貢文靜，王慧娟

(中國輻射防護研究院，太原 030006)

核設(shè)施排放到環(huán)境中的放射性核素對周圍環(huán)境的影響，需要通過對污染區(qū)域內(nèi)動植物吸收劑量率的估算來評價。非人類物種劑量率的評價方法有兩種：一是利用非人類物種輻射影響評價程序，此方法是將建模方法使用計算機程序整合，收錄主要放射性核素與參考生物，根據(jù)界面指引輸入放射性核素與參考生物參數(shù)，再進行進一步計算得到生物體劑量率等數(shù)據(jù)。目前主要有美國能源部開發(fā)的分級方法中的RESRAD-Biota程序[1]和歐共體開發(fā)的ERICA程序[2]，兩種程序均具有完整的生物輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)庫。二是建立模型，用蒙特卡羅方法模擬粒子沉積能，再通過經(jīng)驗公式計算得到生物體的內(nèi)外照射劑量率值，其中模型有整體簡化模型、簡化解剖學(xué)模型、體素模型以及最近幾年開發(fā)出來的面元模型。本文參照國內(nèi)外對人體和生物建立的劑量學(xué)模型方法，對整體簡化模型、簡化解剖學(xué)模型和體素模型進行介紹和比較。

1 劑量系數(shù)的計算方法

對一定環(huán)境中生物體所受輻射劑量率的計算，要先確定環(huán)境介質(zhì)中的主要放射性核素、生物所受的輻射類型以及輻射能在生物體內(nèi)沉積能量的份額，這樣就可以計算生物體內(nèi)、外照射劑量系數(shù)(DC)，再由生物體體內(nèi)和所處的環(huán)境介質(zhì)中放射性核素活度濃度計算得到生物體內(nèi)、外照射劑量率以及生物體總劑量率。

在三種輻射類型α、β和γ中，α粒子和能量小于10 keV的β粒子在介質(zhì)中的射程很短，在空氣中也就只有幾厘米，所以α和低能β粒子在常規(guī)尺度的生物體內(nèi)部造成內(nèi)照射的能量吸收分數(shù)可以近似為1，對于外照射可以忽略不計。但是，對于非低能β粒子和γ光子來說，他們的射程長，能夠穿透介質(zhì)并且有一定的能量作用范圍[3]，因此需要通過計算機模擬來確定放射性核素在生物體內(nèi)的能量沉積，進而進行生物體劑量率估算。

2 生物輻射劑量率估算模型

2.1 整體簡化模型

整體簡化模型是以放射性核素在體內(nèi)均勻分布為基礎(chǔ)，用簡單的球體、橢球體、柱體、椎體、長方體等二次曲面代替整個生物，通過計算機模擬獲得放射性核素在生物體的能量沉積進而計算得到生物體內(nèi)、外照射的劑量系數(shù)，再根據(jù)生物體內(nèi)、外環(huán)境介質(zhì)的放射性核素活度濃度算出總輻射劑量率，最后對生物效應(yīng)進行評價。圖1為整體簡化模型示意圖。

圖1 整體簡化模型示意圖

整體簡化模型不對生物體的組織器官進行劃分，與實際的生物體差異很大，但是由于其具有模型簡單、容易建模且計算速度快等優(yōu)點，便于對生物體的實際受照情況進行快速估計，因此目前國際上主要生物劑量估算方法(ERICA[2]、FASSET陸生生物[4]、RESRAD-BIOTA[1]、EDEN 2[5]、EPIC DOSE3D[6])均以此為基礎(chǔ)，對不同種生物進行快速劑量估算。

2.2 簡化解剖學(xué)模型

簡化解剖學(xué)模型考慮了生物的組織/器官及內(nèi)部放射性核素活度濃度的不同，可針對生物體內(nèi)核素在某些組織或器官的濃集特征，根據(jù)相應(yīng)的輻射類型和能量計算模型中各組織或器官的沉積能，估算模型的劑量系數(shù)，進而計算生物所受劑量率并對生物所受到的輻射劑量率進行評價。

近幾年國內(nèi)針對簡化解剖學(xué)模型進行了一系列的研究，圖2為國內(nèi)幾位學(xué)者建立的簡化解剖學(xué)模型示意圖。1999年，唐文喬建立了鱸魚簡化解剖學(xué)模型，分割出肌肉系統(tǒng)包括軀干部、臂部和尾部、骨骼系統(tǒng)等多個器官，給出各個器官的能量吸收分數(shù)，得到了模型中各組織器官內(nèi)核素對性腺的劑量率系數(shù)[7]。2008年，姚青山建立了赤麻鴨簡化解剖學(xué)模型，主要研究放射性核素在赤麻鴨肝臟沉積后對周圍靶器官產(chǎn)生的內(nèi)照射，給出了能量吸收分數(shù)，并估算赤麻鴨DC值[8]。2011年，韓學(xué)壘對蛙類建立了簡化解剖學(xué)模型和兩棲類生物生存環(huán)境模型，采用蒙特卡羅粒子輸運過程模擬計算了137Cs的輻射類型對蛙產(chǎn)生的內(nèi)照射，得到了各源器官對靶器官和環(huán)境介質(zhì)對蛙組織/器官的劑量系數(shù)[3]。2011年，李靜晶模擬出鯔魚簡化解剖學(xué)模型，得到了鯔魚組織/器官能量吸收分數(shù)，計算了鯔魚的吸收劑量，將此結(jié)果與同等條件下建立的鯔魚整體簡化模型進行比較，結(jié)果顯示由于生物體內(nèi)部器官對放射性核素的濃集特性，導(dǎo)致簡化解剖學(xué)模型的局部劑量率較高，使得整體簡化模型得出的結(jié)果不如簡化解剖學(xué)模型準(zhǔn)確[9]。2016年，王艾俊建立了龍蝦、鯉魚、河蟹和河蚌的簡化解剖學(xué)模型，采用蒙特卡羅粒子輸運過程模擬計算得到137Cs和90Sr對4種水生生物內(nèi)外照射DC值和內(nèi)外照射劑量率[10]。

圖2 簡化解剖學(xué)模型示意圖

每種參考生物的簡化解剖學(xué)模型，在建模計算過程中都要進行很多具體的簡化假設(shè)，主要包括放射性核素的分布、生物體幾何模型和外照射條件的假設(shè)。放射性核素的假設(shè)主要取決于所獲取的放射性核素在生物體內(nèi)和環(huán)境介質(zhì)中的分布信息。

2.3 體素模型

體素模型為通過CT、MRI等手段獲得序列圖像，通過對斷層掃描圖片進行圖像配準(zhǔn)、器官識別與分割，結(jié)合計算機程序得到大型像素矩陣，同時結(jié)合蒙特卡羅的重復(fù)結(jié)構(gòu)卡，對大型矩陣重新排序，建立體素模型[11]。

體素模型建立初期均應(yīng)用在人體上，對人的劑量學(xué)評價作出了很大的貢獻。圖3為中、韓兩國學(xué)者建立的人體體素模型示意圖。2005年，Choonsik Lee等基于人體MRI和CT兩種方式獲得人體斷層序列圖像，從中分割出29個器官和19個骨骼部位，分別建立了體素模型；基于MRI建立一個無臂人體體素模型，可用于計算機斷層掃描或橫向X光檢查的劑量監(jiān)測，基于CT建立了一個完整人體體素模型并與無臂人體體素模型數(shù)據(jù)形成對照[12]。2007年，張賓全等基于人體斷層解剖圖像建立了中國人體素模型，分割出了29種組織/器官，結(jié)合蒙特卡羅輸運代碼，獲得了中國人人體輻射防護劑量測量初步結(jié)果[13]。2008年，李君利等基于MRI技術(shù)建立了中國男性體素模型，識別和分割出23種組織及器官，使用MCNP模擬計算了空氣中γ光子(能量10 keV～10 MeV)對人體器官吸收劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)[14]。

圖3 人體體素模型示意圖

人體體素模型的發(fā)展已相對比較成熟，近幾年，一些科研工作者將這種劑量率模型應(yīng)用在動物的輻射劑量率評價中，也同樣適用。2005年，Michael G.Stabin等基于CT建立小鼠體素模型，使用MCNP軟件計算了幾種放射性核素劑量轉(zhuǎn)換因子，計算了器官吸收系數(shù)，用于估計動物輻射效應(yīng)敏感性，控制臨床實驗中潛在的輻射毒性[15]。2006年，A.Bitar等基于小鼠冰凍斷層切片解剖圖譜，建立小鼠體素模型，建立劑量相關(guān)數(shù)據(jù)庫，用于臨床靶向放療試驗[16]。2008年，Sakae KINASE基于青蛙斷層解剖圖像，分割出了脾臟、腎臟和肝臟等器官，建立青蛙體素模型，此模型用來評價內(nèi)照射過程中，源器官自吸收的能量分數(shù)[17]。2008年，武力基于小動物成像系統(tǒng)獲得高精度斷層圖像，識別和分割出19種器官和組織，建立大鼠體素模型，使用MCNPX計算了大鼠器官吸收劑量內(nèi)外照射的有效劑量[18]。2010年，張曉敏基于小鼠冰凍斷層切片，識別/分割出了12種組織及器官，建立小鼠體素模型，使用MCNP模擬光子和中子得到小鼠外照射劑量系數(shù)[19]。2012年，E.A.Caffrey等，基于CT斷層掃描圖像建立了珍寶蟹體素模型，識別和分割出殼、鰓、性腺、肝、胰腺和心臟，使用3D-Doctor、Voxelizer和Monte Carlo，計算了12個不同能量的光子和9個不同能量的電子的能量吸收分數(shù)[20]。2015年，王艾俊基于CT斷層掃描序列圖片，建立鯉魚和河蟹體素模型，模擬計算出水中90Sr和137Cs對水生生物的劑量系數(shù)[21]。圖4為上述學(xué)者建立的用于動物的體素模型示意圖。

生物體素模型已應(yīng)用于人體模型、小鼠模型及其他物種器官模型的研究，近年來逐漸運用于非人類物種的輻射劑量率估算，與生物整體簡化模型和簡化解剖學(xué)模型相比，在生物體外形方面，基本與實物相吻合；在生物體內(nèi)部器官(組織)方面，能夠進行準(zhǔn)確地定位以及高精度地建模，最終可對生物體劑量率進行精確計算。

3 模型的比較

表1列出了三種模型在DC計算方法、建模方式、模型基本假設(shè)以及優(yōu)缺點等方面的比較。

表1 三種模型在DC計算方法、建模方式、模型基本假設(shè)以及優(yōu)缺點的比較

對于整體簡化模型，將生物體簡化為一個簡單的柱體或橢球體，假設(shè)放射性核素在這個體內(nèi)均勻分布。這樣的簡化形式節(jié)約時間，成本低，通過已知放射性核素的基本性質(zhì)即可得到放射性核素對生物體的劑量系數(shù)。但是，在整體簡化模型中對生物體的幾何簡化沒有考慮生物復(fù)雜形態(tài)或生物體內(nèi)部器官/組織形態(tài)，且沒有考慮生物體內(nèi)部器官/組織對某些核素的濃集或累積造成生物體內(nèi)局部區(qū)域的劑量偏高。

在簡化解剖學(xué)模型中進行了很多具體的簡化假設(shè)，主要包括放射性核素的分布、生物幾何模型和外照射條件的假設(shè)，考慮了生物體內(nèi)部器官/組織以及放射性核素在器官/組織中的分布情況，在已知放射性核素基本參數(shù)的前提下還要知道器官/組織的基本參數(shù)，對于不同的器官/組織可用不同的幾何形狀進行假設(shè)，同時考慮了生物體所在環(huán)境介質(zhì)的照射幾何條件。相比于整體簡化模型，簡化解剖學(xué)模型更加趨近于真實值。

較簡化解剖學(xué)模型而言，體素模型具有：(1)模型形狀與生物體幾乎一致，尤其對生物體內(nèi)器官或組織能夠進行準(zhǔn)確的定位；(2)不需要人為推導(dǎo)器官或組織的幾何方程，并且模型尺寸的大小可隨體素晶格大小變化而變化；(3)通過計算體素的個數(shù)，可直接得到相關(guān)器官或組織的體積等優(yōu)點。體素模型以其高精準(zhǔn)度逐漸被人們所認可，并且逐漸在非人類物種劑量學(xué)評價中得到運用。

在三種模型中，整體簡化模型適用于單一的環(huán)境介質(zhì)，且所考察的生物體幾何形狀規(guī)則，比如在水環(huán)境下對水生生物或者在某些環(huán)境下對生物卵等進行劑量評價。簡化解剖學(xué)模型適用于內(nèi)照射，考慮生物體內(nèi)部器官/組織時，將內(nèi)部器官/組織簡化為簡單幾何形狀，得到生物體內(nèi)部器官/組織的平均吸收劑量。體素模型可應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物體，可將生物整體和內(nèi)部器官/組織直觀地展現(xiàn)出來。體素模型已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于人體劑量評價中，對于成年男性體素模型的研究已經(jīng)步入成熟階段。在以后的環(huán)境評價中對于復(fù)雜的生物體劑量評價建議采用體素模型進行建模，以求誤差降到最低。

4 小結(jié)

劑量率估算模型是進行生物劑量學(xué)評價的重要基礎(chǔ)。本文通過對整體簡化模型、簡化解剖學(xué)模型和體素模型的建模方式、建模基本假設(shè)和DC估算公式的比較，明確了三種模型的優(yōu)缺點及適用情況。為開展非人類物種劑量學(xué)評價的模型選擇提供了參考。