基于中國輻射虛擬人Rad-HUMAN 的中子劑量轉換系數及分析

程夢云，王 文，范言昌，龍鵬程，胡麗琴

（中國科學院 核能安全技術研究所，中國科學院 中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥 230031）

中子外照射是核設施、高能加速器等場所常見的一種輻照。中子通過物質時具有很強的穿透能力，對人體產生的危險較相同劑量的X 射線、γ射線更嚴重，人體受過量的中子輻射后，腸胃和胸腺會嚴重損傷，誘導腫瘤的生物效應高，并易導致早期死亡［1］。然而由國際放射防護委員會（ICRP）定義的防護量（當量劑量和有效劑量）不能被直接測量，須利用器官劑量轉換系數計算得到，中子外照射劑量轉換系數是評價人員中子劑量的基礎性數據。ICRP建議用人體模型計算輻射場中組織或器官的劑量轉換系數，通過轉換系數得到工作人員所接受的劑量［2］。

1996年，在ICRP 74號出版物［3］中，定義了6種外照射參考輻射場，給出了在這些參考輻射場中器官劑量轉換系數的推薦值。這些推薦值是綜合了幾個數學模型的計算結果，這些模型的體表和內部組織器官用簡單的數學公式來描述，由一些長方體、橢圓或圓柱組成。

在ICRP 103號出版物［4］中正式提出采用體素模型計算內外照射的基礎數據。2012年3月份發布的ICRP 116號出版物推薦的劑量轉換系數是根據參考模型ICRP AF／AM［5］重新模擬計算給出的。但這個模型的相關數據均是根據西方人群調查得來的，與中國人體存在較大差異，這種解剖學差異會直接影響輻射劑量的結果。

中國科學院核能安全技術研究所FDS團隊已建立了基于我國人體解剖數據的成年女性輻射虛擬人模型Rad-HUMAN。本文擬利用該輻射虛擬人的體素模型計算在外照射參考輻射場中器官的中子劑量轉換系數，并與ICRP 74號、ICRP 116號出版物推薦值進行比較。

1 人體模型及其在蒙特卡羅程序中的實現

1.1 Rad-HUMAM 模型簡介

中國高精度輻射虛擬人Rad-HUMAN 是由FDS團隊自主構建的，用于輻射防護、放射醫療等應用的輻射虛擬人模型［6-11］。該模型利用第三軍醫大學采集的中國數字化可視化人體數據集（CVH2）［12］，通過手工分割高分辨率全身彩色切片，利用三維重建技術構建而成。CVH2為女性數據集標本，指標為：年齡22歲、身高162cm、體重54kg、體型勻稱，非器質性疾病死亡。彩色切片圖像分辨率為3 072×2 048，頭頸部切片層間距為0.25 mm，其余部位層間距為0.5mm，全身共計3 641個斷面。

由專業人員歷時約半年對人體46個器官進行了精確分割，基本覆蓋了ICRP 103 號出版物中規定的輻射敏感的器官或組織（表1）。應用FDS團隊自主研發的多物理耦合分析自動建模軟件SuperMC／MCAM［13-23］構建高精度中國成年女性輻射虛擬人模型Rad-HUMAN。Rad-HUMAN的體素大小為0.15mm×0.15mm×0.5mm，體素數目約288億個。部分器官或組織的三維模型如圖1所示。

表1 Rad-HUMAN器官或組織名稱Table 1 Organ and tissue names of Rad-HUMAN

圖1 Rad-HUMAN 的三維模型Fig.1 3-D model of Rad-HUMAN

1.2 蒙特卡羅模擬計算

為滿足物理計算的要求，除建立Rad-HUMAN幾何模型外，還利用FDS團隊自主研發的SuperMC／MCAM 軟件建立了用于輻射輸運計算的計算模型，其中密度主要來源于ICRP 89 號出版物，組織成分主要來源于ICRU 44號報告［24］。該計算模型用統一的符號U 標志屬于各器官或組織的所有體素，并采用重復結構描述每個體素的位置。

Rad-HUMAN 包含的體素數目多達288億個，如此巨大的體素數目對計算機的內存和運算速度是個很大的挑戰。本文對Rad-HUMAN的體素進行了合并處理，計算時采用的體素大小為3mm×3mm×3mm，合并后的體素數目約為700萬個（164×79×539）。

在實際環境中，人體所受的照射與源分布、方向角有密切關系。在劑量評估中通常對人體所受照射幾何條件劃分為6 類［25］：前向照射（AP）、背向照射（PA）、左側照射（LLAT）、右側照射（RLAT）、旋轉照射（ROT）和各向同性照射（ISO）。上述定義的幾何條件都是理想化的，但可作為對真實照射條件的近似，如AP、PA、LLAT、RLAT 等幾何條件可認為是對一些由單個源所產生的輻射場和一些特定的身體取向情況下的近似。此外，旋轉幾何條件可認為是受到廣泛散布的平面源照射的一種近似；當人體浸沒在放射性氣體中時則可近似為各向同性照射幾何條件。

本文采用的模擬計算程序是超級蒙特卡羅核 計 算 仿 真 軟 件 系 統SuperMC［26-27］，采 用mode N，P 模式，計數方式采用T6：N，P，記錄中子、次級光子所沉積的能量，采用的截面數據庫 為HENDL3.0 庫［28］。分 別 針 對AP、PA、LLAT、RLAT、ROT 和ISO 6 種參考輻射場，10-9～20 MeV 范圍內的20 個能量點，Rad-HUMAN 體素模型的46 個器官，共計算了5 520組中子外照射劑量轉換系數。

2 計算結果與分析

2.1 器官中子劑量轉換系數對比

對Rad-HUMAM 器官中子劑量轉換系數與ICRP 74［3］和ICRP 116號出版物［29］的推薦值進行了對比。ICRP 116號出版物中的中子劑量轉換系數是基于ICRP-AF 女性模型得到的，ICRP 74號出版物中的是基于數學模型得到的。幾種模型的參數對比列于表2。

表3列出了ICRP 103號出版物推薦的組織權重因子。由表3可看出，紅骨髓、結腸、肺、胃、乳腺的輻射權重因子最高。本文對乳腺、胃、肺幾種典型器官的劑量轉換系數進行比較，其中乳腺為靠近人體前部的器官，選取AP、PA參考輻射場進行對比；胃為左右不對稱的器官，選取LLAT、RLAT 參考輻射場進行對比；肺為左右對稱的器官，選取LLAT、RLAT 參考輻射場進行對比。

表2 幾種模型的參數對比Table 2 Parameters comparison of several models

表3 ICRP 103號出版物推薦的組織權重因子Table 3 Tissue weight factor recommended by ICRP 103publication

1）乳腺的中子劑量轉換系數比較

在AP、PA 照射方式下，Rad-HUMAN、ICRP 74號出版物、ICRP 116號出版物中乳腺的中子劑量轉換系數的對比如圖2所示。由圖2可見，三者數據總體上較為吻合，且可明顯看出三者在AP照射方式下的中子劑量轉換系數明顯高于PA 照射方式的，這是因為乳腺在人體中的位置偏靠前。

2）胃的中子劑量轉換系數比較

在LLAT、RLAT 照射方式下，Rad-HUMAN、ICRP 74號出版物、ICRP 116號出版物中胃的劑量轉換系數對比如圖3所示。由圖3可明顯看到在LLAT 照射方式下胃的劑量轉換系數明顯大于RLAT 照射方式下的，這是由于胃位于人體左側。此外由于胃靠近人體左側，Rad-HUMAN 相較于ICRP 出版物采用的模型偏瘦，因此在RLAT 照射方式下，與ICRP 74號出版物、ICRP 116號出版物的差異更明顯。在LLAT 照 射 方 式 下，Rad-HUMAN 胃 的 劑 量轉換系數較ICRP 116 號出版物的小17%左右，而在RLAT 照射方式下，Rad-HUMAN胃的劑量轉換系數較ICRP 116 號出版物大36%左右。這可能是由于Rad-HUMAN模型中胃的位置相對于ICRP 116號出版物的偏右側造成的。

3）肺的中子劑量轉換系數比較

在LLAT、RLAT 照 射 方 式 下，Rad-HUMAN、ICRP 74 號 出 版 物、ICRP 116 號 出版物中肺的中子劑量轉換系數對比如圖4所示。由圖4可見，三者數據總體上較為吻合；在LLAT 和RLAT 照射方式下，肺的中子劑量轉換系數曲線趨勢一致，且無明顯差異，說明肺是左右對稱的器官。

圖2 AP和PA 照射方式下乳腺的中子劑量轉換系數對比Fig.2 Comparison of neutron dose conversion coefficients for breast in AP and PA geometries

圖3 LLAT 和RLAT 照射方式下胃的中子劑量轉換系數對比Fig.3 Comparison of neutron dose conversion coefficients for stomach in LLAT and RLAT geometries

圖4 LLAT 和RLAT 照射方式下肺的中子劑量轉換系數對比Fig.4 Comparison of neutron dose conversion coefficients for lung in LLAT and RLAT geometries

2.2 有效劑量對比

有效劑量是表示在多個器官或組織同時受照時，輻射對人體的總危害。有效劑量定義如下：

式中：WT為器官或組織T 的組織權重因子；HT為器官或組織所受的當量劑量；WR為粒子輻射權重因子；DT，R為器官或組織的平均劑量。

2007年出版的ICRP 103號出版物取代了沿用多年的ICRP 60號出版物，降低了低能中子的輻射權重因子，圖5 示出了ICRP 60 和ICRP 103號出版物的中子輻射權重因子。由圖5可明顯看出，在能量低于1 MeV 時，中子輻射權重因子降低了很多。Rad-HUMAN 和ICRP 116號出版物在計算中子有效劑量時采用的是ICRP 103號出版物給出的中子輻射權重因子，ICRP 74號出版物在計算中子有效劑量時采用的是ICRP 60 號出版物給出的中子輻射權重因子。

圖5 中子輻射權重因子隨能量的變化Fig.5 Change of radiation weight factor with neutron energy

有效劑量是一種性別平均，利用某一性別模型計算得到的不能稱之為有效劑量（effective-dose），有研究人員稱之為“Effectivefemale／male-dose”。本文采用該名稱，下文提到的Rad-HUMAN 有效劑量，均指“Effectivefemale／male-dose”。

表4列出了Rad-HUMAM 在6 種照射方式、20個能量對應的有效劑量。從表4可看出，AP照射方式下的有效劑量明顯大于其他5種照射方式的，主要原因在于大部分對有效劑量有貢獻的器官均位于身體前部。側向照射方式的有效劑量較小，主要原因在于位于兩側的胳膊和側向較長的軀干延長了粒子到達器官的距離，使得器官吸收的劑量較小。在ROT 和ISO 照射方式下粒子是均勻發出的，其有效劑量介于其他照射方式值之間。

圖6為Rad-HUMAN、ICRP 74號出版物和ICRP 116 號出版物的中子有效劑量對比。由于ICRP 74 號 出 版 物 采 用 的 是ICRP 60 號出版物給出的權重因子，導致中子能量低于1 MeV時，ICRP 74 號出版物的有效劑量明顯高于Rad-HUMAN 和ICRP 116號出版物的。除RLAT 外，Rad-HUMAN 的有效劑量均小于ICRP 116 號出版物的。在PA、LLAT 和ISO 照 射 方 式 下，Rad-HUMAN 和ICRP 116號出版物的吻合較好（＜8%）。在RLAT 和ROT 照射方式下存在較大的差異，最大差異可達33%。

表4 不同照射方式、能量下的Rad-HUMAN有效劑量Table 4 Effective dose for Rad-HUMAN under various irradiation geometries and energies

圖6 Rad-HUMAN、ICRP 74號和ICRP 116號出版物中的中子有效劑量對比Fig.6 Comparison of neutron effective dose for Rad-HUMAN，ICRP 74and ICRP 116

ICRP 116 號 出 版 物 采 用 的ICRP 成 年 女性參考人是基于高加索人種的，其與中國人在解剖結構等方面存在較大差異，上述有效劑量的差異可能是由于ICRP 參考人與Rad-HUMAN模型間的個體差異所致。相較于ICRP 116 號 報 告 推 薦 數 據，Rad-HUMAN 更適合用于中國人的輻射防護實際工作，能從一定程度上提高劑量估算的準確度。

3 結論與展望

利用中國輻射虛擬人模型Rad-HUMAN和蒙特卡羅程序模擬了單能中子在6種照射方式（AP、PA、RLAT、LLAT、ROT、ISO）和20種不同能量（10-9～20 MeV）下在人體內的輸運過程，得到了一套中國成年女性的器官中子劑量轉換系數庫和有效劑量值。

將計算結果與ICRP 74、116 號出版物推薦值進行了對比分析。對于某些器官和照射條件，三者的中子劑量轉換系數結果較一致；但在某些照射條件下，基于Rad-HUMAN 的結果和ICRP74、116 號出版物推薦值存在較大差異，如 在RLAT 照 射 方 式 下，Rad-HUMAN 胃的劑量轉換系數較ICRP 116的大36%左右。除RLAT 照射方式外，Rad-HUMAN 的有效劑量 均 小 于ICRP 116 的，在PA、LLAT 和ISO 照射方式下，兩者吻合較好，在RLAT 和ROT 照射方式下存在較大差異，最大差異達33%。由于中國人個體與ICRP參考人之間的差異，基于中國輻射虛擬人Rad-HUMAN 的中子劑量轉換系數和有效劑量與ICRP出版物的有一定差異。本文提供的中子劑量轉換系數庫和有效劑量值為精確定量計算中國成年女性的中子外照射劑量提供了參考數據。

本工作是在FDS 團隊進行的，感謝FDS團隊其他成員提供的各項幫助和支持。

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