一种可用于实时测量有效剂量的监测方法及装置

摘要

本发明属于辐射剂量监测技术，具体涉及一种可用于实时测量有效剂量的监测方法及装置。该方法通过制作仿真人体的器官或组织模型，并使用计算机通过蒙特卡罗模拟计算，计算出器官或组织模型中多个点的吸收剂量值，得到平均值；然后，找到在器官或组织模型中的吸收剂量值与计算所得到的平均值相同的点；将探测器放于器官或组织模型所对应的点上，其测量结果代表该器官或组织的平均吸收剂量D

说明书

技术领域

本发明属于辐射剂量监测技术，具体涉及一种可用于实时测量有效剂量 的监测方法及装置。

背景技术

随着我国核电厂的增多以及核技术的广泛应用，接受电离辐射的工作人员 逐年增多，人们越来越重视辐射防护的工作。在辐射防护实践中，进行测量和 计算的一个主要目的是为了定量的说明个人实际受到或可能受到的辐射照射， 因而需要涉及到对受照个人相关的辐射量，进而推算出辐射对人造成的危险大 小。

辐射防护的三原则是防护正当性、最优化及剂量限值，国家相关标准在规 定剂量限值时使用的量是有效剂量。但是到目前为止，有效剂量还只是应用于 辐射防护管理的一个基本概念，并不能实时的测量出来。有效剂量E定义为：

$E=\underset{T}{\Sigma }{w}_T{H}_T=\underset{T}{\Sigma }{w}_T\underset{R}{\Sigma }{w}_R{D}_{T,R}---\left(1\right)$

w_T是组织或器官T的权重因子，w_R是辐射R的权重因子，D_T,R是组织或器官T内 的平均吸收剂量。

人体组织或器官T内的平均吸收剂量D_T,R是很难测量出的，目前没有形成有 效剂量实时测量技术，为了实施辐射防护剂量限值管理，一般采用实用量（如 Hp(10)等量）估计。根据ICRP相关出版物及国内外研究表明，在一些辐射场所 中，两者的差距较大，这给有效实施个人剂量限值及辐射防护最优化带来很大 的困扰。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种可用于实时测量有效 剂量的监测方法及装置，从而能够在含电离辐射的工作场所中直接测量出有 效剂量。

本发明的技术方案如下：一种可用于实时测量有效剂量的监测方法，首 先制作仿真人体的器官或组织模型，并使用计算机通过蒙特卡罗模拟计算， 计算出器官或组织模型中多个点的吸收剂量值，得到平均值；然后，找到在 器官或组织模型中的吸收剂量值与计算所得到的平均值相同的点；将探测器 放于器官或组织模型所对应的点上，其测量结果代表该器官或组织的平均吸 收剂量D_T,R；最后，利用有效剂量E的计算公式，结合器官或组织的权重因子w_T以及辐射权重因子w_R的选取值，计算得到人体的有效剂量。

一种可用于实时测量有效剂量的监测装置，包括仿真人体模型、多路探 测器系统和计算机，其中，所述的多路探测器系统由多路探测通道和数据采 集处理单元组成，每一路探测通道包括置于仿真人体模型内的塑料闪烁体， 所述的塑料闪烁体通过光纤与光电倍增管连接，光电倍增管通过前置放大器 连接数据采集处理单元；所述的数据采集处理单元与用于蒙特卡罗模拟计算 和有效剂量计算的计算机连接。

进一步，如上所述的可用于实时测量有效剂量的监测装置，其中，在所 述的塑料闪烁体与光纤之间设有第一圆锥形光导，塑料闪烁体与第一圆锥形 光导的圆形底面之间设有第一连接层；在所述的光纤与光电倍增管之间设有 第二圆锥形光导，光电倍增管与第二圆锥形光导的圆形底面之间设有第二连 接层。

更进一步，所述的第一连接层和第二连接层的材料为甲基硅油，所述的 第一圆锥形光导和第二圆锥形光导的材料为PMMA。

进一步，如上所述的可用于实时测量有效剂量的监测装置，其中，所述 的塑料闪烁体外设有黑色的聚乙烯树脂层，在聚乙烯树脂层与塑料闪烁体之 间设有铝箔。

进一步，如上所述的可用于实时测量有效剂量的监测装置，其中，所述 的第一圆锥形光导和第二圆锥形光导外分别设有黑色的聚乙烯树脂层，在聚 乙烯树脂层与第一圆锥形光导或第二圆锥形光导之间设有铝箔。

本发明的有益效果如下：本发明利用人体模型制作技术、蒙特卡罗模拟技 术以及光纤探测技术，形成能够实时测量有效剂量的方法。由该方法形成的装 置由人体模型、多路探测器系统及计算机组成，可应用在电离辐射的场所中， 直接测量出工作人员受到的有效剂量，为实施辐射防护最优化带来极大便利。

附图说明

图1为本发明监测装置的结构示意图；

图2为探测通道的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施过程对本发明进行详细的描述。

随着我国核电厂的增多以及核技术的广泛应用，接受电离辐射的工作人员 逐年增多，人们越来越重视辐射防护的工作。有效剂量作为辐射防护的基本量， 是实施个人剂量限值和辐射防护最优化的基础，因为实时测量有效剂量涉及的 技术复杂，且难度大，目前还没有实时测量有效剂量的仪器。本发明提供一种 方法及装置，可在含电离辐射的工作场所中直接测量出有效剂量。

根据背景技术中的公式（1），实时测量有效剂量的难点在于人体组织或器 官T内的平均吸收剂量D_T,R不容易实时测量。为了解决有效剂量实时测量的难题， 首先要实现D_T,R的实时测量。

吸收剂量定义为电离辐射给予单位质量物质的平均授予能，在能量和注量 分布相同的辐射情况下，对于同样体积但是不同材质的物质，其吸收剂量是不 一样的。测量出人体组织或器官T内的平均吸收剂量D_T,R主要有两个难题：

1）直接去人体组织或器官内测量不现实；

2）吸收剂量是针对某一点而言的，想要得到组织或器官的平均吸收剂量， 需要测量多点的吸收剂量，然后得到平均值，测量工作量非常的大。

为了解决问题1），可使用仿真人体模型，然后将探测器放于人体模型中的 仿真的器官或组织内，可以得到人体组织或器官内的吸收剂量。目前人体模型 制作技术已较为成熟，仿真的器官或组织，在组织等效程度上已基本和人体情 况相同，采用这一方法测量人体组织或器官内吸收剂量的准确度可以得到保证。

为了解决难题2），采用代表点的方法。即找处器官或组织内某一点，这个 点上的吸收剂量值和平均吸收剂量值相等。随着蒙特卡罗模拟技术的发展，模 拟计算结果可以做到非常精确。所以采用蒙特卡罗方法寻找代表点是可以信赖 的。首先使用计算机建立人体模型，通过蒙特卡罗模拟计算，计算出器官或组 织中许多点的吸收剂量值，得到平均值后，找出吸收剂量值与平均值相同的点。 找到这个点后，将探测器放于器官或组织的这一点上，其测量结果就代表着这 个器官或组织的平均吸收剂量D_T,R。

对于不同的辐射，根据测量出的人体器官或组织的平均吸收剂量D_T,R，结合 表1和表2的数据，再利用公式（1）可以直接得到有效剂量。

表1人体器官或组织的权重因子w_T

*来源于ICRP103号报告

表2辐射权重因子w_R

*来源于ICRP103号报告

$w_R=\left(\begin{array}{cc}2.5+{18.2e}^{-{\left[\ln \left(E_n\right)\right]}^2/6},& E_n<1\mathrm{MeV}\\ 5.0+{17.0e}^{-{\left[\ln \left({2E}_n\right)\right]}^2/6},& 1\mathrm{MeV}\le E_n\le 50\mathrm{MeV}\\ 2.5+{3.25e}^{-{\left[\ln \left({0.04E}_n\right)\right]}^2/6},& E_n>50\mathrm{MeV}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，En为中子的能量，即中子的辐射权重因子w_R与中子的能量有关。

如图1所示，依靠本发明提供的测量方法，形成的测量装置由仿真人体模 型、多路探测器系统和计算机组成。其中多路探测系统由多路测量通道和数据 采集处理单元组成。每一路探测通道由塑料闪烁体、传输光纤、光电倍增管、 前置放大器组成。

仿真人体模型中，根据表1组织权重因子的情况，组织权重因子较大的组 织或器官，其仿真程度要高，包括红骨髓，结肠，肺，胃，乳房，性腺，膀胱， 食道，肝，甲状腺。对组织权重因子较小的组织或器官如骨表面，大脑，唾腺， 皮肤，w_T仅为0.01，连同身体其他部分，制作时可使用组织等效材料，在仿真 人体模型中不必区分出来。

为了能够准确的测量出仿真人体模型中组织或器官的吸收剂量，探测系统 应该具备很高的灵敏度。多路探测系统共有28个测量通道和1个数据采集处理 单元，每1路探测通道由塑料闪烁体、传输光纤、光电倍增管、前置放大器组 成。探测通道的结构见图2。图2中1为塑料闪烁体，2和6为连接层，3和5 为圆锥型光导，4为传输光纤，7为光电倍增管。连接层的材料为甲基硅油，光 导材料为PMMA。

测量通道这样设计的优势在于：塑料闪烁体可以做的很小，体积为6cm³的 圆柱体，方便置于人体器官和组织内，以测量人体某个器官或组织的吸收剂量， 产生的光子信号经由光纤传至体外进行信号处理，光纤长为3m。这样就实现了 人体内吸收剂量的测量。

探测器在仿真人体模型中的分布情况如下：

（1）红骨髓，结肠，肺，胃，乳房，性腺，膀胱，食道，肝，甲状腺各放 置2个探测器。

由于这几个器官或组织的组织权重因子较大，探测器只能放在器官或组织 内有限的一些位置上。这样就找不到与平均值完全相同的那个点，即一个点上 的值不足以代替平均值，使用一个点的值会有较大的误差，因此，使用两个点 的平均值来代替整个器官或组织的平均值更为准确。

像肺，性腺，乳房，肝，甲状腺在人体内各有2个，2探测器分别放在左右 器官上面。红骨髓，结肠，胃，膀胱，食道在体内所占体积较大，2个探测器放 在器官内不同的2个点上。

（2）在脊柱骨表面，大脑，唾腺，和胸部皮肤各放置1个探测器，双腿及 双臂肌肉处各放置1个探测器。

总共需要28个探测器，形成28个测量通道，这28路信号可由1个数据单 元统一处理后，得到每个探测器的脉冲计数，这个脉冲计数与探测器所在人体 器官或组织的吸收剂量是成正比关系的，比例系数经过刻度实验可以得到，这 样根据计数可以得到探测器所在器官或组织的吸收剂量，再根据公式（1）就可 得到有效剂量。由脉冲计数得到有效剂量这个计算过程是由计算机完成的，有 效剂量结果被输出至显示器显示。

测量通道选用塑料闪烁体，是因为塑料闪烁体的元素组成和密度与人体软 组织近似相同，在辐射防护中，认为塑料闪烁体具备良好的组织等效性，其剂 量效应与人体组织近似。γ射线等电离辐射进入塑料闪烁体后，使闪烁体原子 激发，激发的原子在退激时产生闪烁光子，即可见光。可见光经过连接层和光 导被光纤收集起来，然后闪烁光子经过光纤传输，被光导和连接层收集至光电 倍增管的光阴极，通过光电效应产生光信号，被后继电子学系统处理分析。

塑料闪烁体外面包有黑色的聚乙烯树脂和铝箔，聚乙烯树脂位于最外层， 用于吸收外界打到闪烁体的可见光，防止可见光进入闪烁体；铝箔位于聚乙烯 树脂层内，紧贴闪烁体作为反射层，用以加强边界上闪烁光子的反射，减少闪 烁光子射出闪烁体的比例，提高信号的强度。

连接层使用甲基硅油，用以减少闪烁光子在界面发生全反射，增加闪烁光 子的收集效率。光导为PMMA材料，做成圆锥型，用于将闪烁体的光子收集到光 纤，其外层和塑料闪烁体一样，包有一层铝箔和黑色聚乙烯树脂。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。