CN103913760A - 一种测量等效胸壁厚度的峰谷比方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量等效胸壁厚度的峰谷比方法，使用肺部计数器对含有已知活度等效肺模源的人体躯干模型进行体外直接测量，通过改变躯干模型胸壁的等效厚度，得到不同等效胸壁厚度下的测量谱，对测量谱进行解谱分析得到对应的峰区和谷区净计数n和C，算出峰谷比R=n/C，作R～MEQ_CWT曲线图并拟合得到关系函数，将此函数作为峰谷比法测量等效胸壁厚度的根本依据，在MEQ_CWT未知的情况下，即可利用测量得到的峰谷比R直接推算出实际的等效胸壁厚度；本方法精准简便，一举两得。

Description

一种测量等效胸壁厚度的峰谷比方法

技术领域

本发明涉及辐射防护领域人体肺部沉积超铀核素的内照射剂量评估，在测量肺部放射性核素存量工作中有所应用，具体涉及测量人体等效胸壁厚度的峰谷比方法。

背景技术

对于从事放射性工作的人员，在某些特定的工作环境下，放射性气溶胶的吸入不可避免,吸入的气溶胶被肺部吸收，参与人体内循环，随排泄物逐量被排出体外,但是部分核素尤其是超铀核素如Pu、Am等在肺部沉积时间很长，参与人体内部循环的份额少，将对人体产生长期内照射危害,为对此类沉积核素进行内照射剂量评价，需要对核素在肺部的现有含量进行准确测定。

目前采用较多的方法是采用肺部计数器对准胸部进行体外直接测量，根据测量结果和射线衰减规律计算肺部核素含量,在此过程中，肺表面覆盖胸壁的厚度、脂肪和肌肉的相对含量等对计算结果影响显著，通常用肌肉等效胸壁厚度（Muscle Equivalent chest wall thickness，MEQ_CWT，下文统一简称等效胸壁厚度）这一物理量对这些参数进行统一标定，其计算公式如下：

${\mathrm{MEQ}}_{\mathrm{CWT}}=\frac{\mathrm{CWT}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{msc}}}[\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{adp}}\mathrm{AMF}}{100}+\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{msc}}(100-\mathrm{AMF})}{100}---\left(1\right)$

式中：MEQ_CWT——等效胸壁厚度；

CWT——几何胸壁厚度；

AMF——胸壁中脂肪的质量百分比；

μ_msc、μ_adp——肌肉和脂肪对所测射线的线衰减系数。

MEQ_CWT的引入使胸壁对射线的衰减能够按纯肌肉进行等效计算，统一了变量，简化了计算程序，在肺部沉积放射性测量中得到普遍应用。（1）式中μ_msc和μ_adp可由查表计算得到，在所测γ射线能量确定的情况下为定值；CWT和AMF的值受个体差异影响，需进行具体测量。AMF通常用皮脂钳即可测量；CWT是胸壁的实际厚度，目前普遍采用的测量方法是利用医学成像设备（主要包括CT、B超、MRI等）对人体胸部进行断层扫描，通过三维重建形成立体影像并进行影像分割，然后利用电子尺或者人工方法对分割出来的胸壁直接测量得到胸壁厚度CWT。

上述方法测量MEQ_CWT精度较高，但同时存在两方面的缺点：1）需要借助额外的医疗器械，增加了测量程序，测量成本升高；2）不能直接得到MEQ_CWT的值,针对这些问题，利用峰谷比法直接测量MEQ_CWT是一种行之有效的解决方法。

测量等效胸壁厚度的峰谷比法是根据射线穿过介质后被探测器吸收所形成的谱中，峰区和谷区计数的比值，即“峰谷比”直接反应介质等效厚度的信息这一原理，使用肺部计数器对MEQ_CWT进行直接测量的。峰区是指所测γ射线的全能峰；谷区一般选取康普顿边缘到全能峰左侧之间的一小段区域，在没有阻挡介质时，谷区计数很低，但当有介质阻挡时，射线的前向散射作用增加，使得谷区计数增加，同时由于介质对全能射线的衰减，峰区计数随之减少，两种相反的变化使得当等效胸壁厚度增加时，峰谷比将呈现明显的下降趋势,因此研究峰谷比随等效胸壁厚度的变化规律并得到相应的关系函数，对于等效胸壁厚度的峰谷比法直接测量具有重要的现实意义。

文献检索表明，国内外关于MEQ_CWT测量的文献报道多数基于式（1），先利用医学成像设备测出CWT后再代入（1）式进行计算，而峰谷比法多用于放射性核素深度分布的就地测量，关于等效胸壁厚度的峰谷比法直接测量方面的研究尚未见报道。

本发明利用峰谷比法测量等效胸壁厚度，可以在测量肺部放射性沉积的同时获知MEQ_CWT的值，克服了传统MEQ_CWT测量方法存在的需借助医学设备、测量程序复杂、成本高、不能直接测量等效胸壁厚度的问题,在实验刻度出R～MEQ_CWT关系函数的基础上，能够利用同一套设备测量、解谱、快速算出MEQ_CWT值，简单方便，操作性强，在肺部内照射剂量评价中具有很好的实际应用价值。

发明内容

本发明的目在于：提供的测量等效胸壁厚度的峰谷比方法，在测量肺部放射性沉积量的同时实现对等效胸壁厚度的峰谷比法直接测量，解决传统测量方法的两个主要缺陷。

本发明的目的是这样实现的：一种测量等效胸壁厚度的峰谷比方法，分步骤实施：

1）峰谷比法测量MEQ_CWT函数形式确定

根据射线衰减规律推导了理想条件下峰谷比法测量MEQ_CWT的理论公式，并用蒙卡模拟进行了检验，得到峰谷比法测量MEQ_CWT的基本函数形式：

1R=kημMEQ_CWT    （2）

式中：R—峰谷比；

μ—肌肉对关注能量射线的线衰减系数；

η—几何修正因子，与具体的测量几何条件有关；

k—谷区散射因子，表示γ光子与物质发生一次相互作用时，发生前向散射并到谷区的概率，与射线能量、作用物质成分、谷区的选择有关；在测量射线能量及几何条件确定的情况下，峰谷比的倒数—“谷峰比”1/R与MEQ_CWT呈明显的线性关系；

式（2）中的k因子的计算公式经理论推导得到；

$k=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(k_i{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mi}}\·W_i)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mi}}\·W_i)}---\left(3\right)$

式中：_μmi—作用物质中各组成核素的质量衰减系数，cm²/g；

W_i—作用物质中各组成核素的质量分数；

k_i—作用物质中各组成核素的k因子，单一核素的k因子可以用下面的推导公式表示：

$k=\frac{Z\·\frac{{\mathrm{\πr}}_0^2}{\mathrm{\α}}{\∫}_{E_{\min }^{\′}}^{E_{\max }^{\′}}[(\frac{2}{\mathrm{\α}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2})\frac{1}{E_{\mathrm{\γ}}}-(\frac{2}{\mathrm{\α}}+\frac{2}{{\mathrm{\α}}^2}-1)\frac{1}{E^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2}\frac{E_{\mathrm{\γ}}}{E^{\′2}}+\frac{E^{\′}}{E_{\mathrm{\γ}}^2}]{\mathrm{dE}}^{\′}}{{\mathrm{\μ}}_{m}A/N_A}---\left(4\right)$

式中：E_γ、E′_min、E′_max—关注射线的初始能量、谷区能量的下边界和上边界；

Z、A—核素的原子序数、质量数；

μ_m—核素对关注能量射线的质量衰减系数；

N_A—阿伏伽德罗常数，6.022×10²³；

α≡hv/m₀r₀ ²，r₀为经典电子半径；

2）峰谷比法测量MEQ_CWT实验

利用肺部计数器和人体躯干模型进行MEQ_CWT的峰谷比法测量实验，实验对²⁴¹Am59.54keVγ射线的分辨率FWHM为1keV，铅屏蔽层厚度10cm，通风条件下59.54keVγ射线峰区平均本底为0.0147cps；测量时，调节4个探测器的相对位置，使探测器前端面尽量靠近胸壁表面并与之平行，距离为2-10mm，整个测量过程中要保持胸壁表面与探头的相对位置不变；

3）解谱分析与数据处理

为了得到不同胸壁厚度下的峰谷比，所用肺模源为²⁴¹Am，由肺部计数器测得的谱形图；解谱获得峰区和谷区净计数后，即可得到不同MEQ_CWT下的峰谷比R，作R～MEQ_CWT曲线图并拟合得到关系函数；通过解谱分析与数值计算直接得到MEQ_CWT，不过在实际测量时，应保持探测器与胸壁的相对位置与实验测量时一致，因为（2）式中的η值与测量几何条件密切相关。

本发明为等效胸壁厚度的峰谷比测量方法，使用肺部计数器对含有已知活度等效肺模源的人体躯干模型进行体外直接测量，通过改变躯干模型胸壁的等效厚度，得到不同等效胸壁厚度下的测量谱，对测量谱进行解谱分析得到对应的峰区和谷区净计数n和C，算出峰谷比R=n/C，作R～MEQ_CWT曲线图并拟合得到关系函数，将此函数作为峰谷比法测量等效胸壁厚度的根本依据，在MEQ_CWT未知的情况下，即可利用测量得到的峰谷比R直接推算出实际的等效胸壁厚度；本方法精准、简便，一举两得，彰显技术进步。

附图说明

本发明将结合附图作进一步说明。

附图为²⁴¹Am肺模测量谱;

如图所示：1-峰区、2-谷区；本底A；射线的非全能吸收贡献B；胸壁的前向散射贡献C，其中C部分为所要求的谷区净计数；本底A通过全能峰右侧相同道宽的本底作为等效，B部分由全能峰净计数乘以非全能吸收因子F获得，F是只与探测器结构相关的参数，通过肺模源不加胸壁盖板时，（谷区计数-本底计数）除以全能峰净计数得到；全能峰净计数利用谱获取软件自带的峰面积计算功能得到。

具体实施方式

本发明将结合实施例作进一步说明。

实施例

1、峰谷比法测量MEQ_CWT函数形式确定

基于MEQ_CWT实际测量中胸壁及肺部的形状不规则、组分不均匀，无法进行精确的数学建模以推导测量公式的问题，对测量条件予以简化，将肺及胸壁分别简化为形状规则、成分均匀的圆柱体，它们的成分分别采用ICRU46号报告给出的肺部及肌肉的核素成分进行等效。根据射线衰减规律推导了理想条件下峰谷比法测量MEQ_CWT的理论公式，并用蒙卡模拟进行了检验，得到峰谷比法测量MEQ_CWT的基本函数形式：

1R=kημMEQ_CWT    （2）

式中：R——峰谷比；

μ——肌肉对关注能量射线的线衰减系数；

η——几何修正因子，与具体的测量几何条件有关；

k——谷区散射因子，表示γ光子与物质发生一次相互作用时，发生前向散射并到谷区的概率，与射线能量、作用物质成分、谷区的选择有关；

可以看出，在测量射线能量及几何条件确定的情况下，峰谷比的倒数——“谷峰比”1/R与MEQ_CWT呈明显的线性关系；

式（2）中的k因子的计算公式经理论推导得到；

$k=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(k_i{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mi}}\·W_i)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mi}}\·W_i)}---\left(3\right)$

式中：μ_mi——作用物质中各组成核素的质量衰减系数，cm²/g；

W_i——作用物质中各组成核素的质量分数；

k_i——作用物质中各组成核素的k因子，单一核素的k因子可以用下面的推导公式表示：

$k=\frac{Z\·\frac{{\mathrm{\πr}}_0^2}{\mathrm{\α}}{\∫}_{E_{\min }^{\′}}^{E_{\max }^{\′}}[(\frac{2}{\mathrm{\α}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2})\frac{1}{E_{\mathrm{\γ}}}-(\frac{2}{\mathrm{\α}}+\frac{2}{{\mathrm{\α}}^2}-1)\frac{1}{E^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2}\frac{E_{\mathrm{\γ}}}{E^{\′2}}+\frac{E^{\′}}{E_{\mathrm{\γ}}^2}]{\mathrm{dE}}^{\′}}{{\mathrm{\μ}}_{m}A/N_A}---\left(4\right)$

式中：E_γ、E′_min、E′_max——关注射线的初始能量、谷区能量的下边界和上边界；

Z、A——核素的原子序数、质量数；

μ_m——核素对关注能量射线的质量衰减系数；

N_A——阿伏伽德罗常数，6.022×10²³；

α≡hv/m₀r₀ ²，r₀为经典电子半径。

2、峰谷比法测量MEQ_CWT实验

利用肺部计数器和人体躯干模型进行MEQ_CWT的峰谷比法测量实验。实验所用肺部计数器由一个铅屏蔽室，4个平板型低本底HPGe探头、多道谱仪等组成，探头型号EGM3800-20-R，法国EUROS公司生产，对²⁴¹Am59.54keVγ射线的分辨率FWHM为1keV；铅屏蔽层厚度10cm，通风条件下59.54keVγ射线峰区平均本底为0.0147cps；仿真躯干模型按照实际成年人体型制作而成，各组织按照等效材料制作，内部为肺模源，上面覆盖的胸壁具有不同厚度的模板，可拆卸。

测量时，调节4个探测器的相对位置，使探测器前端面尽量靠近胸壁表面并与之平行，距离宜取2-10mm，位置调好后固定探测器阵列，对覆盖不同厚度胸壁盖板的躯干模型进行测量，并对测量得到的谱进行保存，整个测量过程中要保持胸壁表面与探头的相对位置不变。

3、解谱分析与数据处理

为了得到不同胸壁厚度下的峰谷比，需要对测量谱进行解谱分析，本发明所用肺模源为²⁴¹Am，由肺部计数器测得的谱形如图所示。

通常选取全能峰左侧计数较低的一段作为谷区，在铅屏蔽室内，谷区计数一般由三部分组成：本底A；射线的非全能吸收贡献B；胸壁的前向散射贡献C，其中C部分为所要求的谷区净计数。本底通过全能峰右侧相同道宽的本底作为等效，B部分可由全能峰净计数乘以非全能吸收因子F获得，F是只与探测器结构相关的参数，可以通过肺模源不加胸壁盖板时，（谷区计数-本底计数）除以全能峰净计数得到。全能峰净计数可以利用谱获取软件自带的峰面积计算功能得到。

解谱获得峰区和谷区净计数后，即可得到不同MEQ_CWT下的峰谷比R，作R～MEQ_CWT曲线图并拟合得到关系函数，该函数即可用于实际的等效胸壁厚度测量，达到在测量肺部放射物质存量的同时，通过解谱分析与数值计算直接得到MEQ_CWT的目的。不过在实际测量时，应保持探测器与胸壁的相对位置与实验测量时一致，因为（2）式中的η值与测量几何条件密切相关。

4、技术效果验证

利用上面所述的实验装置及数据处理方法进行了峰谷比法测量等效胸壁厚度实验验证。

阵列探测器表面距离胸壁表面5mm，躯干模型包括一个胸壁基板及1～4cm四种不同厚度的胸壁盖板，分别使用胸壁基板以及基板加盖不同厚度的胸壁盖板进行等效胸壁厚度测量实验，谷区能量为56～58keV。对测量谱进行解谱并将四个探测器的结果进行加和处理，得到不同胸壁厚度对应的谷峰比1/R。对MEQ_CWT及1/R进行函数拟合，得：

1R=0.046MEQ_CWT+0.011    （5）

相关系数R²=0.997。

可见谷峰比1/R与MEQ_CWT呈明显的线性关系，与（2）式给出的函数形式是吻合的。对于肌肉而言，在射线能量为59.54keV，谷区为56～58keV时，通过式（3）计算得到相应的k=0.161，查表得μ=0.214，所以实验条件下的几何修正因子为η=0.046/kμ=1.34。测量条件不变则η不变，在实际测量时，应保证探测器与人体胸壁的相对位置和距离等与实验测量时一样，这时η便可看做一个定值，直接利用实验刻度的1/R～MEQ_CWT关系函数即可测得等效胸壁厚度值。

利用实验得到的谷峰比和拟合得到的（5）式进行MEQ_CWT的计算，计算结果及其与实际值的比较见下表。

表  等效胸壁厚度计算结果

由上表数据得知：利用拟合公式计算出来的MEQ_CWT值与实际值相对偏差在±3%以内。说明拟合公式准确可信的，利用峰谷比法测量等效胸壁厚度是可行的。

Claims (1)

1.一种测量等效胸壁厚度的峰谷比方法，其特征在于：分步骤实施：

1）峰谷比法测量MEQ_CWT函数形式确定

根据射线衰减规律推导理想条件下峰谷比法测量MEQ_CWT的理论公式，并用蒙卡模拟进行了检验，得到峰谷比法测量MEQ_CWT的基本函数形式：

1R=kημMEQ_CWT            （2）

式中：R—峰谷比；

μ—肌肉对关注能量射线的线衰减系数；

η—几何修正因子，与测量几何条件有关；

k—谷区散射因子，表示γ光子与物质发生一次相互作用时，发生前向散射并到谷区的概率，与射线能量、作用物质成分、谷区的选择有关，在测量射线能量及几何条件确定的情况下，峰谷比的倒数—“谷峰比”1/R与MEQ_CWT呈线性关系；

式（2）中的k因子的计算公式经理论推导得到；

$k=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(k_i{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mi}}\·W_i)}{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mi}}\·W_i)}---\left(3\right)$

式中：μ_mi—作用物质中各组成核素的质量衰减系数，cm²/g；

W_i—作用物质中各组成核素的质量分数；

k_i—作用物质中各组成核素的k因子，单一核素的k因子，用下面的推导公式表示：

$k=\frac{Z\·\frac{{\mathrm{\πr}}_0^2}{\mathrm{\α}}{\∫}_{E_{\min }^{\′}}^{E_{\max }^{\′}}[(\frac{2}{\mathrm{\α}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2})\frac{1}{E_{\mathrm{\γ}}}-(\frac{2}{\mathrm{\α}}+\frac{2}{{\mathrm{\α}}^2}-1)\frac{1}{E^{\′}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2}\frac{E_{\mathrm{\γ}}}{E^{\′2}}+\frac{E^{\′}}{E_{\mathrm{\γ}}^2}]{\mathrm{dE}}^{\′}}{{\mathrm{\μ}}_{m}A/N_A}---\left(4\right)$

式中：E_γ、E′_min、E′_max—关注射线的初始能量、谷区能量的下边界和上边界；

Z、A—核素的原子序数、质量数；

μ_m—核素对关注能量射线的质量衰减系数；

N_A—阿伏伽德罗常数，6.022×10²³；

α≡hv/m₀r₀ ²，r₀为经典电子半径；

2）峰谷比法测量MEQ_CWT实验

利用肺部计数器和人体躯干模型进行MEQ_CWT的峰谷比法测量实验，实验对²⁴¹Am59.54keVγ射线的分辨率FWHM为1keV，铅屏蔽层厚度10cm，通风条件下59.54keVγ射线峰区平均本底为0.0147cps；测量时，调节4个探测器的相对位置，使探测器前端面尽量靠近胸壁表面并与之平行，距离为2-10mm，整个测量过程中保持胸壁表面与探头的相对位置不变；

3）解谱分析与数据处理

为了得到不同胸壁厚度下的峰谷比，所用肺模源为²⁴¹Am，由肺部计数器测得的谱形图；解谱获得峰区和谷区净计数后，即可得到不同MEQ_CWT下的峰谷比R，作R～MEQ_CWT曲线图并拟合得到关系函数；通过解谱分析与数值计算直接得到MEQ_CWT，不过在实际测量时，应保持探测器与胸壁的相对位置与实验测量时一致，因为（2）式中的η值与测量几何条件密切相关。