解剖学模型示意图。1999年，唐文乔建立了鲈鱼简化解剖学模型，分割出肌肉系统包括躯干部、臂部和尾部、骨骼系统等多个器官，给出各个器官的能量吸收分数，得到了模型中各组织器官内核素对性腺的剂量率系数[7]。2008年，姚青山建立了赤麻鸭简化解剖学模型，主要研究放射性核素在赤麻鸭肝脏沉积后对周围靶器官产生的内照射，给出了能量吸收分数，并估算赤麻鸭DC值[8]。2011年，韩学垒对蛙类建立了简化解剖学模型和两栖类生物生存环境模型，采用蒙特卡罗粒子输运过程模拟计算了137Cs的辐射类型对蛙产生的内照射，得到了各源器官对靶器官和环境介质对蛙组织/器官的剂量系数[3]。2011年，李静晶模拟出鲻鱼简化解剖学模型，得到了鲻鱼组织/器官能量吸收分数，计算了鲻鱼的吸收剂量，将此结果与同等条件下建立的鲻鱼整体简化模型进行比较，结果显示由于生物体内部器官对放射性核素的浓集特性，导致简化解剖学模型的局部剂量率较高，使得整体简化模型得出的结果不如简化解剖学模型准确[9]。2016年，王艾俊建立了龙虾、鲤鱼、河蟹和河蚌的简化解剖学模型，采用蒙特卡罗粒子输运过程模拟计算得到137Cs和90Sr对4种水生生物内外照射DC值和内外照射剂量率[10]。

图2 简化解剖学模型示意图

每种参考生物的简化解剖学模型，在建模计算过程中都要进行很多具体的简化假设，主要包括放射性核素的分布、生物体几何模型和外照射条件的假设。放射性核素的假设主要取决于所获取的放射性核素在生物体内和环境介质中的分布信息。

2.3 体素模型

体素模型为通过CT、MRI等手段获得序列图像，通过对断层扫描图片进行图像配准、器官识别与分割，结合计算机程序得到大型像素矩阵，同时结合蒙特卡罗的重复结构卡，对大型矩阵重新排序，建立体素模型[11]。

体素模型建立初期均应用在人体上，对人的剂量学评价作出了很大的贡献。图3为中、韩两国学者建立的人体体素模型示意图。2005年，Choonsik Lee等基于人体MRI和CT两种方式获得人体断层序列图像，从中分割出29个器官和19个骨骼部位，分别建立了体素模型；基于MRI建立一个无臂人体体素模型，可用于计算机断层扫描或横向X光检查的剂量监测，基于CT建立了一个完整人体体素模型并与无臂人体体素模型数据形成对照[12]。2007年，张宾全等基于人体断层解剖图像建立了中国人体素模型，分割出了29种组织/器官，结合蒙特卡罗输运代码，获得了中国人人体辐射防护剂量测量初步结果[13]。2008年，李君利等基于MRI技术建立了中国男性体素模型，识别和分割出23种组织及器官，使用MCNP模拟计算了空气中γ光子(能量10 keV～10 MeV)对人体器官吸收剂量的转换系数[14]。

图3 人体体素模型示意图

人体体素模型的发展已相对比较成熟，近几年，一些科研工作者将这种剂量率模型应用在动物的辐射剂量率评价中，也同样适用。2005年，Michael G.Stabin等基于CT建立小鼠体素模型，使用MCNP软件计算了几种放射性核素剂量转换因子，计算了器官吸收系数，用于估计动物辐射效应敏感性，控制临床实验中潜在的辐射毒性[15]。2006年，A.Bitar等基于小鼠冰冻断层切片解剖图谱，建立小鼠体素模型，建立剂量相关数据库，用于临床靶向放疗试验[16]。2008年，Sakae KINASE基于青蛙断层解剖图像，分割出了脾脏、肾脏和肝脏等器官，建立青蛙体素模型，此模型用来评价内照射过程中，源器官自吸收的能量分数[17]。2008年，武力基于小动物成像系统获得高精度断层图像，识别和分割出19种器官和组织，建立大鼠体素模型，使用MCNPX计算了大鼠器官吸收剂量内外照射的有效剂量[18]。2010年，张晓敏基于小鼠冰冻断层切片，识别/分割出了12种组织及器官，建立小鼠体素模型，使用MCNP模拟光子和中子得到小鼠外照射剂量系数[19]。2012年，E.A.Caffrey等，基于CT断层扫描图像建立了珍宝蟹体素模型，识别和分割出壳、鳃、性腺、肝、胰腺和心脏，使用3D-Doctor、Voxelizer和Monte Carlo，计算了12个不同能量的光子和9个不同能量的电子的能量吸收分数[20]。2015年，王艾俊基于CT断层扫描序列图片，建立鲤鱼和河蟹体素模型，模拟计算出水中90Sr和137Cs对水生生物的剂量系数[21]。图4为上述学者建立的用于动物的体素模型示意图。

生物体素模型已应用于人体模型、小鼠模型及其他物种器官模型的研究，近年来逐渐运用于非人类物种的辐射剂量率估算，与生物整体简化模型和简化解剖学模型相比，在生物体外形方面，基本与实物相吻合；在生物体内部器官(组织)方面，能够进行准确地定位以及高精度地建模，最终可对生物体剂量率进行精确计算。

3 模型的比较

表1列出了三种模型在DC计算方法、建模方式、模型基本假设以及优缺点等方面的比较。

表1 三种模型在DC计算方法、建模方式、模型基本假设以及优缺点的比较

对于整体简化模型，将生物体简化为一个简单的柱体或椭球体，假设放射性核素在这个体内均匀分布。这样的简化形式节约时间，成本低，通过已知放射性核素的基本性质即可得到放射性核素对生物体的剂量系数。但是，在整体简化模型中对生物体的几何简化没有考虑生物复杂形态或生物体内部器官/组织形态，且没有考虑生物体内部器官/组织对某些核素的浓集或累积造成生物体内局部区域的剂量偏高。

在简化解剖学模型中进行了很多具体的简化假设，主要包括放射性核素的分布、生物几何模型和外照射条件的假设，考虑了生物体内部器官/组织以及放射性核素在器官/组织中的分布情况，在已知放射性核素基本参数的前提下还要知道器官/组织的基本参数，对于不同的器官/组织可用不同的几何形状进行假设，同时考虑了生物体所在环境介质的照射几何条件。相比于整体简化模型，简化解剖学模型更加趋近于真实值。

较简化解剖学模型而言，体素模型具有：(1)模型形状与生物体几乎一致，尤其对生物体内器官或组织能够进行准确的定位；(2)不需要人为推导器官或组织的几何方程，并且模型尺寸的大小可随体素晶格大小变化而变化；(3)通过计算体素的个数，可直接得到相关器官或组织的体积等优点。体素模型以其高精准度逐渐被人们所认可，并且逐渐在非人类物种剂量学评价中得到运用。

在三种模型中，整体简化模型适用于单一的环境介质，且所考察的生物体几何形状规则，比如在水环境下对水生生物或者在某些环境下对生物卵等进行剂量评价。简化解剖学模型适用于内照射，考虑生物体内部器官/组织时，将内部器官/组织简化为简单几何形状，得到生物体内部器官/组织的平均吸收剂量。体素模型可应用于复杂结构的生物体，可将生物整体和内部器官/组织直观地展现出来。体素模型已经被广泛的应用于人体剂量评价中，对于成年男性体素模型的研究已经步入成熟阶段。在以后的环境评价中对于复杂的生物体剂量评价建议采用体素模型进行建模，以求误差降到最低。

4 小结

剂量率估算模型是进行生物剂量学评价的重要基础。本文通过对整体简化模型、简化解剖学模型和体素模型的建模方式、建模基本假设和DC估算公式的比较，明确了三种模型的优缺点及适用情况。为开展非人类物种剂量学评价的模型选择提供了参考。