基于蒙特卡罗方法的大鼠辐射剂量学研究

论文摘要

大鼠作为最重要的实验动物之一,被广泛用于放射性药物的临床预实验研究,辐射剂量与辐射生物效应研究,以及医学影像设备研制中。在放射性药物的临床预实验和生物电离辐射效应研究中,大鼠被用于阐明放射性药物及放射性粒子的生物效应与组织辐射吸收剂量之间的关系,大鼠辐射剂量的准确评估,是放射性药物与放射性粒子的辐射毒性分析以及治疗效果评价的基础,是新型放疗药物研发和放射治疗技术发展中的关键环节之一。因此,大鼠辐射剂量评估对放射医学和核医学的基础研究和应用研究具有重要的科学意义。本工作首先在彩色断层解剖数据集的基础上对原始图片中的器官和组织进行了分割和标识,在分割数据的基础上分别构建了三种可计算模型：大鼠规格化模型,晶格模型以及基于NURBS曲线的表面描述模型。在所构建的大鼠可计算模型的基础上,使用蒙特卡罗方法,结合不同的放射性粒子(光子,电子,质子),放射性核素(131I,90Y,169Er,89Sr,166Ho等),以及辐射照射条件(内/外照射),分别对现有三种可计算模型在辐射剂量评估中的差异,组织化学成分差异对器官吸收剂量的影响,质子外照射器官吸收剂量,大鼠骨骼系统辐射剂量,肝脏分叶辐射剂量,以及HCC放射治疗药物在肿瘤内的剂量分布等问题进行了深入的研究。主要研究内容和结果如下：(1)通过对三种模型内照射器官吸收剂量的比较,本研究发现,在内照射剂量评估中,NURBS表面模型与晶格模型的表现是一致的,NURBS表面模型不但能够提供高精度的自吸收辐射剂量评估,而且具备天然的形变能力,同时规格化模型在吸收剂量评估中可能导致大部分器官自吸收S value值的低估。(2)本研究通过设置大鼠肝脏的不同化学组分,对组织器官化学成分在辐射吸收剂量评估中的影响进行了定量研究。结果表明,在低于100 keV的光子能量范围内,大鼠肝脏组织和人体肝脏组织之间的吸收剂量差异最大为3.5%。同时,化学组成差异对电子吸收剂量的影响很小。我们认为,在缺乏小动物组织器官化学成分数据的现状下,在小动物辐射剂量仿真研究中采用人体类似组织器官的化学成分是可行的。(3)在大鼠质子外照射器官吸收剂量的研究中,通过比较五种照射条件下大鼠器官吸收剂量之间的差异发现,在低能质子入射条件下,器官解剖参数(如质量,体积,解剖位置等)以及内部器官距离躯干表面的距离对器官吸收剂量有明显影响。当入射质子能量高于100 MeV时,照射条件对吸收剂量评估的影响明显减弱。矿物质骨和红骨髓贡献了绝大部分的大鼠全身骨骼系统质子吸收剂量。同时,大鼠全身红骨髓的吸收剂量的分布是不均匀的。(4)在大鼠骨骼系统内照射吸收剂量研究中,本工作将光子和电子源放置在18个内部器官以及七个骨骼位置中,通过蒙特卡罗方法对大鼠40个骨骼部位的辐射吸收剂量进行了评估,考察了目标组织的密度,解剖位置,解剖形态对骨骼辐射吸收剂量的影响。研究结果表明,在低能条件下矿物质骨贡献了最多的骨骼吸收剂量。据此可以认为,在低能放射治疗中,矿物质骨中的成骨细胞受到的辐射剂量应该受到特别的关注。同时还注意到,当光子源能量大于0.6 MeV时,矿物质骨中的次级光子会使得红骨髓特征吸收份额随着光子能量上升有较为明显的增加。此外研究还发现,在近距离放射治疗中,骨骼系统的吸收剂量分布是不均匀的,距离放射源越近,骨髓细胞性越高的骨骼受到的红骨髓吸收剂量越高。(5)在大鼠肝脏亚器官结构辐射剂量评估中。本研究计算得到了光子和电子在肝脏七个不同分叶中的吸收份额,以及四种放射性核素90Y,131I,166Ho与188Re在不同肝叶中的S value值。结果表明,吸收剂量在肝脏中分布是不均匀的,不同肝叶的吸收剂量与肝叶质量以及肝叶与放射源之间的距离成正比。研究结果表明,如果将肝脏整体作为剂量评估的目标器官来考虑,那么有可能在放射性药物的大鼠实验中导致源肝叶的剂量低估,以及非源肝叶辐射剂量的高估。(6)通过对现有主要HCC放射治疗核素在肝脏和肿瘤中的吸收剂量分布研究发现,166Ho与188Re在肿瘤体内造成了均匀的吸收剂量分布,同时对周围组织造成的辐射剂量相对较小,它们可以作为更加安全且高效的放射性核素,在HCC的临床放射治疗中具有十分广阔的应用前景。本研究中所构建的大鼠辐射模型系列是基于相同样本的,同时包含规格化模型,晶格模型和NURBS表面模型三类模型的鼠类可计算模型。同时,本工作构建的大鼠晶格模型也是目前已标识组织/器官区域最多的鼠类可计算模型。本研究中得到的详细的大鼠骨骼,肝脏和质子外照射剂量学数据补充和完善了现有的辐射剂量数据库,可以被用于大鼠临床预实验中,为评估放射性药物造成的辐射吸收剂量提供更为准确的剂量学数据,有助于研究者们更准确的评价吸收剂量与生物响应之间的关系,从而帮助筛选疗效好,毒性低的放射性核素,促进新型放射性药物的研发,辅助放射治疗研究中辐射防护方案的设计与优化。本工作定量研究了组织器官化学成分在辐射剂量评估中的影响以及内照射器官吸收剂量与辐射模型种类之间的关系,能够促进辐射等效可计算模型在放射量测定研究中的应用与发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 辐射剂量评估
• 1.2 辐射模型在人体辐射剂量评估中的应用
• 1.3 辐射模型在非人类物种辐射剂量评估中的应用
• 1.4 选题背景与研究内容
• 1.5 论文结构
• 2 用于仿真计算的大鼠辐射模型
• 2.1 引言
• 2.2 基于大鼠彩色断层数据集的三种辐射模型构建
• 2.3 不同辐射仿真模型在辐射剂量评估应用中的差异
• 2.4 辐射仿真模型的化学成分对剂量评估的影响
• 2.5 小结
• 3 大鼠质子外照射辐射剂量评估
• 3.1 引言
• 3.2 大鼠器官与组织质子吸收剂量转换系数
• 3.3 大鼠质子吸收剂量对照射条件的敏感性
• 3.4 骨骼系统质子吸收剂量
• 3.5 小结
• 4 大鼠光子和电子内照射器官剂量评估
• 4.1 引言
• 4.2 器官光子吸收份额
• 4.3 器官电子吸收份额
• 4.4 放射性核素S value值
• 4.5 小结
• 5 大鼠骨骼辐射剂量评估
• 5.1 引言
• 5.2 大鼠骨骼系统的精细分割
• 5.3 大鼠骨骼系统的光子和电子吸收份额
• 5.4 骨骼系统互吸收份额
• 5.5 放射性核素在大鼠骨骼系统中的吸收剂量
• 5.6 大鼠血管内近距离放射治疗研究中的骨骼剂量
• 5.7 小结
• 6 大鼠肝脏辐射剂量评估
• 6.1 引言
• 6.2 大鼠肝脏分叶模型构建
• 6.3 大鼠肝脏辐射吸收剂量
• 90Y,¹³¹I,¹⁶⁶Ho与¹⁸⁸Re的辐射剂量评估'>6.4 放射性核素⁹⁰Y,¹³¹I,¹⁶⁶Ho与¹⁸⁸Re的辐射剂量评估
• 6.5 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 本文研究的主要内容与结论
• 7.2 本文主要创新点
• 7.3 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 全文缩写表
• 附录3 大鼠体内器官质子通量-吸收剂量转换系数
• 附录4 器官光子吸收份额
• 附录5 器官电子吸收份额
• 111In,¹³¹I和⁹⁰Y对大鼠内部器官的S value值'>附录6 放射性核素¹¹¹In,¹³¹I和⁹⁰Y对大鼠内部器官的S value值
• 32P,⁸⁹Sr,⁹⁰Y,和¹⁴³Pr对大鼠骨骼系统的S value值'>附录7 放射性核素³²P,⁸⁹Sr,⁹⁰Y,和¹⁴³Pr对大鼠骨骼系统的S value值