中国第一具仿真辐照体模研制与医学应用

中国第一具仿真辐照体模研制与医学应用林 大 全 提 要：本文简述1985年我国第一具仿真幅照体模的研制过程：形态相似性、材料组织等效性、结构仿真性的设计思路；用聚乙烯-醋酸乙烯脂（EVA）作基材，用有效原子序数法制作等效材料；用能谱法、CT法进行质量衰减系数、电子密度、有效原子序数的判别及分类，误差小于5%，达到国际标准A级。临床监测表明：体模X-CT图像完整、体表散射、透过率、百分深度剂量曲线、器官吸收剂量与活体相比，误差小于5%。1992年国际辐射单位与测量委员会（ICRU）48#报告命名为“成都剂量体模”是向世界推荐的最新剂量体模之一。关键词：1. 仿真体模 2. 电离辐射 3. 剂量监测Abstract: This paper recapitulates the course of research and production of the first Chinese Radioactive Anthropomorphic Phantom in 1985:the design theorem of body shape comparability, tissue radioactive equivalency and internal anthropomorphic structure; using Ethylene-vinyl acetate copolymer(EVA) as the basis of material, making effective equivalent material according to mass attenuation coefficient; distinguishing and classifying its mass attenuation coefficient, mass density and effective atomic number of the material with-energy spectrum, computed tomography, and the equivalent error is less than 5%, and it attains to the international level. The clinical experiences shows: the CT diagram of this phantom is complete. Comparing this phantom with living body, the equivalent error on back scatter on the surface, perspective coefficient, percent depth dose diagram and organ absorbed dose is less than 5%. The Chengdu Dosimetric Phantom, as it has been named by the internationally authoritative body, the International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU), is one of the state-of-the-art dosimetric phantoms currently being globally promoted.Key words: 1. Anthropomorphic Phantom 2. Inenation Radiation 3. Dose Check 原子能事业的发展，给人类带来了巨大的裨益，而放射线可能引起的危害也日益引起人们的关注。为了保证职业人员和诊治患者的辐射安全，国际放射防护委员会（ICRP）提出的有效剂量当量（Effective Dose Equivaient）的概念，由体内组织器官吸收剂量权重计算来定量表征电离辐射随机效应对人体危害程度，医疗照射中提出了质量保证、质量控制（Quality Assurace and Quality contron）的要求。所以研究辐射场中人体各组织器官的剂量是辐射剂量学的重要任务之一1,2。 为确定辐射场中人体内剂量分布，60年代以来曾用Monte-Carlo方法，借助电子计算机进行“随机统计计算”，但现场多因素影响及不确定性难于获得可信的结果3,4。80年代，随着辐照体模技术长足的发展，用热释光剂量计（Thermoluninescence Dosimetry），驻极体探测器（Electret）、半导体探测器（Semiconductor Detector）、剂量胶片（film badge）置入人体模型内实测的“模型模拟法”，不仅避免了繁杂的计算，而且结果较为真实5,6。所谓仿真辐照体模（Anthropomorphic Phantom）是按人体参数，用人体组织对射线散射和吸收相似的可谓“组织等效材料”（Tissue Equvalent Materials）制成的具有骨骼、肌肉、脏器的人体模型。目前它已成为国内外放射防护、诊断、治疗、教学和辐射标准研究中作为“人体替身”作为物质能量、信息传递的“稳定受体”，进行剂量可视化、定量化“模拟的工具”而广为应用。五十年代以来，体模的发展经历了由简单的散射体向人形体模发展（几何模型）；由模拟肌肉组织的均匀体模向多种材料模拟人体各重要器官，腔隙的高精密度仿真体模发展（物理模型）；从单一功能向多用途发展，计算机与实测参数相结合进行放射治疗最优化设计的放射治疗计算系统（医学物理数学模型）。所以，现代剂量学中高度拟人化人体模型与高性能的计算机系统已成为不可分割的整体。 具有代表性的是Jones（1949年）聚乙烯、石腊为原料的组织代用材料（MIXD）7，Rando椭园柱片状体模8，MIRD（1969年）用于放射性核素内照射剂量估算的体模9，Kerr(1976年)用于计算日本原子弹受害者身体和主要器官剂量的体模10，1980年随着美国Alderson实验室和日本Kyoritus公司放射诊断、治疗、教育、研究系列体模的开发，特别是1981年慕尼黑国际讨论会后，在医疗照领域大规模体模实验计划在世界范围内推进了体模技术的发展和各领域的广泛应用。 多数体模是按ICRP参考人根据欧美人种解剖参数确定的（身高1.7米，体重70公斤），与中国人体形、体质、辐射特征有显著差异，而且价格昂贵，一度为禁运物资。1980年以后，国内结合中国人特点开展了均匀体模、液体模、非均匀体模的试制。实验表明，体模的几何差异，不均匀性差异，辐射源能量差异，引入剂量误差达2245%（Frigerio 1973）5；Alderson体模主要用于放射治疗，其人造橡胶在医疗照射约50kvp能谱范围，有效减弱系数比水大9%（Shrimpton 1981）。对比实测表明国外体模偏于脂肪性，其CT值比中国人约低57%，因此，结合国情开发具有中国人体特点的辐射体模是科技发展的必然结果。1984年9月四川省体模研制协作组经过1年零9个月的工作，在全国相关单位的全力支持下，按体模相似性原理设计具有“形态相近性，组织等效性，结构非均匀性，腔隙模拟性”，有骨骼、肌肉、脏器、皮肤的“中国模拟人”中国第一具成人男性仿真辐射体模研制成功，经临床实践证明满足放射防护、医疗照剂量误差要求，性能良好。一、仿真体模简介1 1、形态相似性制作“仿真”体模必须以人的体型和脏器参数统计平均数为依据，作必要的简化，既满足剂量学要求，又忽略其次要特征。国际放射防护委员会（ICRP）23号出版物公布的有关资料，男性身高为1.7米，体重70公斤，但人类学研究指出：地区和种族不同，身体各部分量度亦有所差异。为制作中国体模，当时已公布的资料远不能达到要求。为此，我们对成都地区的汉族成人296名进行了系统的活体测量，总计48项特征值数据用电子计算机进行聚类分析和因子分析的统计处理，找出中国成年人体型相关性的系列数据，分成十三个类型。其VIII型经约10万人大样本检验证明，在置信度为99%以上的标准差范围内，它能表征中国成年人体型部位的平均水平。本文第VIII型体模身高1.659米，体重57.5公斤。 有关脏器的正常值，我们收集整理了国内发表的有关资料和华西医大的尸体解剖的正常脏器数据（标本2290例，包括了脑、心脏、肺、肝、脾、肾胰等11种脏器的平均重量、形态及体腔内的位置），作为制作体模的脏器参数的初步依据。 2、辐射等效性 体模研制除获得人体的相似性外，在很大程度上取决于组织等效材料的优劣性、匹配的合理性。研制中，我们结合国情，设计了适用于x、射线的三种新型固体等效材料。一种M型以聚乙烯醋酸乙烯脂共聚物（EVA）为基料添加超细并活化处理的金属化合物（肌肉和软组织）；一种P型以乳胶为基材（肺和脏器）；一种C型以中国漆为基材（皮肤和涂复材料），它们在能量从12kev1250kve范围内，经多道能谱半导体探测器测试减弱系数与标准值相比其误差5%，达到国际上辐射等效材料分级的A级。射线与物质作用理论研究证明，组织的辐射等效材料的质量衰减系数（）是质量密度（），电子密度()，有效原子序数的函数(Zeff)。采用正交实验分组，多元线性回归预测，半导体探测器多道能谱计算机系统实测19逼近预期值，经过56批，342个样品的测试，使等效材料从而达到较佳的等效性能；由于人体是不均匀体系，在三维空间辐射各向异性，采用离体新鲜组织、生物活体，34个样品的实测对比。进行了“组织相对比例”、“空间位置的权重修正”，达到较佳模拟仿真效果。 表1 中国人男性仿真辐照体模总体尺寸图1 中国成人男性体模 头、胸部照片尺 寸概 要一、头 部头高（z轴）23.1cm头长（y轴）19.4cm头宽（x轴）17.1cm头围56.3cm二、躯干部躯干高（z轴）51.1cm胸宽径（x轴）26.7cm胸矢径（y轴）18.9cm胸 围86.7cm肩 宽（x轴）37.6cm三、下肢部骨盆宽（x轴）37.6cm骼前上棘间宽24.7cm四、总身高165.9cm 3、结构仿真性 体模的成形工艺是制作高质量体模的重要环节，目的是使不同特性的等效材料，包括肌肉、脏器、消化道、模拟管腔及塑化处理天然骨架，铸成无大空泡、裂隙、非均匀嵌合体。用X线拍片有良好的仿真性、完整性。 大断面低耗，三维空间定位切割，使损耗经涂层处理0.51mm。不平行性斜率为0.25%，体模按头、胸、腹三大部分共计切成916段，上下共有多个截面，用33cm矩阵布点和器官深孔布点，共计有热释光元件孔1000余个（20），分布全身主要脏器（包括脑、肺、心、肝、胃、肠、生殖腺及骨髓），不用之孔用相应组织等效的插塞填补，保证模体完整减少空隙散射。 总体装架，各层间用高分子等效材料固定插塞内部固定，外部用尼龙绳牵引压板螺旋挤压，可整体使用，又可分段使用，装卸方便，不易受外部射线的干扰。二、临床检验及应用体模的临床检验是对体模的空间塑型；等效材料；整体成型质量的综合评价。成型后要经X光摄片，CT分段检查。了解其内部结构、密度对比、相对位置，有无大于5mm以上的空孔或裂隙。保证体模内部结构的等效性仿真性， 1、X线断层扫描图象及剂量测定北京军区总医院用东芝X射线断层扫描机（CT）作7段扫描。结果表明：断面图象清晰、骨架对称连续，与真实活体病人图象相似；局部扫描剂量与活体比较，偏差1.7%，线束透过率与Alderson Rando Phantom实验结果比较其偏2.7%。检验说明，体模等效性仿真性良好。2、体模与活体不同部位透过率对比测定北京市防疫站用带平衡滤片的Lif (Mg.Ti)和CaSO4（Tm）热释光剂量计用国产Co-60治疗机线，测不同部位透过率并与相似形态活体病人比较，鼻前野偏差2.4%，耳侧野偏差3%，胸部食管部偏差3.2%，下腹部3.3%，透过率因体模不同部位结构差异，有明显规律性变化与国外非均匀体模剂量分布资料相似。 中国医科院肿瘤所用SL-75-14电子加速器8MV，X射线不同段面投照其透过率因结构差异而明显变化，测量结果与国外仿真体模剂量分布曲线相似。 3、体模皮肤等效性，深部吸收剂量的对比测试 成都计量测试研究院、用加拿大Theratron80，Co60治疗机作辐射源，体模与活体病人作对比实验，剂量仪为英国Farmer2570室剂量仪，中国工学科学院放射所LiF（Mg. Cu. P）热释光剂量计，经校正误差5%，作体表电子平衡系数；透过率；深部组织吸收剂量；不同部位的深部剂量曲线。结果表明，与体型相似活体相比体表电子平衡系数偏差=3.4%，透过率偏差=1.27.9鼻咽部深部组织吸收剂量率与电离室百分深度剂量值比较偏差1.5%（表68）。 4、不同投照条件体模表面的反散射因子测量 热释光剂量计实验表明，在中等过滤50kvp x线照射条件下，有受体与无受体其量值差达30%，主要与有无体模时能谱变化，散射条件有关。在诊断X线摄片条件下，体模的反散射因子与水模体比对偏差约=1.6%(表9)。 5、体模不同部位照射的百分深度剂量曲线20 仿真体模是模拟人体不同组织密度的器官而制成。为了解体模不同部位照射的百分深度剂量曲线与均匀体模的标准曲线的差异，我们选择了体模第五断层内的胸部通过胸骨、心脏、心后间隙、胸椎等组织以及通过胸壁、肺。 组织等效材料的百分深度剂量曲线。第八断层内主要通过盆腔软组织等效材料的百分深度剂量曲线，与标准曲线进行比较。 照射条件：钻60源，SSD 80cm，面积1010cm2 照射野及深部组织情况百分深度剂量曲线：见图2。 体模不同部位照射的百分深度剂量曲线与均匀水模、固体体模标准曲线显类似衰减规律，但不同部位因结构差异出现规律的曲线跳跃，表明仿真体模在放射治疗中对组织吸收剂量的精确测定和修正将是一个有利的工具。 6、X线诊断中仿真辐照体模体表及体器官吸收剂量的测定 随着超小型高灵敏组织等效的LiF TLD的出现以及中国人仿真体模的研制成功，提供了一种方便和可靠的直接测量手段，为研究剂量与效应的关系和估算人群体剂量负担提供较为准确的剂量依据。 我们采用体模和LiFHS TLD测定了三种典型的X线诊断（胸片、胸透、腰骨底片）时体模主要器官的吸收剂量，并计算了它们与体表照射量的相关系数。实验结果列于表1013中。由实验看出，使用非均匀组织等效体模，配合高灵敏LiT热释光剂量计，采用直接模拟真实X线诊断现场，一次即可获得数百个体内各器官的吸收剂量参数，而不必再进行距离、体形、组织和散射等一系列修正，提高了实验的科学性和可靠性。 7、辐射体模在辐射事故剂量模拟中的直接快速测量 当辐射事故发生后，电离辐射给予病人各器官的剂量是人们极为关注和研究的课题之一。器官吸收剂量最直接和可靠的方法是将剂量计放在所调查和研究的器官相应的部位进行直接测量。由于探测元件和测量技术的局限，这种方法长期无法实现。通常的方法是通过测量体表的空气照射量，按一定的数学模型来推算体内各器官的吸收剂量；也有采用均匀体模和水模拟人体进行体内测量，但是由于这类体模在组织等效和器官定位准确性均存在较大误差。特别是在辐射现场投照的不均匀性条件的多变性，以及体形、器官和骨骼的散射和吸收的影响，误差较大，直接影响对全身剂量的客观估算和损伤评价。图2 体模不同部位钴60照射的百分深度剂量我们先后模拟X线工业探伤源、Co-60辐射事故三起，总计人数6人，实测表明，理论计算的繁锁和不真实性是十分明显的，而体模模拟用热光剂量计数据处理的计算机程序迅速准确，较真实提供事故剂量的大小。用体模实测值作归一化处理后，可以看出等效全身剂量Da、骨髓计权剂量Dm与实测的明显差异。用头、胸、腹三点空气量简易计算，结果偏高1.63.1倍，采用修正值估算后，结果偏低1020%。 8、诊断X线机胸部拍片条件的最优化选择将辐射体模作稳定受检物，选择重现检查最优化拍片、洗片条件。（1） 不同呼吸状态应选用的管电压，KV相差510KV；（2） 不同胶处应选用不同爆光条件 mA相差510 mA；（3） 不同显影条件应选用不同显影时间。 采用良好处理技术，以达到诊断拍片有最佳的分辨率和灰度层次，用最小（病人）剂量最小物资时间的投入保证最佳医学诊断效果。 9、各类辐照装置中，工作人员个人剂量与器官的相关研究随着科技发展社会进步，各类新型的辐射装置不断涌现，为了达到科学的个人剂量管理，通过工作人员剂量与器官剂量的相关性研究，以便正确估算人员受量和危害，而体模为我们提供了有用的实测工具。国产铱192新型探伤机现场，得到工作人员正面、旋转照射条件下，个人剂量与体内各器官剂量（d/DTL），与左胸部空气照射量(d/a)，与全身红骨髓量之比值（d/Dm）。结论：按仿真体模相似原理“形状相似性、材料组织等效性、内部结构仿真性”要求，成功指导了体模的制作。用低原子序数的金属化合物经物理、化学活化，可均匀加入高分子材料中，用多道能谱法、CT法，可实现离体组织等效材料、整体组织等效材料的质量衰减系数，质量密度，电子密度，有序原子系数Zeff，相关函数测量，并与活体组织或标准数据相比较，对材料等效性判别分级。中国第一具仿真体模于1984年9月研制成功，经2年临床监测应用表明：X-CT图象与CT值。体表散射辐特性、深部剂量曲线、吸收剂量、射线透过率、不同部位非均匀性差异的剂量曲线变化，不同诊断、治疗、事故照射条件下体模体表空气剂量与组织器官吸收剂量相关比与活体对照结果，误差小于5%。证明该体模具有良好的中国人体参数的相似性，各种组织辐射等效性，内部结构仿真性。总之，仿真辐射体模的研究成功，经我们提供了一个在放射诊断、治疗、防护、标准研究中的“人体替身”，是辐射场中物质、能量信息传递的“稳定受体”，是辐射剂量可视化、定量化、智能化“模拟工具”对提高我国辐射防护水平和临床放射治疗剂量学的水平的发展将起极大的推动作用。本课题在研制过程中，曾得到中国医学科学院的技术指导。四川大学核物理实验室提供了辐射等效测试装置及数据。北京卫生防疫站、北京军区总医院、中国医科院肿瘤医院、肿瘤研究所协助临床检验，在此一并感谢。(1991年中国生物医学工程学会、医学物理学会学术年会论文)主要参考文献1. 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