中国孕妇曲面辐射剂量模型的构建及外照射剂量学研究

Construction of a Surface Radiation Dose Phantom and External Exposure Dosimetry Study for Pregnant Women in China

摘要: 本文基于六个月孕妇MRI图像集并结合中国参考人数据，通过Matlab对图像进行预处理操作，使用手动分割和自动分割相结合的方法建立三维初始器官模型，再对初始器官进行优化并且生成NURBS曲面，通过逆向工程三维实体建模技术并依据解剖学分布数据对其进行装配构建起中国孕妇的曲面体模BREP-P6。该模型包含30多个器官，胎儿主要的构建部分有大脑、骨骼及软组织部分。分别计算了在五种不同标准入射条件下体外中子源(10⁻⁹ MeV~20 MeV)所致孕妇曲面模型中胎儿剂量转换系数，并将其结果跟RPI-P6模型进行对比。在五种入射条件下，随着中子源能量的增加，吸收剂量转换系数在两种模型的增长趋势基本一致，在10⁻⁹ MeV~1 MeV能量区域内，系数增长缓慢且误差较小，在1 MeV~20 MeV能量区域内，该系数增长较快。吸收剂量转换系数随着光子能量的增加，呈现正增长趋势。

Abstract: In this paper, based on a six-month MRI image set of pregnant women and combined with Chinese reference human data, we used Matlab to pre-process the images, combined manual segmentation and automatic segmentation to build a 3D initial organ model, then optimized the initial organs and generated NURBS surfaces, and assembled them by reverse engineering 3D solid modeling tech-niques and based on anatomical distribution data to build surface model BREP-P6. The model con-tains more than 30 organs, and the main parts of the fetus are brain, bone and soft tissue. The fetal dose conversion coefficients in the surface model of pregnant women due to in vitro neutron sources (10⁻⁹ MeV~20 MeV) were calculated under five different standard incidence conditions, and the re-sults were compared with the RPI-P6 model. Under the five incident conditions, the growth trends of the absorbed dose conversion coefficients with increasing neutron source energy are basically the same in both models, with slow growth and small errors in the 10⁻⁹ MeV~1 MeV energy region and faster growth in the 1 MeV~20 MeV energy region.

1. 引言

在辐射防护、医学成像和放射治疗等领域，利用解剖学和计算机构建人体计算机模型进行辐射剂量评估一直是研究者们常用的研究方法 [1] 。有些研究已经表明妇女在进行胸腹部CT检查时，过量吸收和累积X射线会增加诱发乳腺癌、宫颈癌等疾病的风险 [2] 。据估计，每年有成千上万的妊娠患者接受CT检查，在接受CT检查的全体妇女中，约有不到1%的人群为孕妇 [3] 。近年来，随着生活水平的提高以及现代科技的快速发展，民众对于辐射敏感人群(孕妇、胎儿、儿童及育龄妇女)所受辐射剂量的关注度越来越高 [4] 。从二十一世纪以来，国内外学者们对孕妇计算机剂量模型的建立以及辐射剂量问题的研究呈上升趋势。在辐射防护领域，利用人体解剖学模型计算辐射剂量一直是辐射防护、医学成像和放射治疗领域的一个重要课题，人体计算模型能用来解决许多关于辐射剂量学中的问题 [5] 。国际上对于孕妇这类辐射敏感人群的曲面模型的构建以及辐射剂量的研究相对非辐射敏感人群来说较少 [6] ，其中以中国人解剖学及图像数据构建的孕妇曲面模型还未有相关研究和报道。得到中国孕妇可靠的、准确的数据图像并且基于图像数据建立一组中国孕妇辐射剂量模型并且提出特定的辐射防护方案是非常有必要的，尽可能的避免电离辐射对胎儿的影响。

本文使用了一种基于边界表示(Boundary Representation, BREP)的实体几何构造方式，参考GBZ/T 200.2以及ICRP89号出版物中子宫及胎儿部分数据，并结合多组真实磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)图像集模拟怀孕后被挤压的器官位置及形态特征。构建了一个孕期为六个月的中国孕妇及胎儿模型(以下简称BREP-P6)，并在五种不同标准入射条件下体外中子源(10⁻⁹ MeV~20 MeV)所致孕妇曲面模型中胎儿剂量转换系数，并将其结果跟RPI-P6模型进行对比。

2. 材料与方法

2.1. 图像的获取

常见的图像采集工具有CT、MRI、超声成像、X射线和核医学显像等 [7] 。由于不能对孕妇采取放射性医学检查即CT扫描，本研究结合成像分辨率、成像质量等信息，确定采取的成像工具为MRI。为了使得所建立的孕妇模型具有代表性，选择孕期为六个月的受检者图像。所用MRI影像集来自于复旦大学附属妇产科医院的一名成年孕妇的产前检查。该女子年龄为27岁，孕周26周4天，并在扫描前签署了知情同意书。采集设备为PHILIPS 公司的Ingenia CX 3.0T，图像集由841张DICOM格式的图像组成。层厚4 mm，分辨率560 × 560，图像储存格式均为DICOM。图1显示该孕妇的矢状面、横断面和冠状面的图像。

Figure 1. Different cross-sectional views of the pregnant women

图1. 孕妇的不同截面视图

2.2. 中国孕妇曲面模型的建立

首先在Matlab中对图像集进行了预处理操作，将处理好的图像导入到Mimics Medical 20.0中，利用自动和手动分割勾画器官轮廓相结合的方法，对器官或组织进行三维重建操作，本研究采取PM模型和NURBS曲面模型结合的方法构建初始器官模型。再进行初始器官装配，本研究使用手动胎儿装配方式，具体装配方法为：先将建立的胎儿脊柱、脑和软组织部分导入到Rhinoceros7中进行装配，装配时按照二维图像结构进行配准，再将装配好的胎儿插入子宫模型中，将子宫模型和胎儿看作一个整体单元；将胎儿整体单元手动装配进母体时，首先我们将在MRI图像集中分割出股骨头和脊柱作为标记点，该标记点将用来计算胎儿单元的平移和旋转，以使得MRI图像集中的标记点和Rhinoceros7装配过程中标记点的匹配，在完成胎儿单元和母体的装配后；将之前构建的30多个器官和组织的曲面模型分别导入到Rhinoceros7软件中，为了防止模型出错，将不同的器官组织分别放置在不同的图层中，再将每个器官和组织按照解剖学知识依次装入母体皮肤内，得到孕期为六个月的中国孕妇及胎儿模型(BREP-P6)，渲染图如图2所示。

2.3. 蒙特卡罗方法和MCNPX程序

蒙特卡罗方法(Monte Carlo method)是一种统计实验方法或随机抽样技术 [8] ，它是基于概率统计理论的模拟方法，可以更真实地模拟描述出某种随机性事件的特征 [9] ，是按抽样调查法求取统计值来推定未知特性量的计算方法。在辐射防护领域，蒙特卡罗作为一种针对不确定事件的概率统计方法 [10] ，能够模拟放射性粒子在人体内部各种器官组织中随机运动规律，最终得到人体某个器官或组织的能量沉积分布规律 [11] 。

Figure 2. The BREP-P6 phantom for Chinese pregnant women

图2. 中国孕妇BREP-P6模型渲染图

MCNP程序从诞生发展到现在，最新的版本为MCNP6 [12] ，使用最频繁的版本为MCNPX，本研究用来计算中国孕妇曲面模型的外辐射剂量的程序为MCNPX 2.5.0版本。首先使用者需要编写一个INP输入文件，将粒子源位置、运动方向、具有的能量、起始的栅元或者曲面、几何长度等信息编入INP输入文件内 [13] 。

2.4. 吸收剂量计算方法

通过蒙特卡罗程序的模拟结果可以得到每个入射粒子下的器官沉积能量E_T(Gy/粒子)，通过F6：p记数卡记录体外光子源照射到器官或组织T的能量与质量的比值(MeV/g)，器官的体积在写入MCNPX程序时就已知，再通过一定的数据处理，即可得到器官吸收剂量转换系数和全身有效剂量转换系数。对于中子粒子，通过单位源通量的器官吸收剂量来表示器官吸收剂量转换系数D_T,R (pGy∙cm²) [14] ，即

$D_{T,R}=\frac{D_T}{\text{Φ}}=1.602\times {10}^2\times \frac{E_T}{m_T}\times S$ 式(1)

式(1)中，D_T为经体外中子源照射后，器官或组织T中吸收的剂量，Gy，

Φ为体外中子注量，cm⁻²，

E_T为体外中子源积累在器官或组织T中的能量，MeV，

为器官或组织T的质量，g，

S为平面源的面积，cm²，

D_T/Φ为注量到器官吸收剂量转换系数，pGy∙cm²。

3. 结果与讨论

本实验主要论述体外中子源所致孕期六个月的中国孕妇曲面模型(以下简称BREP-P6)的胎儿剂量转换系数。表1为BRER-P6模型和RPI-P6模型的参数对比 [15] [16] [17] 。图3为五种标准体外入射条件下的剂量转换系数与RPI-P6模型的对比。本实验根据五种标准体外入射条件，设置了12个中子能量点，这些能量点分别为10⁻⁹ MeV、10⁻⁸ MeV、10⁻⁷ MeV、10⁻⁶ MeV、10⁻⁵ MeV、10⁻⁴ MeV、10⁻³ MeV、10⁻² MeV、10⁻¹ MeV、1 MeV、10 MeV和20 MeV，利用蒙特卡罗的MCNPX程序得到了器官或组织的剂量沉积，其中LAT条件下的值为LLAT和RLAT两种条件的平均值，在通过上述计算得到吸收剂量转换系数。在同一种入射条件下，误差与器官质量成反比，器官质量越大，误差往往越小。在五种入射条件下，随着

Table 1. Parameter comparison between the BRER-P6 model and the RPI-P6 model

表1. BRER-P6模型和RPI-P6模型的参数对比

(a) AP (b) PA (c) LAT (d) ROT (e) ISO (f) BREP-P6胎儿的转换系数

Figure 3. Comparison of the fetal absorption dose conversion coefficient of BREP-P6 and the RPI-P6 model

图3. BREP-P6胎儿吸收剂量转换系数与RPI-P6模型的对比

中子源能量的增加，该系数在两种模型的增长曲线基本一致，在10⁻⁹ MeV~1 MeV区域内，该系数增长缓慢，且相对差值在5%左右；在1 MeV~20 MeV区域内，该系数增长迅速，说明吸收剂量转换系数随着光子能量的增加，呈现正增长趋势。中子能量为20 MeV时，最大偏差值出现在AP照射条件下，为29.3%；最小偏差值出现在LAT照射条件下，为13.2%。在所有照射条件下BREP-P6的系数均高于RPI-P6，导致这一原因的主要因素为模型体格差异，BREP-P6相较于RPI-P6模型体型较小，腹部脂肪层较薄。且在所有照射条件下BREP-P6与RPI-P6的最大差值均出现在20 MeV时，这是由于中子随着能量的增加，穿透力增强造成人体器官能量沉积增多所导致的。分析图3(f)可得，体外中子源所致BREP-P6的剂量转换系数在前向入射条件下最大，其余三种入射方式次之且趋势基本一致，后向入射条件下转换系数最小。

4. 结论

本文基于孕期六个月的中国孕妇MRI图像集，构建了中国孕妇BREP-P6曲面模型，还参考MRI图像构建了包含大脑、骨骼以及软组织的六个月大胎儿模型。进一步丰富了中国辐射剂量模型数据库，为估算孕妇所受照射剂量提供模型。

文中中国孕妇曲面模型的胎儿吸收剂量转换系数与RPI-P6模型变化趋势基本一致，证明本研究建立的曲面模型跟国外建立的模型相比，一样满足体外中子源照射时的辐射防护相关研究的研究基础。由于胎儿在体内相对位置靠前，故在前向入射条件下，胎儿吸收剂量转换系数最大，而在后向入射条件下，胎儿吸收剂量转换系数最小。此外，当中子能量高于1 MeV时，该系数增长迅速，两模型之间相对误差呈上升趋势，这一现象主要原因与BREP-P6模型中碳、氢、氧和氮的百分比含量相对较高有关 [18] ，氢反冲核是快中子和高能中子在人体内产生相互作用的主要产物，中子能量高于1 MeV时，BREP-P6模型内的能量沉积相对较大。

孕妇的中子防护研究是非常重要的，尤其是妊娠期刚开始的孕妇，此时胎儿的细胞质量和活性属于旺盛时期 [19] ，有研究表明高能中子照射会显著提高胎儿细胞癌变的发生率，且胎儿DNA片段会由于中子束的穿透而造成损伤从而导致胎儿发育畸变 [20] 。因此在日常生活中，孕妇要重点注意对中子的辐射防护，必要时可以穿戴防辐射服对粒子射线进行屏蔽。

基金项目

国家自然科学基金面上支持项目(82073474)。

NOTES

^*通讯作者。