應(yīng)用仿真人體模型估算輻照場所受照人員物理劑量的方法研究*

丁艷秋 李明生 劉運(yùn)宏 翟賀爭 程金生*

放射源和射線裝置在我國的應(yīng)用十分廣泛，目前全國共有放射源142 773枚，其中廢源庫收貯廢源35 393枚，而其余的107 380枚放射源分布在12 412家涉源單位，各涉源單位的放射源中，在用放射源76 767枚，閑置廢棄放射源30 613枚。由于放射源廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，放射事故時有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1988年至2004年，平均每年發(fā)生放射事故約30余起[1-2]。

發(fā)生放射事故時要對受照人員進(jìn)行有效的醫(yī)學(xué)應(yīng)急救治和對事故做出客觀的評價，需要對受照人員事故劑量進(jìn)行重建，采用物理劑量估算為較好的方法之一，選用合適的人體模型進(jìn)行模擬估算是物理劑量估算的重要一環(huán)[3-6]。“中國人輻照仿真人體模型”是在對大量中國成年人的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后研制出的能代表大多數(shù)中國成年人的標(biāo)準(zhǔn)體模，使用與人體組織對射線散射和吸收相似的“組織等效材料”制成的具有骨骼、肌肉及臟器的人體模型，具備良好的輻射等效性，仿真人體模型質(zhì)量單元劑量相似于實(shí)際人體質(zhì)量單元劑量[7]。因此，本研究在60Co源輻射場中，將熱釋光劑量計(jì)(thermoluminescence dosimeter，TLD)布放在中國人輻照仿真人體模型(心臟、腎臟、肝臟、胃、肺及甲狀腺等)內(nèi)，模擬輻照場所受照人員受照情況，得出事故受照人員的器官劑量，并與蒙特卡羅模擬估算的器官劑量進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證將TLD布放在中國人輻照仿真人體模型器官中，估算事故受照人員器官劑量的可行性。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

鈷治療機(jī)由解放軍第307醫(yī)院提供使用；60Co源由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院輻照室提供使用；RGD-3A微機(jī)熱釋光劑量儀為防化院生產(chǎn)；熱釋光劑量計(jì)為北京光潤意通公司生產(chǎn)；固體水為德國PTW公司生產(chǎn)；中國人輻照仿真人模型(模體)為成都方拓仿真技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

1.2 TLD現(xiàn)場模擬測量方法

(1)TLD刻度曲線的測量。為了模擬60Co源輻照室內(nèi)受照人員受到較大劑量照射，根據(jù)TLD熱釋光材料LiF(Mg，Ti)[TLD-LiF(Mg，Ti)]的線性可以達(dá)到8 Gy(來源于廠商標(biāo)稱值)，選用TLD-LiF(Mg，Ti)放置在中國人輻照仿真人體模型重要器官內(nèi)，模擬人員受照情況。首先對TLD-LiF(Mg，Ti)劑量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，使用60Co治療機(jī)，考慮到電子平衡效應(yīng)以及電子建成選擇在干冰(內(nèi)含98%以上水分)下5 cm照射1～5 Gy。使用RGD-3A微機(jī)熱釋光劑量儀測量TLD-LiF(Mg，Ti)。

(2)測量條件。預(yù)熱溫度為135 ℃，測量溫度為235 ℃，預(yù)熱時間為5 s，測量時間為6 s，TLD發(fā)光量與TLD空氣中吸收劑量的線性相關(guān)系數(shù)為0.997。TLD發(fā)光量與TLD空氣中吸收劑量的關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 TLD發(fā)光量與TLD空氣中吸收劑量的關(guān)系曲線圖

(3)60Co源輻照室模體照射實(shí)驗(yàn)。在60Co源輻照室對模體進(jìn)行人員正面受照射情況模擬和人員背面受照射情況模擬照射，模體正面照射情況如圖2所示，背面照射情況如圖3所示。

圖2 模體正面照射示圖

圖3 模體背面照射示圖

在模體的心臟、腎臟、肝臟、胃、肺及甲狀腺等重要器官放置TLD-LiF(Mg，Ti)劑量計(jì)，每個部位放置兩片TLD，模體照射空氣吸收劑量值為2.7 Gy，照射時的劑量率為129.65 cGy/min。

1.3 TLD測量與蒙特卡羅方法估算器官劑量值的比較

為了驗(yàn)證將TLD布放在模體器官中估算器官劑量的可行性，將TLD測量的器官劑量值與蒙特卡羅軟件估算的器官劑量值進(jìn)行比較[8]。

本研究與李明生等[9]根據(jù)Geant4(歐洲核子中心開發(fā)的通用蒙特卡羅計(jì)算軟件)編寫的器官劑量蒙特卡羅估算程序進(jìn)行器官劑量模擬估算，并對其結(jié)果進(jìn)行比較[10]。該程序可根據(jù)放射源的能量、1 m處的劑量率、照射距離以及照射角度估算器官劑量值。軟件估算界面如圖4所示。

圖4 蒙特卡羅法器官劑量估算程序界面圖

2 結(jié)果

(1)正面照射模擬結(jié)果見表1。

表1 模體正面照射TLD方法測得器官劑量值與蒙特卡羅估算器官劑量值比較

根據(jù)TLD的發(fā)光量可以由刻度曲線得出空氣中的吸收劑量值，由于不同介質(zhì)的質(zhì)能吸收系數(shù)不同其對應(yīng)的吸收劑量不同，故采用國際輻射單位與測量委員會(ICRU)44號報告的組織空氣比可以得到模體中不同器官的吸收劑量(由于無法獲得模體內(nèi)的各種不同組織的組織空氣比，統(tǒng)一用組織空氣比1.102代表模體內(nèi)的不同組織的組織空氣比)，將TLD方法測量得到的器官劑量值與蒙特卡羅模擬估算的器官劑量值進(jìn)行比較，兩者最大相對偏差為-31.3%。

(2)背面照射模擬結(jié)果見表2。

表2 模體背面照射TLD方法測量得到的器官劑量值與蒙特卡羅估算器官劑量值比較

將TLD方法測量得到的器官劑量值與蒙特卡羅模擬估算的器官劑量值進(jìn)行比較，兩者最大相對偏差為-19.3%。

3 討論

實(shí)驗(yàn)中考慮到TLD擺放位置和劑量計(jì)數(shù)量限制以及TLD的測量誤差，實(shí)驗(yàn)測量不確定度粗略估計(jì)在10%以內(nèi)[11-12]。TLD方法測量得到的器官劑量值與蒙特卡羅程序模擬估算的器官劑量值基本一致，相對偏差在±31.3%以內(nèi)。表明在中國人輻照仿真人體模型重要器官內(nèi)布放TLD劑量元件可以作為估算輻照場所受照人員劑量的有效方法。

由于蒙特卡羅程序模擬程序是采用美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory，ORNL)混合模體，其構(gòu)建的器官與人體標(biāo)準(zhǔn)器官的體積和形狀存在一些差異，計(jì)算的器官轉(zhuǎn)換系數(shù)和ICRP 74號報告的轉(zhuǎn)換系數(shù)有一定差別[8]；由于TLD是相對測量方法，其劑量測量的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于刻度方法的準(zhǔn)確性。本研究未細(xì)化不同組織的組織空氣比差別以及不同深度的吸收劑量的差別，有可能導(dǎo)致TLD方法測量得到的器官劑量值與蒙特卡羅模擬估算的器官劑量值存在一定偏差。

本研究利用中國人輻照仿真人體模型模擬60Co源輻照室受照人員正面和背面受照時的器官劑量，該模擬是靜態(tài)模擬研究。由于60Co源輻照室內(nèi)的工作人員是在運(yùn)動的環(huán)境中進(jìn)行搬運(yùn)、裝卸照射物品，如能進(jìn)行動態(tài)模擬將能更好地模擬60Co源輻照室工作人員發(fā)生事故時的真實(shí)受照情況，有待計(jì)劃將仿真人體模型放置于可移動設(shè)備上，通過遙控可移動設(shè)備使得模體處于移動狀態(tài)時再進(jìn)行受照人員的動態(tài)模擬研究。

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