電離輻射粒子在人體組織中能量沉積的微劑量學(xué)研究.pdf

1、自從1946年D.E.Lea指出輻射粒子的能量沉積微觀分布在生物效應(yīng)研究中的重要性生以來，世界上許多國(guó)家都相繼開展了這方面的研究。美國(guó)、德國(guó)和日本等許多國(guó)家從20世紀(jì)60年代起，就開始了電離輻射粒子(γ射線、中子、質(zhì)子和電子)在μm尺度上的能量沉積研究，一開始它就和生物學(xué)密切結(jié)合，同時(shí)采用理論與實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行，應(yīng)用各種數(shù)學(xué)模型將物理測(cè)量與生物學(xué)效應(yīng)聯(lián)系起來，并解釋了一些細(xì)胞失活現(xiàn)象。70年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段的創(chuàng)新

2、和完善，對(duì)電離輻射能量沉積的研究范圍又逐漸從μm量級(jí)深入到nm量級(jí)。以后伴隨著航天事業(yè)的發(fā)展和各種大型重離子加速器運(yùn)行，研究的范圍逐步又?jǐn)U展到各種類型的重離子在人體組織中產(chǎn)生能量沉積的微觀行為和方式。 在人體組織物質(zhì)中，電離輻射產(chǎn)生的瞬時(shí)(或永久)變化與電離輻射作用事件在靶物質(zhì)中發(fā)生的能量沉積、能量轉(zhuǎn)移等過程的空間分布有著非常密切的關(guān)系。在這種情況下，一些宏觀(或微觀)劑量掌量，如傳能線密度(LET)、阻止本領(lǐng)和平均授與能等，將

3、不能很好地描述輻射的物理、化掌過程以及生物掌效應(yīng)，必須進(jìn)一步對(duì)受照射物質(zhì)中的電離輻射粒子能量沉積方式和能量沉積分布進(jìn)行研究。所以，有關(guān)電離輻射粒子在物質(zhì)中射程、截面以及沿其徑跡周圍徑向劑量分布等相關(guān)物理量的研究，無論在理論上還是在實(shí)驗(yàn)中都受到廣泛的關(guān)注。通過這些研究，深刻認(rèn)識(shí)電離輻射在人體物質(zhì)中的能量沉積微觀物理基礎(chǔ)，以解釋各種電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)，并建立電離輻射作用模型與相應(yīng)的物理作用機(jī)制。在電離輻射微劑量掌研究領(lǐng)域內(nèi)，到目前為止，無

4、論在理論計(jì)算還是在實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段上，國(guó)內(nèi)在這方面開展的工作非常有限，基于國(guó)內(nèi)目前研究狀況和當(dāng)前實(shí)驗(yàn)設(shè)備乏缺的情況，作為本課題的立足點(diǎn)，首先擬從理論計(jì)算入手，研究電離輻射在人體組織內(nèi)能量沉積的微觀分布，以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在該研究領(lǐng)域的空白。 在本課題研究的前期，進(jìn)行了廣泛的資料調(diào)研工作，由于國(guó)內(nèi)資料非常有限，比較深入的相關(guān)研究工作還沒有見到文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，因此，主要通過網(wǎng)上的國(guó)外文獻(xiàn)資源，比較系統(tǒng)地了解了本學(xué)科前沿領(lǐng)域的研究狀況，在此基礎(chǔ)上逐漸形

5、成了本課題工作的研究思路。由于利用MonteCarlo方法不用對(duì)介質(zhì)內(nèi)發(fā)生的物理過程做這樣或那樣的假設(shè)，能夠真實(shí)模擬帶電粒子能量沉積的微觀過程和電離輻射粒子的空間行為，并能夠?qū)δ芰繐p失歧離、δ射線的產(chǎn)生及其它各種分叉徑跡(forkedtrack)等物理現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)描述，所以，在課題研究方法的選擇上，撇開了傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法，而首選了MonteCarlo計(jì)算方法。 在本課題研究過程中，依次完成了如下幾個(gè)方面的工作：第一，對(duì)人體組織

6、介質(zhì)中的各種成分進(jìn)行了細(xì)致的分析，得到了液態(tài)水或汽態(tài)水(密度是1g/cm3的水蒸汽)作為組織等效材料時(shí)的合理性；第二，獲得了質(zhì)子、α粒子、電子和光子在水蒸汽介質(zhì)中的各種截面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化；第三，對(duì)程序ESLOW3.1進(jìn)行了開發(fā)和改進(jìn)，利用最新的截面數(shù)據(jù)，計(jì)算了不同能量(10keV～1.6MeV)光子在組織等效材料中產(chǎn)生的電子能譜，同時(shí)計(jì)算得到了這些能量光子在介質(zhì)中產(chǎn)生的電子平均能量；第四，利用程序ESLOW3.1中的電

7、子輸運(yùn)子程序模塊，計(jì)算得到了不同能量(20eV～1.0MeV)電子在水蒸汽介質(zhì)(組織等效材料)中發(fā)生能量沉積事件的空間位置分布、能量分布，對(duì)各種事件類型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，同時(shí)，結(jié)合DNA分子直徑的大小，定義了發(fā)生能量沉積的簇點(diǎn)事件，并對(duì)簇點(diǎn)事件的頻率分布、能量分布進(jìn)行了計(jì)算；第五，分析了中子在人體組織介質(zhì)中發(fā)生的各種反應(yīng)形式，并對(duì)各種反應(yīng)產(chǎn)物的分布進(jìn)行了評(píng)價(jià)；第六，在人體組織等效介質(zhì)中，基于Wilson和Paretzke編寫的最新版本程序MO

8、CA15，模擬計(jì)算了組織等效材料中質(zhì)子和α粒子的徑跡片斷，獲得了質(zhì)子和α粒子在其徑跡上發(fā)生的能量沉積分布、次級(jí)電子能譜分布、次級(jí)電子作用點(diǎn)的徑向空間分布與劑量分布，該程序處理的單個(gè)核子能量范圍為0.3MeV/u～5MeV/u，這樣的能量范圍涵蓋了所有關(guān)心的質(zhì)子和α粒子能量區(qū)域。 通過所有這些理論計(jì)算工作，獲得了不同類型電離輻射在人體組織等效材料中能量沉積的微觀分布模式，得到了nm水平上能量沉積的事件分布和劑量分布，使我們能夠更加