CT辐射剂量检测仿真人体模的研制

井赛;张谷敏;孙旭;吴洋;张拓;江玉柱

【摘 要】目的:研制可普及临床使用,并可快速测得X线敏感器官组织所处位置辐射强度的仿真人体模.方法:研究人体X线辐射敏感器官组织,确定体模辐射感兴趣区域;建立数学模型并研究不同组织等效材料的技术特性;比对分析现有类型电离室探头的技术性能,综合相关因素选择合适探头;按照成人、儿童2种尺寸,根据敏感器官位置设计体模结构并进行验证实验.结果:设计的仿真人体模可以等效测量多器官的辐射剂量值,达到了预期目标.结论:该体模仿真程度高、检测探头拆卸简便、辐射剂量检测方便,为检测技术人员提供了一套方便的检测模具.%Objective To develop a simulation phantom for clinical detection of radiation intensity at the organs or tissue vulnerable to X-ray. Methods The organs or tissue vulnerable to X-ray radiation were explored to determine the region of interest of the radiation to the phantom. A mathematical model was established, and the technical characteristics of the equivalent materials of different tissues were studied. The existing ion chamber probes were compared on the technical performances, and the probe was selected with considerations on comprehensive factors. The phantom was gifted with two sizes of adult and child and designed based on the positions of sensitive organs. Practical trials were carried out to test the performances of the phantom. Results The phantom could be used to measure the radiation dose which was equivalent to the value of multiple human organs, and the desired requirements were fulfilled. Conclusion The

phantom gains advantages in simulation fidelity, withdrawal of the probe and etc, and thus is worthy promoting practically. 【期刊名称】《医疗卫生装备》 【年(卷),期】2017(038)011 【总页数】4页(P31-34)

【关键词】CT;辐射剂量;仿真人体模;等效材料;器官组织 【作 者】井赛;张谷敏;孙旭;吴洋;张拓;江玉柱

【作者单位】250022 济南,原济南军区联勤部药品仪器检验所;250022 济南,原济南军区联勤部药品仪器检验所;250022 济南,原济南军区联勤部药品仪器检验所;250022 济南,原济南军区联勤部药品仪器检验所;250022 济南,原济南军区联勤部药品仪器检验所;250022 济南,原济南军区联勤部药品仪器检验所 【正文语种】中 文

【中图分类】R318.6;TH774

随着CT技术不断发展更新，CT可达到亚毫米级超薄层厚和亚秒级快速扫描，具有越来越高的空间分辨力，但是这些都需要更大的管电流、更高的辐射剂量才能使扫描图像达到理想效果。据联合国原子辐射效应科学委员会（United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation，UNSCEAR）报告书称，全世界CT检查仅占所有医用诊断X线检查的5%，而其所致公众集体剂量却高达34%左右[1]。CT检查所导致的人体器官组织的吸收剂量常常可以接近或超过已知引发癌变概率的水平，而儿童的放射敏感度甚至是中年成人的10倍多，年龄越小危险系数越高[2]。因此，CT检查所致医疗照射的放射风险日益受到关注，

对成人和儿童的CT辐射剂量控制刻不容缓。

在CT检查中，受检者各器官的吸收剂量尚难直接准确测量，特别是敏感部位。若使用人体仿真体模，内部安装剂量探测器，可直接得到辐射剂量，且定位准确。目前，国际上已有多个国家研制仿真人体辐照体模，但是这些体模均根据西方高加索人种的解剖参数研制，与中国人的体型特征、辐射特性有很大差异，并且价格昂贵[3]。国内也研制出多种型号的辐照体模，但是仅适用于实验室研究，需要测量数百个位置的辐射剂量，程序烦琐，不能实际应用于临床工作[4]。另外，检测儿童组织器官辐射剂量的体模在组织等效材料的选择、体模外形结构等方面都与成人体模大相径庭。而有关儿童组织器官辐射剂量的检测体模在国际上尚属空白领域[5]。因此，设计研制可普及临床使用，并可快速测得对X线敏感的器官组织所在位置的辐射强度，用于成人和儿童的辐射剂量检测体模，对于检测人体敏感部位辐射剂量值、控制患者受辐射剂量、大幅降低患者辐射致癌率具有重要意义。

X线是一种电磁波，辐射吸收率较高。CT检测产生的X线穿透人体组织后成像的同时，被人体组织接受的辐射能量非常强，强到足以将构成肌肉组织细胞分子内的电子撞击出运行轨道，从而产生不稳定的分子，进而生成对人体有危害的自由基。辐射能还可以直接引起染色体破裂或者基因突变，甚至导致癌变的发生。对正在生长的有机体进行长时间的低剂量X线照射，会引起生长障碍及寿命缩短。X线照射量可在身体内逐渐累积，其主要危害就是对人体血液中的白细胞具有一定的杀伤力，使人体血液中的白细胞数量减少，进而导致机体免疫功能下降，使病毒细菌容易侵入人体机体从而引发各种疾病[6]。通过研究X线辐射对成人、儿童影响较大且致癌几率较大的器官组织，我们选择生殖腺、乳腺、甲状腺、肺、红骨髓（肱骨、股骨、髂骨等）等位置作为敏感部位。

为尽可能模拟X线对人体组织的辐射效应，体模需使用与人体组织辐射效应等效的材料。首先从理论上分析等效材料的理化特性，并充分考虑成人与儿童身体组织

的差异以及组织等效材料在不同物理形态下的性能差异，通过大量实验，分析各组织等效材料的仿真效果，从等效材料的仿真性能及成本等方面筛选合适的组织等效材料。本文在充分研究国内外相关领域研究成果的基础上，研究选择组织等效材料[7]。具体执行方法为：建立数学模型，采用基本数据归纳法制作组织等效材料。基本数据归纳法一般使用2种不同组分的材料，分别为基质和添加材料，以此合成组织辐射等效材料。假设其中基质为A，而添加材料为B，B加入A后可改变A的辐射特性[8]。

假设需合成一种由A和B组成的组织辐射等效材料S，为了使该材料等效于人体组织X，并具有其特定的质量衰减系数或者质量阻止系数（2个系数统一用C表示），则应满足以下条件：

式中，CA、CB、CS、CX 分别代表 A、B、S、X 的质量衰减系数或者质量阻止系数；ωA和ωB分别表示A、B的质量百分数，且 ωA+ωB=1。 假设能量比率为K，即

式中，Em表示S拟使用的中间能量值，E0表示 S拟使用的最小能量值。经推导得

根据上式即可从众多材料中选择适当的添加材料。对于含有3种物质的组织辐射等效材料，可采用上述方法的叠加法[10]。

设计组织等效材料的基质应包含以下特性：（1）具有良好的辐射等效性，在不同能量的X线辐照下和人体组织有相似的散射和吸收效果；（2）与人体组织有相近的质量密度、电子密度和有效原子序数；（3）不能含有毒性物质；（4）具有一定的化学惰性，不能因X线辐射导致性状改变，甚至产生危险后果；（5）应具有较好的力学特性、热塑性能和加工性能[11]。

满足以上特性要求的部分等效材料有：（1）碳和氟化钙的聚乙烯和尼龙混合物，其物理特性为黑色导电塑料，可被塑造，易于机加工；（2）含酚醛微球和三氧化

锑的环氧树脂，其物理特性为低密度的弹性固体，可被塑造和机加工；（3）含酚醛微球和三氧化锑的异氰酸盐橡胶，其物理特性为红褐色弹性固体，可被塑造，易于机加工；（4）加碳酸钙的泡沫化聚氨酯，其物理特性为弹性泡沫塑料，可被塑造；（5）含碳酸钙和氧化镁的聚乙烯，其物理特性为红色的弹性固体，可被精加工；（6）含二氧化钛的聚苯乙烯，其物理特性为白色的硬质固体，可被精加工。 计划使用醋酸-醋酸乙烯酯共聚物、环氧树脂、聚苯乙烯、异氰酸盐橡胶和聚乙烯等作为基质，依据建模公式添加材料。根据表1中人体组织各元素含量，控制添加材料各元素比例。

式中，KmA=C′A/CA，为 A 的能量比率；KmB=C′B/CB，为 B的能量比率；KmS=C′C/CS，为 S 的能量比率。C′A、C′B、C′C分别为A、B、S与X在最小能量E0下的质量衰减系数或质量阻止系数之比[9]。

根据以上公式，若确定基质材料A的百分含量，需要选择一种添加材料B，则可计算在中间能量下添加材料B的特征参数QmB，即

应筛选大小与测量敏感部位相匹配，测量准确且能够实时传递检测数据的剂量探头。探头的种类按原理可分为GM式、闪烁式、电离室式、半导体式4种。GM式探头能检测β射线和γ射线，价格便宜且敏感度高（能探测到较低辐射剂量），但测量的是射线进入的次数，无法以常见的单位（Sv）进行准确的测量。闪烁式探头价格较高，能灵敏地测定辐射剂量和能量的大小。电离室式探头可测量射线在空气中产生的电流，能精确地测得辐射剂量值。半导体式探头可被小型化，但是敏感度不高，主要用于个人随身携带，对随时产生的辐射剂量进行测量。综合探头使用环境、精度、成本等因素选用电离室式探头。

参照人体解剖学结构，设计成人和儿童2种体模模具，灌注相应组织等效材料，冷却塑形。该体模有效模拟人体内部构造，并在辐射敏感部位预留探头插孔。体模使用无上肢半身模具开模，成人体模尺寸为半身长90 cm，肩宽50 cm，腹背距

20 cm；儿童体模尺寸为半身长70 cm，肩宽30 cm，腹背距15 cm。CT运行时球管转动产生360°的X线辐射，如采用体模腹部或背部开放式开槽放置探测器，会因为探头直接暴露在辐射野内导致剂量偏大。为避免设计导致的检测误差，2种体模均采用水平面分离设计，将体模分为上、下两部分分别成型，根据敏感部位的解剖学位置，对于内脏，检测探头采用内藏式，敏感部位预留长10 cm、直径1.5 cm的圆孔（与选用的电离室式探头尺寸匹配），模体上下分离，凹槽空间亦均分为上下两部分；对于皮肤下的腺体，检测探头采用外插式，在腺体位置附近钻孔，预留电离室式探头及数据线的空间。体模共有双肺、双肾、肝脏3个位置5个内藏式凹槽，垂体、甲状腺、胸腺、乳腺、生殖腺（卵巢、子宫）5个位置10个外插式圆孔，如图1所示。

制作仿真人体模一套，经过测试，可有效模拟人体辐照敏感部位组织结构，可以简单方便地得到各感兴趣部位的实际辐射剂量值。由于CT检测中扫描不同的器官需要根据病患的实际身体状况以及成像需求选择最优的扫描参数，因此在测试仿真人体模应用效果的实验中，各部位都采用各部位的最优扫描算法：垂体采用头部扫描，甲状腺选用颈部扫描，乳腺、胸腺、肺选用胸部扫描，肾、肝脏选用腹部扫描，性腺采用盆腔扫描。扫描设备使用GELightSpeed 16排螺旋CT（CT机发生器功率为100 kW，最大输出管电流为800 mA），重复扫描3次，统计各模拟器官的CT剂量指数CTDI100，详见表 2、3。 CTDI100满足：

式中，D（z）为沿着垂直于断层平面方向（z轴）上的吸收剂量；N为X线球管在360°的单次旋转时产生的断层切片数；T为标称层厚。

GB 165—2012《X射线计算机断层摄影放射防护要求》中使用加权CT剂量指数CTDIw作为指导水平，即CTDIw=CTDI100（中心）+CTDI100（周围），其中 CTDI100（中心）指测量体模中心的 CTDI100值，CTDI100（周围）指至少 90°

间隔下体模表面下10 mm处的4个测量值的平均值。由于受限于仿真人体模构造，无法按照国标GB 165—2012中的要求测量仿真人体模检测点周围的剂量指数，因此本文中以检测值约等于CTDIw，近似地使用仿真人体模表征人体不同部位的剂量指数。标准中给出的指导水平为最大值，即头部不超过50mGy、腰部不超过35 mGy、腹部不超过25 mGy。仿真人体模的外插式、内藏式共15个插口覆盖了人体大部分X线辐射敏感区域，采用临床常用的扫描方法，测量从头部的垂体部位至盆腔的卵巢、子宫等性腺部位的剂量指数，实验所得数据可以间接反映患者或者受照射者的相对剂量。

用已制成的成人和儿童辐射剂量检测体模，可方便地检测人体敏感部位辐射剂量，通过跟踪检测累积确定其受辐射的量值，及时参考有害阈值，能有效控制患者受辐射剂量，大幅降低患者辐射致癌率，为检测技术人员提供了一套方便的检测模具。目前，受限于实验条件，所使用的检测设备仅支持单通道数据传输，在实时多部位测量方面还有很大的扩展空间，下一步计划增加电离室式探头数量，更新数据处理主机，达到所有部位实时检测辐射剂量参数的目的；同时，晶状体、红骨髓的辐射剂量检测应作为后续的研究方向，研究重点为晶状体、骨髓的组织辐射等效材料分析及模拟眼球、模拟骨、模拟骨髓质的制作。在此基础上，医师或临床工程师在操作CT时可以在图像质量与患者受辐射的剂量之间探索最优解决方案，达到合理规范使用CT、减少病患辐射伤害的目的，如此，仿真模拟人体模在CT辐射剂量检测中才能逐渐发挥作用。

【相关文献】

[1] 安瑞金，黄岗.CT图像质量和辐射剂量的影响因素研究[J].生物医学工程与临床，2009，13（2）：92-95.

[2] 鲍莉，李学胜.小儿头部CT扫描中mAs变化对辐射剂量的影响[J].生物医学工程与临床，2009，

13（6）：513-515.

[3] 蒋伟，林大全，樊庆文，等.成都剂量体模（CDP）组织等效材料辐射等效性评价[J].中国测试技术，2006，32（6）：67-71.

[4] 刘彬，费晓璐.基于64排（层）螺旋CT儿童受检者受照剂量的研究[J].中国医疗设备，2008，23（9）：133-134.

[5] 白玟，刘彬.采用体模评价DynaCT成像质量和辐射剂量[J].医疗卫生装备，2009，30（9）：68-69.

[6]DIEKMANNS，SIEBERTE，JURANR，etal.Doseexposureof patients undergoing comprehensive stroke imaging by multidetector-row CT：comparison of 320-detector row and 64-detectorrowCT scanners[J].AJNR Am J Neuroradiol，2010，31：1003-1009. [7]张加易，袁中凡，林大全，等.组织辐射等效材料等效性验证方法的探讨[J].中国测试技术，2006，32（2）：24-26，61.

[8]VILLAGRASA C，DARRÉON J，MARTIN-BURTAT N，et al.Effective dose measurement at workplaces within an instrumented anthropomorphic phantom[J].Radiat Prot Dosimetry，2011，144：640-644.

[9] 刘海宽，高佚名，顾乃谷，等.用蒙特卡罗方法模拟计算CT扫描所致红骨髓剂量[C]//中国核学会.中国核学会2011年学会论文集.北京：原子能出版社，2012：31-34.

[10]蒋伟.成都剂量体模（CDP）组织辐射等效材料的辐射特性研究[D].成都：四川大学，2007：29-30.

[11]WINSLOW J F，HYER D E，FISHER R F，et al.Construction of anthropomorphic phantoms for use in dosimetry studies[J].J Appl Clin Med Phys，2009，10：2 986.