西北地区陆生典型昆虫剂量学模型的建立及应用

引用本文

贡文静, 张晟, 张超, 李建国. 西北地区陆生典型昆虫剂量学模型的建立及应用[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2021, 41(11): 856-861, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2021.11.011.

贡文静 , 张晟 , 张超 , 李建国

中国辐射防护研究院, 太原 030006

收稿日期: 2021-03-06

[摘要] 目的通过对西北地区某内陆厂址进行生态环境调查，选定厂址附近优势昆虫物种中华牛角螽（Damalacanthavaccasinica B.-Bienko）作为建立剂量学模型参考物种，将计算结果与电离辐射的环境危害：评价与管理（ERICA）软件计算结果进行比较，验证本次建立昆虫剂量学模型可行性。方法针对中华牛角螽，建立基于解剖学和几何学的简化解剖学模型和基于CT断层扫描获得中华牛角螽断层序列图像建立体素模型；结合蒙特卡罗粒子输运过程，得到放射性核素粒子在昆虫组织/器官中沉积能。根据经验公式，得到昆虫剂量系数（DCs），计算出⁹⁰Sr、¹³⁷Cs对中华牛角螽的剂量率。结果 ⁹⁰Sr、¹³⁷Cs对中华牛角螽简化解剖学模型整体平均内照射剂量率结果分别为8.58×10^-2、4.25×10^-3μGy/h；外照射剂量率结果分别为2.81×10^-2、2.56×10^-1μGy/h。⁹⁰Sr、¹³⁷Cs对中华牛角螽体素模型整体平均内照射剂量率结果分别为3.91×10^-2、2.91×10^-3μGy/h；外照射剂量率结果分别为1.18×10^-2、1.12×10^-1μGy/h。ERICA软件⁹⁰Sr、¹³⁷Cs对生物整体内照射剂量率结果分别为1.46×10^-1、1.46×10^-2μGy/h，外照射剂量率结果分别为5.79×10^-2、2.58×10^-1μGy/h。结论本次建立的昆虫剂量学模型计算结果与ERICA软件结果总体相当，证明本次建立的剂量学模型所得结果可靠。随着建立模型精确度提高，计算结果也更接近实际情况，说明本次建立的剂量学模型计算结果可信。

[关键词] 中华牛角螽简化解剖学模型体素模型剂量系数剂量率

Establishment and application of typical insect dose model in northwestern China

Gong Wenjing , Zhang Sheng , Zhang Chao , Li Jianguo

China Institute for Radiation Protection, Taiyuan 030006, China

[Abstract] Objective To validate the feasibility of establishing a dosimetric model for insect species by investigating the ecological environment of an inland site in the northwestern China. Methods For Damalacore, a simplified anatomical model based on anatomy and geometry and a model based on CT scan sequence image were established to produce a voxel model. In combination with the Monte Carlo particle transport process, the deposited energy of the radionuclides in the insect tissues/organs was obtained. The dose rate from ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs to Damalacore was calculated on the basis of empirical formula. Results The dose rate from internal exposure to the simplified anatomical model was 8.58×10^-2 for ⁹⁰Sr and 4.25×10^-3μGy/h for ¹³⁷Cs, whereas the dose rate from external exposure to the simplified anatomy model was 2.81×10^-2for ⁹⁰Sr and 2.56×10^-1μGy/h for ¹³⁷Cs, respectively. The internal exposure to the voxel model from ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs was 3.91×10^-2and 2.91×10^-3μGy/h, whereas the external exposure to the voxel model from ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs was 2.81×10^-2 and 2.56×10^-1μGy/h, respectively. The internal exposure from ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs to ERICA model was 1.46×10^-1 and 1.46×10^-2μGy/h, whereas the external exposure to the ERICA model from ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs was 5.79×10^-2 and 2.58×10^-1μGy/h, respectively. Conclusions The calculated results based on the two models are similar to those based on ERICA model and therefore are proved reliable. With improved model accuracy, the calculated result are more close to the practical situation and feasible.

[Key words] Damalacore Simplified anatomical model Voxel model Dose coefficients Dose rate

随着核能的发展和人们环境保护意识的提高，电离辐射对环境中非人类物种的影响备受关注。在国际放射防护委员会(ICRP)第108号^[1]报告中，以蜜蜂作为昆虫参考生物，构成12种参考生物之一，建立蜜蜂剂量学模型并给出蜜蜂的半致死剂量、生育能力、后代存活率和导出考虑参考水平。本研究以我国西北干旱地区分布的中华牛角螽为研究对象，参照国内外对人体和实验生物剂量学模型建模方法和国际上非人类物种辐射影响评价方法，建立了中华牛角螽剂量学模型。

材料与方法 1、生物剂量率计算方法

内照射剂量系数计算方法为源器官/组织i中能量为E_i的辐射对应于靶器官/组织j的剂量系数(DC)为^[2]：

$ D{C_{i, j}}\left( {{E_i}} \right) = {\rm{ }}\frac{{5.76 \times {{10}^{ - 4}}\Sigma {E_i}{Y_i}{F_{i, j}}\left( E \right){\rm{ }}{M_i}}}{{{M_j}}} $

(1)

式中，DC_{i, j}(E_i)为源器官/组织i中能量为E_i的辐射对应于靶器官/组织j的剂量系数，μGyh^-1/Bqkg^-1；Y_i为放射性核素每次衰变时能量为E_i的辐射产额；M_i是源器官/组织的质量，kg；M_j为靶器官/组织的质量，kg。

内照射剂量率计算公式：

$ \dot D = D{C_{{\rm{int}}}}\cdot{C_{{\rm{organism}}}} $

(2)

$ {C_{{\rm{organism}}}} = CR\cdot{C_{{\rm{environment}}}} $

(3)

$ CR = \frac{{{\rm{ }}生物体内放射性核素活度浓度\left( {{\rm{Bq}}/{\rm{kg}}, 鲜重} \right){\rm{ }}}}{{环境中放射性核素活度浓度\left( {{\rm{Bq}}/{\rm{kg}}} \right)}} = \frac{{{C_{{\rm{organism}}}}}}{{{C_{{\rm{environment}}}}}} $

(4)

式中，Ḋ为剂量率，μGy/h；DC_int为生物体内照射剂量系数，μGyh^-1/Bqkg^-1；CR为生物体浓集因子，m³/kg；C_organism为生物体内放射性核素活度浓度，Bq/kg；C_environment为生物体所在表层土壤中的放射性核素活度浓度，Bq/kg。

外照射剂量系数的计算同公式(1)，放射源来自生物体所在环境介质，外照射剂量率计算公式为：

$ {\dot D_{{\rm{out}}}} = D{C_{{\rm{out}}}}\cdot{C_{{\rm{environment}}}} $

(5)

式中，Ḋ_out为外照射剂量率，μGy/h；DC_out为外照射剂量系数，μGyh^-1/Bqm^-3；C_environment为环境介质中放射性核素活度浓度，Bq/m³。

2、简化解剖学模型

根据中华牛角螽解剖结果划分出外骨骼、消化器官、生殖器官和其他组织，将器官/组织使用简单几何体简化，建立简化解剖学模型，见表 1。

表 1 中华牛角螽简化解剖学模型几何参数 Table 1 Geometrical parameters for simplified anatomy model of Damalacore

组织/器官	形状	曲面方程(长、宽、高=x、y、z)
头	椭球壳	外椭球：$\frac{{{{\left( {x + 2.12} \right)}^2}}}{{0.125{\rm{ }}{5^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{{0.166}^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{{{0.439}^2}}} \le 1$
		内椭球：$\frac{{{{\left( {x + 2.12} \right)}^2}}}{{0.127{\rm{ }}{5^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{{0.066}^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{{{0.139}^2}}} \ge 1$
胸	椭圆柱壳	外椭圆柱：$\frac{{{y^2}}}{{0.330{\rm{ }}{6^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{0.419{\rm{ }}{2^2}}} \le 1$
		内椭圆柱：$\begin{array}{l} \frac{{{y^2}}}{{0.306{\rm{ }}{9^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{0.394{\rm{ }}{4^2}}} \ge 1\\ - 1.985{\rm{ }}8 \le x \le - 0.744{\rm{ }}8 \end{array}$
腹	椭圆壳	外椭圆：$\frac{{{x^2}}}{{1.217{\rm{ }}{3^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{{0.418}^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{{{0.53}^2}}} \le 1$
		内椭圆：$\begin{array}{l} \frac{{{x^2}}}{{1.192{\rm{ }}{3^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{{{0.393}^2}}} + \frac{{{z^2}}}{{{{0.505}^2}}} \ge 1\\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} x \ge - 0.744{\rm{ }}8 \end{array}$
胃	实体球	${\left( {x + 1.365{\rm{ }}3} \right)^2} + {y^2} + {z^2} - 0.247{\rm{ }}{5^2} \le 0$
肠道	实体圆柱体	$\begin{array}{l} {y^2} + {\left( {z - 0.177} \right)^2} - {0.177^2} \le 0\\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} - 0.427{\rm{ }}5 \le x \le 0.427{\rm{ }}5 \end{array}$
生殖器官	实体椭球体	$\frac{{{x^2}}}{{0.228{\rm{ }}{5^2}}} + \frac{{{y^2}}}{{0.205{\rm{ }}{5^2}}} + \frac{{{{\left( {z + 0.1} \right)}^2}}}{{{{0.1}^2}}} \le 1$

表 1 中华牛角螽简化解剖学模型几何参数 Table 1 Geometrical parameters for simplified anatomy model of Damalacore

3、体素模型建立

本研究中断层序列图像由山西省煤炭中心医院放射科提供，共86帧，体素0.352 7 mm×0.352 7 mm×0.625 mm，使用PS软件将体素减小到0.1 mm×0.1 mm×0.625 mm。中华牛角螽断层序列图像经过三维重建后重新获取图像，所以无需再进行图像配准。

根据实物解剖图对CT断层序列图像进行器官/组织的分割并将同一器官填充同一种颜色。图 1所示中华牛角螽分割后部分CT断层序列图像。

图 1 中华牛角螽识别与分割后部分CT断层序列图像 Figure 1 CT fault sequence image of identified and segmented part of Damalacore

使用Python编写一段小程序，将上述图像根据每种颜色的色彩模式(RGB)值，将图像转换为蒙特卡罗重复结构输入矩阵，并得到中华牛角螽体素模型的体素个数、组织/器官体积，计算其参数，见表 2。

表 2 中华牛角螽体素模型CT断层序列参数 Table 2 CT fault sequence image parameters of voxel model of Damalacore

将得到的输入矩阵加入蒙特卡罗重复卡中，使用蒙特卡罗结合Xming软件，得到中华牛角螽体素模型xy、xz、yz的截面图(图 2)。

图 2 中华牛角螽体素模型截面图A.xy面；B.xz面；C.yz面 Figure 2 Sectional view of voxel model of Damalacore A. Sectional view of plane xy; B. Sectional view of plane xz; C. Sectional view of plane yz

结果 1、简化解剖学模型内照射剂量率

本研究采用某厂流出物中常见裂变核素⁹⁰Sr、¹³⁷Cs，使用蒙特卡罗模拟粒子能量计算中华牛角螽内照射沉积能，再根据公式(1)计算出中华牛角螽内照射剂量系数。

采用ICRP第114号出版物^[3]中提供的参考昆虫导出浓度比(CR)，在ICRP参考昆虫体内⁹⁰Sr为0.084 m³/kg、¹³⁷Cs为0.004 7 m³/kg。采用某厂址周围放射性核素⁹⁰Sr和¹³⁷Cs在土壤中活度浓度^[4]作为本次模拟数据，其中^⁹⁰SrC=3 568 Bq/m³、^¹³⁷CsC=22 432 Bq/m³。具体计算结果见表 3。

表 3 ⁹⁰Sr、¹³⁷Cs对中华牛角螽简化解剖学模型各源器官内照射剂量系数(μGyh^-1/Bqkg^-1) Table 3 Internal dose coefficients from ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs for simplified anatomical model of Damalacore(μGyh^-1/Bqkg^-1)

根据表 4，在上述结果中，由于其他组织在整个生物体中所占体积最大，因此，导致其他组织的剂量率比外骨骼、消化器官和生殖器官偏大。除其他组织外，放射性核素⁹⁰Sr和¹³⁷Cs在靶器官中剂量率是最大的，说明粒子能量大部分沉积在靶器官中。

表 4 ⁹⁰Sr、¹³⁷Cs在中华牛角螽简化解剖学模型各个源器官中对周围靶器官剂量率(μGy/h) Table 4 Dose rate from ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs in source organ to target organ of simplified anatomical model of Damalacore(μGy/h)

2、简化解剖学模型外照射剂量率

假设生物体在土壤-空气交界面范围活动，空气贡献剂量可忽略，只考虑10 cm[电离辐射的环境危害：评价与管理(ERICA)推荐土壤源厚度]厚土壤源贡献剂量。同内照射模拟过程，再根据公式(5)计算得到生物体外照射剂量系数(DCs)，这里计算的中华牛角螽简化解剖学模型外照射剂量系数随源半径变化趋势与中华牛角螽简化解剖学模型外照射剂量率随源半径变化趋势相同。

由^90_SrC=3 568 Bq/m³、^137_CsC=22 432 Bq/m³，得到中华牛角螽简化解剖学模型外照射剂量率随源半径变化趋势图(图 3)

图 3 中华牛角螽简化解剖学模型各个器官外照射剂量率A. ⁹⁰Sr源; B. ¹³⁷Cs Figure 3 External dose rate to simplified anatomical model of Damalacore A. ⁹⁰Sr; B. ¹³⁷Cs

根据图 3，随着土壤源半径逐次增加，剂量率值也逐次递增。当土壤源半径达到一定值时，组织/器官剂量率就会达到一个平衡状态。

3、体素模型内照射剂量率

体素模型内照射沉积能模拟计算过程同简化解剖学模型，再根据公式(1)计算出中华牛角螽体素模型内照射剂量系数，见表 5。

表 5 ⁹⁰Sr、¹³⁷Cs对中华牛角螽体素型内照射剂量系数(μGyh^-1/Bqkg^-1) Table 5 Internal dose coefficients due to ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs to voxel model of Damalacore(μGyh^-1/Bqkg^-1)

由CR_{90_Sr}=0.084 m³/kg、CR_{137_Cs}=0.004 7 m³/kg，^90_SrC=3 568Bq /m³、^137_CsC=22 432 Bq/m³，根据公式(2)、(3)和(4)，计算出中华牛角螽体素模型内照射剂量率，见表 6。

表 6 ⁹⁰Sr、¹³⁷Cs在中华牛角螽体素模型各源器官中对周围靶器官剂量率(μGy/h) Table 6 Dose rate from ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs in source organ to target organ of voxel model of Damalacore(μGy/h)

与简化解剖学模型相比，体素模型更加能够突出粒子能量大部分沉积在源器官中。

4、体素模型外照射剂量率

同内照射沉积能模拟过程，根据公式(5)计算得到中华牛角螽外照射剂量系数。这里计算的中华牛角螽体素模型外照射剂量系数随源半径变化趋势与中华牛角螽体素模型外照射剂量率随源半径变化趋势相同。

已知：^90_SrC=3 568 Bq/m³、^137_CsC=22 432 Bq/m³。根据公式(5)，计算出中华牛角螽体素模型各个靶器官外照射剂量率随源半径变化趋势图(图 4)。

图 4 中华牛角螽体素模型各个器官不同放射源外照射剂量率(μGy/h) A. ⁹⁰Sr源；B. ¹³⁷Cs源 Figure 4 The external exposure dose rateof the voxel model of the Damalacore(μGy/h)A. ⁹⁰Sr; B. ¹³⁷Cs

在中华牛角螽体素模型外照射剂量率计算结果中，源距离与剂量率之间的关系和简化解剖学模型相似。不同的是，每种组织/器官的剂量率水平处在同一数量级，这与组织/器官的体积有关，体积越大，沉积能量越大，导致剂量率偏大。体素模型能够较真实反映生物体组织器官形态，因此体素模型计算数据更能体现生物受照情况。

5、评价与管理(ERICA)软件计算结果

在ERICA tool 1.3版本程序中输入中华牛角螽基本数据(生活环境、生物类型、对应几何形状的长宽高、质量和CR值等)，使用ERICA程序中提供的⁹⁰Sr、¹³⁷Cs放射性核素对中华牛角螽计算内外照射剂量率。由于ERICA计算的是整体生物的剂量率，所以本次比较使用本研究计算结果平均值，见表 7。

表 7 ⁹⁰Sr、¹³⁷Cs在不同计算方法下对中华牛角螽剂量率计算结果(μGy/h) Table 7 The dose rate of ⁹⁰Sr and ¹³⁷Cs calculated by different methods(μGy/h)

讨论

近年来，剂量学模型得到突飞猛进的发展，基于简化解剖学模型，韩学垒与李建国^[2]建立了蛙类简化解剖学模型；体素模型建立初期均应用在人体上，对人的剂量学评价作出突出的贡献。Zhang等^[5]基于人体断层解剖图建立了中国人体素模型；Li等^[6]基于MRI技术建立了中国男性体素模型。人体体素模型的发展已相对比较成熟，近几年，一些科研工作者将这种剂量率模型应用在动物的辐射剂量率评价中，也同样适用。比如Caffrey与Higley^[7]基于CT断层扫描图像建立了珍宝蟹体素模型；王艾俊等^[8]基于CT断层扫描序列图片，建立鲤鱼和河蟹体素模型等。

本次建立的两种剂量模型与ERICA结果比较，内照射结果显示，ERICA计算的结果均比本次建立的简化解剖学模型结果和体素模型结果小一个数量级；外照射结果显示3种计算结果均在同一数量级。分析原因主要有以下4点：①使用模型不同：本次建立简化解剖学模型与体素模型均能体现生物体内部组织/器官，ERICA软件所用ICRP推荐整体简化模型不能体现生物内部组织结构。②在ERICA软件中添加中华牛角螽数据构建出的模型可能与实际中华牛角螽形态存在较大偏差，且在计算吸收剂量时体积越大吸收剂量越小。③昆虫的大小可能小于粒子平均自由程，导致粒子能量没有完全沉积在生物体体内。④放射性核素辐射类型存在主观因素，本研究中⁹⁰Sr、¹³⁷Cs考虑其主要辐射类型。

由于中华牛角螽简化解剖学模型和体素模型是基于真实生物解剖数据建立的，更加真实的反映了生物体内部组织器官解剖结构，因此更能准确得出生物体剂量系数估算结果。本次建立的中华牛角螽简化解剖学模型和体素模型方法可靠，实用性强，对建立适合我国核设施放射性流出物对周围环境中非人类物种辐射影响评价具有重要意义。在实际环境评价时，保守估计更被人们所接受，但是在科学研究中，得到精确的结果是非常重要的。本次建立的高精准模型有利于避免由于保守估计而导致在核工业环境评价中的过度防护。

利益冲突 全体作者未因进行该研究而接受任何不正当的职务或财务利益，在此对研究的独立性和科学性给予保证

志谢中国辐射防护研究院放射生态研究室某纵向项目

作者贡献声明 贡文静负责资料整理，编写程序及计算数据并起草论文；张晟负责编写程序；张超负责样品收集和基础数据处理；李建国负责课题设计和指导论文写作

参考文献

[1]	Clarke RH, Holm LE. Development of ICRP's philosophy on the environment. A report of environmental protection: the concept and use of reference animals and plants[J]. Ann ICRP, 2008, 38(4-6): 3-242. DOI:10.1016/j.icrp.2009.04.002
[2]	韩学垒, 李建国. 非人类物种辐射剂量估算中剂量转换因子分析[J]. 辐射防护通讯, 2011, 31(1): 15-20. Han XL, Li JG. Analysis of dose conversion coefficient for radiation dose evaluation in non-human species[J]. Radiat Prot Bull, 2011, 31(1): 15-20. DOI:10.3969/j.issn.1004-6356.2011.01.003
[3]	International Commission on Radiological Protection. ICRP. Publication 114. Environmental protection: transfer parameters for reference animals and plants[R]. Oxford: Pergamon Press, 2009.
[4]	秦苏云, 周彩云, 周子荣, 等. 某厂周围地区环境生态学研究[J]. 辐射防护通讯, 1992, (3): 1-13. DOI: CNKI:SUN:DEFE.0.1992-03-000. Qin SY, Zhou CY, Zhou ZR, et al. A study on environmental ecology of the surrounding area[J]. Radiat Prot Bull, 1992, (3): 1-13. DOI: CNKI:SUN:DEFE.0.1992-03-000.
[5]	Zhang B, Ma J, Liu L, et al. CNMAN: a Chinese adult male voxel phantom constructed from color photographs of a visible anatomical data set[J]. Radiat Prot Dosim, 2007, 124(2): 130-136. DOI:10.1093/rpd/ncm184
[6]	Li J, Qiu R, Zhang Z, et al. Organ dose conversion coefficients for external photon irradiation using the Chinese voxel phantom (CVP)[J]. Radiat Prot Dosim, 2009, 135(1): 33-42. DOI:10.1093/rpd/ncp087
[7]	Caffrey EA, Higley KA. Creation of a voxel phantom of the ICRP reference crab[J]. J Environ Radioact, 2013, 120: 14-18. DOI:10.1016/j.jenvrad.2013.01.006
[8]	王艾俊, 李建国, 韩宝华, 等. 水生生物体素模型的剂量转换因子计算[J]. 辐射防护, 2015, 35(S1): 67-75, 89. DOI: CNKI:SUN:FSFH.0.2015-S1-015. Wang AJ, Li JG, Han BH, et al. Calculation of dose rate conversion factor for aquatic voxel model[J]. Radiat Prot, 2015, 35(S1): 67-75, 89. DOI:CNKI:SUN:FSFH.0.2015-S1-015.


中华放射医学与防护杂志 2021, Vol. 41 Issue (11): 856-861	PDF