2014年5月7日，在江苏省南京市发生的¹⁹²Ir放射源放射事故中，1人受照严重，全身受不均匀外照射且腿部局部皮肤受照严重。相关器官和皮肤的物理剂量快速估算对事故定性和临床救治十分重要。考虑到复杂的受照状况，仅应用简单的解析公式估算剂量未必能得到令人满意的结果^[1]。这种情况下，将蒙特卡罗模拟技术和人体理论模型(体模)相结合是一个恰当选择。对于体模，基于简单几何的早期参考人模型现今看来是过于简化了^[2]。而最新的混合体模(hybrid phantoms)^[3],虽然代表了人体体模未来发展方向，但其复杂性制约了其在快速剂量估算方面的应用。因此，本研究使用体素体模(voxel phantom)和蒙特卡罗模拟相结合的方法来进行剂量估算。

1. 估算方法：从剂量学和相互作用理论角度，放射事故中受照人员的剂量估算问题可视为由源项特征、人员特征和环境特征决定的辐射场中特定类型射线及其次级粒子的输运和能量沉积定量过程。对此复杂过程而言，目前得以公认的方法之一就是蒙特卡罗粒子输运模拟。基于蒙特卡罗模拟软件包构建恰当的源项模型、人员模型和环境模型，在1台甚至多台计算机上开展相应计算工作。

2. 估算条件

(1)放射源相关参数：事故调查可知，造成事故的¹⁹²Ir源于2013年12月13日购入，当时活度为3.77 TBq。事发时为2014年5月7日，间隔145 d。放射源呈链状，放射性物质分布于直径0.7 cm，长度1.5 cm小圆柱体。

(2)放射源能谱及半衰期：根据国际放射防护委员会(ICRP)107号出版物及其软件DECDATA^[4]，放射性核素¹⁹²Ir的半衰期为73.827 d。参照放射性活度的指数衰减规律，可知事故当天¹⁹²Ir源的活度为966.28 GBq。

(3)受照对象和照射方式：事故中受照人员性别为男，身高约160 cm，体重约49 kg，年龄约58岁。捡拾¹⁹²Ir源后留置于工作服的右口袋，照射时长约3.25 h，放射源最接近的人体位置为右大腿。

3. 模型及蒙特卡罗模拟

(1)全身模型：出于快速估算目的，采用体素数目和分辨率适中的体素体模，本研究采用的是具有东亚人特点的成年男性体素体模KTMAN-2^[5]。该体模包括29个不同的组织和器官，体素总数300×150×344=15 480 000，每个体素的分辨率为2 mm×2 mm×5 mm。关于模型的进一步详细信息如介质组成等可见参考文献^[5]。

(2)皮肤(局部)剂量估算模型：事故中，放射源位于受照人员工作服的右口袋，实际位置为紧贴右大腿(髋骨下约10 cm)。考虑到皮肤(局部)损伤救治，因此，有必要进行皮肤剂量的估算。

为进一步贴合受照者实际体征，皮肤剂量估算模型如图 1所示。对其大腿周长进行测量并构模如下：用同轴圆柱体表征受照者大腿部骨骼、肌肉和皮肤。经测量，受照者大腿周长约44 cm，于是推算出圆柱体半径为7 cm。皮肤在最外层，厚度2 mm。腿部骨骼用半径1.5 cm的圆柱代表，骨骼和皮肤之间填充肌肉层。圆柱体总长55 cm，腿部模型上部用35 cm×20 cm×35 cm的长方体代表躯干以在模拟中提供散射层。

图1(Figure 1)

图1 皮肤剂量估算模型示意图 A. 俯视图；B. 前视图 Figure 1 Diagrams of dose model of skin A. Top view; B. Front view

(3)蒙特卡罗模拟相关参数：蒙特卡罗软件包使用MCNP 5^[6]。根据上述两个模型及照射条件编制输入文件，所涉各种介质的密度和材料组成数据来自ICRP和国际辐射单位与测量委员会(ICRU)的相关资料^[7]。输运方式为光子、电子输运(mode PE)。考虑到过低能量的光子对实际组织或器官剂量贡献非常有限，再结合实际输运模拟耗时的最优化要求，本工作光子截止能量设置为10 keV。¹⁹²Ir发射光子能谱数据来自美国医学物理学家协会(AAPM)51号报告^[8]，能量(产额)分别为0.290 MeV(0.291)、0.308 MeV(0.298)、0.317 MeV(0.831)、0.468 MeV(0.476)和0.608 MeV(0.133)。因此，实际模拟中，考虑的光子与物质相互作用类型主要是光电效应、康普顿散射和瑞利散射，电子与物质相互作用类型包括弹性碰撞和非弹性碰撞(电离、激发和轫致辐射)。

模型几何和重要栅元卡说明：半径5 m的球体作为输运边界，内充空气，模型位于球体中心，依据体素模型文件，应用U card 和 FILL card填充数据。放射源位于体模右大腿外侧，距离皮肤5 mm。源项设置为圆柱体均匀抽样^[6]，各向同性发射，光子能谱则应用SP card和SI card进行抽样。计数目标是吸收剂量(带电粒子平衡条件下的碰撞比释动能)，采用能量注量(*F4 card，皮肤模型采用*FMESH4 card)与质能系数吸收系数双对数插值(DE，DF card)求和的方式确定吸收剂量^[9]，即：D=K_col=。式中，D为吸收剂量，Gy；K_col为碰撞比释动能，Gy；E为光子能量，MeV；Ψ_Ε为能量注量按能量的微分，单位m^-2；(E)为光子质能吸收系数，m^-2/kg。模拟中未使用降方差方法。光子与物质相互作用截面^[9]数据引自ENDF/B-VI release 8^[6]。

对于全身模型，在给定放射源位置的情况下，进行直接模拟，以获取各组织和器官在照射时间内的吸收剂量数值。对于皮肤模型，估算目的是获取受照者左腿和右腿皮肤剂量分布。应用类似于体素化(voxelization)的方法，沿长度和角度方向将腿部皮肤划分为110×72=7 920个小曲面，其中沿长度方向划分110份，即每份长55 cm/110=0.5 cm；沿角度划分72份，即每份角度360°/72=5°，每个小曲面面积约为30.5 mm²。这样的划分是在多次实验试算的情况下综合了凸显皮肤剂量分布规律、降低相对误差以及减少计算耗时共同要求的结果。

为保证MCNP输运计算相对误差不超过1%，全身模型和皮肤模型分别运行初始光子数7.0×10⁸和5.0×10⁸。所有计算均在专用计算工作站进行，平台条件：CPU intel xeon V5,28 cores,内存64 G，计算任务时长约17 h。

1. 全身模型模拟结果：根据KTMAN-2体素体模计算出全身各组织和器官的吸收剂量数值列于表 1。剂量数值 < 0.1 Gy的有甲状腺、肺、脾脏和眼晶状体；剂量介于0.1～1.0 Gy的有结肠、胃、肾上腺、肾脏、胰腺、小肠和肝脏；介于1.0～5.0 Gy的有骨表面、肌肉和膀胱；剂量最高的则是睾丸和前列腺，均为9.16 Gy。

表1(Table 1)

表1 受照者全身各器官吸收剂量模拟结果Table 1 The simulation results of the absorbed doses for several organs 器官/组织 剂量(Gy) 器官/组织 剂量(Gy) 甲状腺 0.03 骨表面 1.73 结肠 0.52 肾上腺 0.12 肺 0.07 肾脏 0.22 胃 0.10 脾脏 0.06 睾丸 9.16 前列腺 9.16 膀胱 3.12 胰腺 0.14 肝脏 0.17 小肠 0.38 肌肉 2.73 眼晶状体 0.03

表1 受照者全身各器官吸收剂量模拟结果 Table 1 The simulation results of the absorbed doses for several organs

2. 皮肤(局部)模型模拟：0.5～2 500 Gy的等剂量曲线图如图 2所示。根据皮肤(局部)模型进行估算，算得右腿皮肤最大剂量值约为 4 100 Gy，左腿皮肤剂量最大值约为32 Gy。

图2(Figure 2)

图2 受照者右腿(A)和左腿(B)皮肤的等剂量曲线分布图 Figure 2 The iso-dose curves of right leg skin(A) and left leg(B) skin for the victim

估算全身剂量时，本研究采用体素体模KTMAN-2，基本符合东亚成年男性的特点。进行双侧大腿皮肤局部剂量估算时，则采用同轴圆柱体作为模型。从辐射防护角度，几乎现有的人体体素模型都是“参考”的，也就是具有某一类人种特定性别和特定年龄段各项生理参数平均值的一个“平均特征人”。因此，估算结果与受照者实际剂量之间应有差距。本研究没有采用ICRP和美国医学内照射剂量委员会(MIRD)等机构提出的具有明显西方人特征的体素模型就是意图尽量缩小估算用体模与受照者之间的差异。关于剂量估算结果的修正，目前有多种观点，其一是直接采用受照者全身CT扫描后形成的三维重建图像数据作为模型；其二是在现有模型的基础上根据受照者生理特征，如身高、体重等进行调整，涉及的技术层面包括多边形网格技术(PM)和非均匀有理B样条技术(NURBS)。

本研究根据KTMAN-2体素体模、¹⁹²Ir源项特点以及照射条件估算了全身各组织和器官的吸收剂量数值。由模拟结果可知，睾丸、前列腺的受照剂量较大，这与对受照者后续临床救治过程中的观察结果相一致。有研究显示，睾丸受到＜1.0 Gy的受照剂量即可引起精子存活率下降；2～5 Gy的受照剂量可造成精子数缺乏，引起暂时性不育；5 Gy以上的受照剂量可造成精子存活率为0，并引起终生不育^[10]。受照者精子存活率随受照后天数呈进行性下降趋势，并于受照后92 d降低至0，这也从另一个角度证实了受照者睾丸的受照剂量＞5 Gy。

根据皮肤(局部)模型进行估算，得出右腿皮肤(约髋下10 cm处)最大剂量值为 4 100 Gy。然而，笔者在后续病程中通过红外热成像仪对受照者皮肤损伤部位进行检测，发现受照者右侧大腿髋下10 cm处皮肤损伤最严重，除此之外，还有一处相对较严重的皮肤损伤中心，这与皮肤剂量模拟结果有一定差异，左侧大腿皮肤损伤红外热成像仪探测结果与剂量模拟结果相一致。笔者推测，这可能是由于受照者在与辐射源接触过程中，存在坐、立、行走等不同的状态，导致受照者右侧大腿与辐射源的相对位置发生了改变。同时，出于快速估算目的，本研究在模拟腿部皮肤局部剂量时，将双侧大腿看作简单的同轴圆柱体，而腿部实际的组织结构要复杂得多。这些实际现象可能提示了事故条件下物理剂量估算中模型构建和模拟时应进一步关注的问题。