人体体型对光子和质子照射中辐射防护剂量评估的影响

摘要

可计算人体模型是反映人体解剖结构并包含了各器官和组织物理属性的计算机模型，已被广泛的用于电离辐射剂量计算。参考人模型作为常用的可计算人体模型，是代表具有某一人群的中位数体型参数的人体模型，多个国家都依据该国的体型统计数据构建了对应的参考人模型。但是由于人体体型具有相当大的个体化差异，相同辐射环境中不同体型的人体所受辐射剂量可能存在相当大的区别。在实际的辐射剂量评估中，仅采用参考人模型可能会与真实人体所受辐射剂量存在较大的差异。因此研究不同体型的可计算人体模型，评估体型变化对各器官所受辐射剂量的影响，对减少辐射剂量计算误差、制定更为全面的辐射防护方案具有重要的科学意义。
　　本研究在已构建的三套分别代表偏瘦、正常和偏胖体型的中国男性可计算人体模型的基础上，修正了各模型体内的脂肪含量，并对红骨髓组织进行精细分割，分别将这三套改进后的人体模型应用于光子和质子的均匀辐射场以及医疗辐射场中，评估体型对于人体内电离辐射剂量分布的影响。主要研究内容如下：
　　（1）在已有人体模型的基础上，将对电离辐射敏感的红骨髓进行精细划分，并且依据脂肪成分的预测模型修正了对辐射粒子有衰减和散射作用的脂肪组织的体积。优化后的可计算人体模型内的脂肪含量和红骨髓成分符合目前中国文献和标准中提供的参考值，提高了电离辐射剂量计算的准确性，并且为红骨髓剂量评估提供了可行性。
　　（2）将三套不同体型的中国男性人体模型应用于不同能量、不同照射方向的光子和质子均匀辐射场中，计算和对比了各模型体内各器官、各部位骨骼中的红骨髓以及有效剂量的剂量转换系数，详细的分析了体型对于人体内剂量分布的影响，并揭示了目前辐射防护标准中提供的剂量转换系数可能会低估偏瘦人群所受辐射剂量，以及全身红骨髓平均剂量转换系数可能会低估某些特定部位骨骼中红骨髓所受辐射剂量。质子辐射场中体型对于人体辐射剂量的影响相对于光子辐射场更为显著，体型的差异可能会导致人体辐射剂量的差异达到100％以上。
　　（3）质子治疗目前在我国处于大力发展的初级阶段，本研究构建了一套可用于可计算人体模型的质子笔形束剂量算法和质子治疗放疗规划算法，并对三套不同体型的中国男性模型的前列腺癌质子治疗进行仿真，计算和对比了质子治疗中体内中子的产额以及剂量分布。本研究发现质子治疗中体型偏瘦的人群体内次级粒子的产额较低，对正常器官的辐射剂量也较低，因此本研究建议患者在接受前列腺癌质子治疗之前可以适当的减轻体重。
　　（4）放疗过程中器官的形变和位移会导致剂量分布的严重偏移，本研究采用有限元分析法构建了一系列不同体积膀胱下的盆骨部位各器官的模型，验证了有限元分析法预测软组织形变和位移的可行性。然后将这套具有不同体积膀胱的人体模型应用于前列腺癌放疗的模拟中，评估了膀胱体积发生变化时对于膀胱壁和肠所受辐射剂量的影响。剂量结果表明，排空膀胱配合较小的放疗计划靶区外扩边界，可以达到与充满膀胱后对膀胱壁和肠的类似的保护效果，但是排空膀胱有助于保持靶区位置的稳定性，因此本研究建议前列腺癌放疗之前让患者排空膀胱以同时兼顾肿瘤控制率和正常组织并发症发病概率。
　　本研究将符合中国统计数据的不同体型人体模型应用于电离辐射剂量评估中，计算得到了大量的均匀辐射场中不同体型人体所受到的辐射剂量数据，发现了目前仅靠参考人模型建立起来的辐射防护体系的不足，为个性化的辐射防护方案提供了数据支持，也为红骨髓的辐射防护提供了支持；另一方面，本研究为医疗辐射中辐射剂量的评估提供了前瞻性的模拟数据，本研究中构建的质子治疗计划算法，更进一步的结合质子治疗设备模型，有望为质子治疗技术在国内的发展提供帮助。

目录

声明

1 绪论

1.1电离辐射剂量的评估体系

1.2蒙特卡罗方法

1.3可计算人体模型的研究进展

1.4不同体型的人体模型在电离辐射剂量评估中的应用

1.5选题背景与研究内容

1.6论文结构

2不同体型中国人体模型的改进

2.1 引言

2.2 中国参考人骨骼系统的精细模型

2.3 不同体型中国人体脂含量的调整

2.4 小结

3体型对剂量转换系数的影响

3.1 引言

3.2 蒙特卡罗模拟

3.3 光子辐射场

3.4 质子辐射场

3.5 小结

4前列腺癌质子治疗中体型对中子污染的影响

4.1 引言

4.2 质子治疗中的放疗计划算法

4.3 质子治疗的蒙特卡罗模拟

4.4 不同体型人体内的中子产额与剂量分布

4.5 小结

5前列腺癌放疗中膀胱形变对器官剂量的影响

5.1 引言

5.2 器官的形变与位移

5.3 直线加速器和放疗模拟

5.4 不同膀胱体积和不同靶区范围对周围器官剂量的影响

5.5 小结

6总结与展望

6.1 主要研究内容与结论

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2光子照射下DCRM模型各器官的剂量转换系数

附录3光子照射下DCRM模型各部位红骨髓的剂量转换系数

附录4质子照射下DCRM模型各器官的剂量转换系数

附录5质子照射下DCRM模型各部位红骨髓的剂量转换系数

附录6全文缩写表