辐射仿真人体面元模型的建立及其质子治疗和空间辐射剂量学应用

发布时间：2018-07-14 18:57

【摘要】：电离辐射是一把双刃剑,在能源、医学诊断、癌症治疗、材料分析、石油勘探等各大领域已得到广泛应用,同时伴随着对生物体、人类造成辐射损伤的潜在风险。在合理利用辐射的基础上,确保辐射安全是将核技术应用广泛推广的必要前提。辐射仿真人体模型是进行人体辐射剂量计算,评估辐射损伤的可靠性工具。可靠有效的人体模型的建立以及其应用研究对人们理解及合理利用辐射具有重要的科学和实践意义。因此,本文基于辐射仿真人体模型的建立方法和应用研究,从以下几个方面展开探索:(1)新一代符合中国人参考生理特征的辐射仿真人体模型(面元体模)的建立以及内外照射基础剂量学参数的计算。针对辐射仿真人体面元模型的建立方法展开,重点研究了基于多边形网格建模技术的辐射仿真人体面元模型的建立方法,通过Rhino软件变形控制器等方法解决器官重叠等问题,建立了系列化的具有中国人参考生理特征的辐射仿真人体面元模型(成年男女、青少年),该套模型具有相较于以往模型更为真实和较易于调整的特点。进一步地,在此系列模型的基础上,采用蒙特卡罗工具包Geant4,计算并得到一套面向中国成年男性的中子外照射通量到剂量转换系数,并与ICRP出版物数据进行了对比,发现基于中国人参考生理特征的辐射剂量学参数普遍高于基于高加索人种的辐射剂量。此外,研究了放射性碘在成年男性参考人甲状腺聚集时,对携带者自身和对周边人群造成的剂量影响。由于解剖结构及生理参数的差异,对于男性放射性碘携带者自身器官剂量,基于中国人面元体模的器官S值和三代高加索人种人体模型的器官S值差异分别达39%(数学体模),34%(体素体模),15%(面元体模);对周边人群造成的器官S值和距源器官距离的关系基本遵循平方反比定律,基于中国参考人的辐射剂量普遍高于基于高加索人种的辐射剂量。研究结果表明发展基于中国参考人模型的必要性,所建立模型及基础数据为将来进行快速精确的中国人辐射剂量评估提供基础数据及工具。(2)辐射仿真人体模型在质子治疗辐射剂量学中的应用。本文针对质子放射治疗中的两个研究内容展开:a)采用蒙特卡罗软件包TOPAS,研究了被动散射质子治疗(PPT)和主动扫描质子治疗(PBS)在青少年脑部质子治疗中射野内外正常组织产生二次原发癌风险,研究了束斑大小和添加挡块等辅助设施对二次癌风险的影响规律。通过研究发现:采用适形挡块可减小射野内正常组织二次癌风险,提高PBS的治疗计划质量,同时保证射野外的二次癌风险概率仍远低于PPT,该结果为添加挡块解决PBS边界伪影难题的临床转化提供了物理理论基础;b)首次研究了采用三种放射治疗方式(三维适形放射治疗、PBS、PPT)治疗孕妇脑部病患时,对胎儿可能造成的潜在危险。通过研究发现:对于文中所考虑的肿瘤病例来讲,三种放射治疗方式均不存在引发除癌症以外疾病(如畸形、智商下降等)的潜在风险,相对比于光子治疗和PPT治疗方式,一个疗程主动扫描质子放射治疗对胎儿造成的散射剂量最低,相当于4-5次孕妇脑部CT扫描对胎儿造成的辐射剂量;通过计算在胎儿成长过程中受到射线照射从而引发的青少年癌症危险发现,本文所考虑的三种放射治疗方式中对胎儿造成的青少年超额二次癌风险远低于基准癌症风险。(3)辐射仿真人体模型在空间辐射剂量学中的应用。重点研究采用约束性磁场主动屏蔽进行深空探测时的空间辐射防护剂量学。本文结合辐射仿真人体模型,建立了针对约束性磁场情况下空间辐射剂量当量计算的蒙特卡罗研究方法。针对银河宇宙射线和太阳质子事件,研究了磁场屏蔽条件下的辐射屏蔽效果,包括辐射通量和人体有效剂量变化规律,并重点研究了结构体屏蔽对此屏蔽效果的影响规律。研究发现:磁场屏蔽结合结构体屏蔽可有效屏蔽太阳质子事件;同时,主动屏蔽相对被动屏蔽方法可有效减少银河宇宙射线带来的剂量,由于次级粒子的影响,现有的结构体屏蔽会增加由银河宇宙射线引起的航天员剂量当量。本部分的研究成果为将来设计新型辐射屏蔽方案过程中进行空间辐射剂量学评估提供更为精确的研究方法与思路。
[Abstract]:This paper focuses on the establishment of radiation simulation human body model based on polygon mesh modeling technology . In this paper , the effects of radiation shielding on the risk of secondary cancer caused by radiation flux and active scanning proton therapy ( PBS ) are studied in this paper .
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R144.1

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