辐射剂量重建是通过任何可能的途径，对可确认的或有代表性的个人或集体所做的回顾性剂量评估，用来支持医学救治、流行病学研究或补偿计划，或为事故的辐射照射防护决策和干预行动提供指导，或向受照个人或公众提供信息。对于事故剂量重建，由于事故的突然性和危险性，通常不会有任何历史数据，这时临床诊断、生物剂量学、样品测量方法非常重要，能够在事故早期初步评价剂量^[1]。

对于局部大剂量照射后组织损伤，为了更好地进行手术救治，摘除坏死或潜在坏死组织，防止手术的范围过小导致术后细胞继续坏死或范围过大导致摘除过多健康组织，需要准确算出患者局部的剂量分布情况，这时物理剂量学方法能够发挥更好的效果。2005年法国核辐射保护及核安全研究所(IRSN)在国际上首先开发了基于人体体素模型的剂量重建软件SESAME，并在智利一起辐照事故救治上取得了良好实践^[2]。2017年清华大学开发了THUDose，对南京¹⁹²Ir丢失事故受照者进行了剂量估算^[3]，THUDose是通过计算参考人器官或组织剂量的转换因子后与国际辐射防护委员会(ICRP)116号报告^[4]进行比较来实现验证，这是对器官剂量级别的验证。本研究同样基于人体体素模型建立光子外照射事故剂量重建方法，并通过人体物理仿真模型照射实验对方法进行比较分析，得到对局部剂量分布(体素)级别的验证，并估算了方法的不确定度，验证方法在进行局部剂量估算时仍然是准确可靠的。

1.剂量重建模拟方法：根据物理剂量重建的原理^[1]，剂量模拟方法使用物理剂量学和蒙特卡罗方法，照射情景划分为放射源项、照射空间环境和人体模型3大类，重建结果使用实验进行验证，并给出可视化结果。

2.蒙特卡罗模拟计算程序：基于开源蒙特卡罗程序Geant4^[5]开发了模拟计算软件，可自由设置输入参数并给出模拟结果。人体计算模型使用体素模型^[6]，体素模型是利用电子计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)技术将人体真实的内部器官或组织的三维空间结构进行数字化后建立起来的空间几何模型。因体素模型所含体素数量巨大，常规算法在步长模拟时会占用较多时间，本研究使用G4RegularNavigation类代替常规的几何边界检测方法，该类对步模拟的判定方式为：当步模拟经过两个材料相同的相邻体素时，不在边界处重新计算步长。程序的物理过程使用低能电磁相互作用中的Livermore数据库，考虑的光子物理过程包括康普顿散射、光电效应、电子对效应和瑞利散射，电子物理过程包括电离和轫致辐射。剂量统计时记录每个体素内的吸收剂量，按体素的序号保存。统计器官吸收剂量，将同一器官所有体素的吸收剂量累加起来除以该器官的体素数目，按器官存储。全身平均吸收剂量，可以由各器官吸收剂量求取。此外，根据ICRP 103号报告推荐的组织权重因子^[6]，还可以计算有效剂量。

3.剂量重建实验验证方法：使用ART(Alderson radiation therapy)人体物理仿真模型^[7]设计实验，实现剂量重建后剂量分布结果的验证。ART模型是美国人体仿真模型制造商RSD公司的一款产品。本研究使用的模型型号为ART-200 A-5。ART模型由组织等效材料浇铸而成，材料组分符合国际辐射单位与测量委员会(ICRU)44号报告标准^[8]。ART模型被横向切成2.5 cm厚的切片，每个切片上都有插孔可放置热释光(TLD)片，插孔分布网格间距为1.5 cm×1.5 cm，可布置TLD剂量片的规格为3.2 mm×3.2 mm×0.9 mm。验证的原理是：在ART模型中放置TLD片，将其放置在标准辐射场中进行照射，然后建立ART物理模型的体素模型，将照射条件提供给模拟程序进行模拟计算，比较TLD的测量结果与模拟计算的结果。

4.物理实验条件

(1) 模型TLD布点方案：选择人体腹部3~4个切层(编号为24~27)作为测量层，这几层仅包含软组织和骨组织两种材料，且分布较为规则，作为验证层较为理想；TLD片布置的网格尺寸为3.0 cm×3.0 cm×2.5 cm，总跨度范围为21 cm×21 cm× 10 cm，嵌在每个切片的上表面，每层有41个布点(图 1)。选出一致性在±3%以内的TLD，材料为LiF(Mg，Cu，P)。

图 1 ART切层图片  A.TLD布点方案；B.TLD布点(黑色方块)在体素模型上的对应位置；C.模拟计算后的剂量分布示意图 Figure 1 Photos of slice of ART phantom  A. TLD distribution; B. Position of TLD points (black square) in voxel phantom; C. Schematic diagram of dose distribution after calculation

(2) 照射场景方案：使用中国辐射防护研究院计量站¹³⁷Cs源(证书编号：0106CS002793，出厂活度：3.70×10¹¹ Bq，出厂日期：2006年1月1日)进行照射，人体模型为直立姿态，面对准直点源，照射距离分别为1.0、1.5和3.5 m，参考点处局部累积剂量为2 mGy，近似模拟卡源事故场景。每种方案下测量1~3次，求平均剂量。通过这样的方法测量得到11层共451个点的数据。

(3) 刻度方案：每次照射进行时，需要在同一标准辐射场中放置空白TLD元件进行剂量刻度，吸收剂量不能直接测量，使用空气比释动能Ka作为刻度量，然后根据不同器官或组织的吸收剂量与空气比释动能的转换系数进行换算^{[4, 9]}。

5.剂量重建模拟计算

(1) ART物理模型体素化：使用太原市煤炭中心医院的美国GE公司512×512分辨率CT扫描仪对其进行全身扫描。ART模型共有3种材料，分别是软组织、骨组织和肺。其材料组分按ICRU 44号报告标准^[8]设定。

(2) ART物理模型参数化：根据CT图像的分辨率，最终得到ART体素模型的体素尺寸为1.57 mm× 1.57 mm×10.00 mm，个数为160×250×93。这些尺寸与实测物理模型切层的长宽对比，误差 < 1%。由于1个TLD的尺寸为3.2 mm×3.2 mm，约为体素尺寸1.57 mm×1.57 mm的两倍，因此，每个TLD片对应4个像素位置。根据体素模型的对应关系，找到TLD对应的体素位置(图 1)，对比发现位置总体符合较好，最大偏移量为1个体素，即1.57 mm。结果分析时取4个体素的平均值与TLD测量结果进行比较。

(3) 照射参数设定：模拟中忽略房间中杂物与台架，只保留照射源和人体模型；照射源的坐标根据轨道与ART模型的相对位置关系来确定；源活度由标准辐射场证书给出。所用计算机主频为2.4 GHz，单线程，模拟粒子数为20亿个，单次模拟计算时间约为8 h。

6.不确定度分析

(1) ART模型γ实验测量值的不确定度：来源包括TLD分散性、角度响应、能量响应、刻度和读数。其中，TLD分散性通过TLD筛选来确定；TLD角度响应和能量响应，由检定给出；剂量刻度的不确定度包括刻度TLD片的统计不确定度和剂量转换引起的不确定度，由实验给出；TLD读数，统计造成的不确定度，根据实测值确定。

(2) 剂量重建模拟值的不确定度：来源包括照射源项、照射场景、人体模型和剂量统计。其中，照射源项的不确定度主要来自源的活度，采用了标准辐射场证书给出的不确定度；照射场景的不确定度来源于建模时对杂物的忽略，在标准辐射场下该分项影响较小；人体模型的不确定度来源于，在TLD布点时一些插孔位置在软组织和骨骼边界处，难以明确界定TLD位置是软组织还是骨骼，而不同器官的剂量在交界面处由于带电粒子不平衡剂量会出现跳变^[3]，评估时取两种器官剂量的平均值作最大不确定度估计；剂量统计根据计算值得出。

1.不确定度结果：经分析ART模型γ实验测量值的综合相对不确定度为10.9%；剂量重建模拟值的综合相对不确定度在非组织交界面处为7.10%，在组织交界面处为16.6%。

2.剂量重建模拟值与实验测量值的偏差结果：模拟计算后的体素切层的剂量分布示意图如图 1。对所有451个点位的测量数据和模拟数据进行分析，做测量剂量值与对应的模拟剂量值的误差棒散点图(图 2)，可以看到各点位都落在对角线上，说明测量值与模拟值吻合得较好。用模拟值除以测量值的归一化数来评价各点位的吻合关系，对模拟值/测量值进行分布拟合，发现其符合正态分布规律(图 3)。模拟值/测量值的均值为0.972，标准差为0.083 8，95% CI分别为0.965~0.980，0.078 5~0.089 5。模拟值/测量值在0.95~1.05、0.90~1.10和0.80~1.20范围内的比例分别为49.2%、79.4%和96.4%。

图 2 各点位测量剂量值对应的模拟剂量值的误差棒散点图 Figure 2 Error bar scatter plot of simulated dose value corresponding to measured dose value at each point

图 3 各点位模拟值/测量值的分布直方图 Figure 3 Distribution histogram of simulated / measured values at each point

3.器官剂量的测量值和模拟值：测量某器官内离散的点后取平均可得到器官剂量的测量值，同时，对同一器官的体素剂量求平均可得到器官剂量的模拟值，这样可以比较器官或全身剂量的偏差。虽然ART模型没有专门设计用来测量的器官，但是可基于统计的方法近似假设某一层切片或几层切片为一个器官，那么器官剂量测量值和模拟值的偏差近似于实验中各点位测量值平均和模拟值平均的偏差。假设测量的所有451个点为同一器官，则利用体素模型模拟得到的器官剂量的偏差接近于本实验中所有点位均值的偏差，近似为2.8%，这个偏差是可接受的。

在使用蒙特卡罗方法进行事故剂量重建方面，国内张良安等^[10]2004年曾基于MIRD人体模型开展过相关研究，能够给出人体器官剂量的估算结果，这在当时已是较大的进步，但尚无法给出局部剂量分布。Lu等^[3]2017年基于人体体素模型对南京¹⁹²Ir丢失事故受照者进行了剂量估算，在器官剂量的基础上，同时能给出受照者的局部剂量分布，但文中并未开展在局部剂量分布层面上的验证实验。本研究每个测量点位的面积为3.2 mm× 3.2 mm，约为4个体素，说明本方法能够给出的剂量分布空间分辨率为毫米量级，从而在局部剂量分布层面上验证了方法的准确性，该精度已经满足局部大剂量照射事故下的医学救治需求。这是使用人体体素模型技术代替程式化模型带来的巨大进步。此外，实验中大部分偏差较大的点出现在骨组织和软组织交界处，说明人体的解剖结构的对应性对局部剂量的影响较大。

基于实现的蒙卡剂量估算方法，使用计算机图形用户界面(GUI)对其进行封装，可开发一个通用光子外照射辐射事故剂量重建软件。通用的剂量重建软件需支持人体体素模型及参数的导入，这样在事故情况下，能够通过对受照患者进行CT或MRI扫描得到其个体的体素模型，使模拟计算给出的结果适用于患者本身，这对患者的诊断和治疗更有意义^[1]。如果难以获取患者个体的体素模型，也可以导入符合其体态特征的参考人体素模型^[11]，或利用体素模型变形技术进行调整^[12]，这对于提高模拟计算结果的可应用性都很有价值。

根据计算结果可知，本研究使用的剂量重建方法得到的模拟值与利用ART人体物理模型进行照射实验的测量值在96.4%概率下偏差 < 20%。该偏差是很小的，这与验证实验方案的设计有很大关系：本研究利用了ART物理模型并通过扫描建立了其体素模型，除部分组织之间的交界面外，在人体解剖结构的数字化方面几乎不存在误差；使用二级计量标准的辐射场进行照射，能够准确的得到照射参数；此外，TLD剂量测量手段本身的不确定度也较小。这保证了剂量重建的应用环节中物理剂量估算方法的准确性。在实际事故中，剂量重建工作更多的不确定性来源于对照射情景的还原，而这可能是剂量重建工作的更大挑战，需要使用多种剂量重建手段，如生物剂量^[13-14]、TLD或样品的剂量^[15]、电子顺磁共振(EPR)技术^[16]等，进行多方法和多数据来源的相互验证。

综上，基于人体体素模型的蒙特卡罗剂量重建方法无论在全身或器官层面，还是在局部剂量分布层面都满足实际使用的精度要求，可作为外照射事故下对受照者进行剂量评估的有力工具，为诊断和救治提供支持。