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1、 I华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 近年来随着层析成像技术和计算机技术的迅速发展，开发准确而真实的生物体解剖模型已经成为可能，原有的许多非常重要的生物电离辐射效应的观点和结论都需要被重新审视和评估。与此同时，随着辐射防护和应用的研究发展，建立评价非人类物种电离辐射影响的框架等新的需求也开始出现。要对这些重要的新旧观点进行重新审视和评估，必须开发出新的、准确而真实的生物体解剖模型，并将其运用到辐射研究领域并获得新的数据。 本文通过一套小动物成像系统获取了 Sprague Dawley（SD）大鼠的高精度断层图像数据集，运用自动、半自动和手动方法
2、对其进行分割，并基于其分割结果数据集构建了一个全新的、真实的、具有大鼠准确解剖结构信息的体素模型。 本文运用 MCNPX 蒙特卡罗辐射模拟代码，模拟了在多种辐射条件（DV、VD、LLAT、RLAT、ISO） 、多种辐射能级（0.01100 MeV）下，多种外部辐射粒子（光子、电子）与大鼠组织器官之间的物理反应。通过设置具体辐射条件、物理模型和物理反应，本文首次基于大鼠体素模型计算获得了在外部粒子辐射条件下一套完整的大鼠组织器官的吸收剂量（Absorbed Dose）和大鼠的有效剂量（Effective Dose） ，并以表格形式给出计算结果。 本文搭建了一个可行的辐射剂量模拟计算平台，通过该计
3、算平台可以模拟计算出其它小动物组织器官在给定辐射条件下获得的组织器官吸收剂量的分布。 计算结果表明大鼠组织器官的体积、形状、位置和分布等解剖结构特征对其吸收剂量的分布有着重要的影响。外部辐射条件，如粒子类型、辐射方向、辐射能量也影响着大鼠组织器官的吸收剂量的分布。 研究证明通过将生物体准确的解剖模型和计算机模拟计算相结合的方法，为获得外部粒子辐射对典型小动物的影响和其辐射吸收剂量分布信息提供了一种有效的手段。这些数据填补了目前非人类物种辐射计量数据集的空白，也为研究生物体解本课题受到国家高技术研究发展计划（863 计划：2006AA02Z343） ，国家自然科学基金（30727002）和高校和
4、创新研究团队项目的资助 II华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 剖结构对放射剂量分布的影响提供了数据基础，从而为临床放疗规划、核医药、核辐射防护的动物试验设计提供精确量化参考。同时这些数据和结论可以推广到核辐射对其他小动物影响的研究上，也为建立一个非人类物种辐射效应评估框架提供了数据基础，对促进人类核防护和核医疗的进步有着重要意义。 关键词：关键词：解剖断层图片 大鼠 体素模型 器官剂量 蒙特卡罗模拟 III华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 Abstract Recently, with the development
5、of the tomograph imaging technologies and the computer technologies, a new anatomic voxel model of animal could be constructed to review and evaluated the old points made with the old mathmetic or simple models. Furthermore a framework for assessing the impact of ionising radiation on non-human spac
6、ies is advised to promoting radiation protection and utilization for human. For those reasons, the new anatomical models need be developed and be applied to acquire the new data in dosimety. In this paper, a Sprague Dawley (SD) rat anatomy atlas was acquired by a cryosection imaging system for small
7、 animal study. Through manual, self-automatic and automatic segmentation methods, an anatomically realistic rat model was developed based on the segmented images data of the rat. In this study, the procedures of the development of the voxel rat model for external photon and electron dosimetry and fo
8、r broad range of incident energy (0.01102 MeV ) under idealized irradiation geometries (DV、 VD、 LLAT、 RLAT、 ISO) have been detailed. A set of organ absorbed dose and effective dose results are computed and tabulated firstly. A simulated computation workstation is built, from which any animals organ
9、dose distribution could be got. The results show that the organ dose distributions of the rat are distinctly influenced by the anatomical characteristics, including organ volume, shape, location, and orientation, and the radiation conditions, such as the particl type, the incident energy and the irr
10、adiation directions and so on. Research proves that the method combining the accurate anatomical model with the Monte Carlo code is an effective way to study the organs dose distributions and the reasons. The resulted data fill a data gas between exposure and dose and between dose and certain catego
11、ries of effect for the no-human species. The data is also capable of offering exact quantitative references to animal experiments in clinic radiation therapy, radionuclide therapy and radiation protection. The experience and data concerning dose IV华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 assessment from
12、the rat model will be able to be deducted to small mammals, contribute to building the same framework for small mammals and improve the radiation therapy and protection for human ultimately. Keywords: Anatomic sectional atlas Rat Voxel model Organ dose Monte Carlo 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作
13、及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密
14、。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 众所周知，生物体总是暴露在各种电离辐射之下，这些电离辐射源有很多，包括宇宙射线，陆地辐射，放射性核素，放射性药物，X 射线，核反应堆，大气层核武器试验核和意外的核污染等等。现代放射医学、核工程、空间技术的迅猛发展加剧了辐射带来的安全隐患。这种隐患已经被证明是常见的，也是最受关注的导致生物体基因突变和致癌的重要原因。确保生物体接触的辐射剂量在其可接受的范围内是非常重要，这样可以降低有害辐射对生
15、物体的影响。建立辐射接触和健康危害之间的一个量化关系是辐射防护学和辐射治疗学的主要任务之一。为了实现这个目的，基于小动物的辐射实验设计和模拟计算成为了重要的研究手段。通过获得电离辐射中小动物组织器官的吸收剂量，可以了解辐射接触对小动物的作用和影响，同时获得的数据也可以作为人类辐射防护和辐射治疗的参考。 早在上世纪四十年代的曼哈顿计划中，辐射传播的模拟就开始了，核武器测试就是运用了计算机模拟技术。从此，利用计算机模拟辐射传输被广泛的应用于研究辐射对生物体的影响和作用中，例如，核辐射防护的设计和核素治疗效果的评估。一般来说，计算机可以模拟那些危险而复杂的情况，或者在可能的时间内和努力下不能实现的物
16、理试验。生物组织器官吸收剂量的精确测量一般需要昂贵的设备和极大的劳动量，同时只能应用在非常简单和有限的条件下。所以在大范围地使用中，系统地测量组织器官的吸收剂量是不现实。在动物辐射实验中，精确和系统的组织器官吸收计量的测量往往是通过计算机模拟获得的，并用来评估辐射影响。 在用计算机模拟组织器官吸收剂量时，需要解剖模型代替试验对象。早期的模型多是由简单的数学几何模型构成，如各向同性的立方体，圆柱体和球体等等。随着解剖模型不断地优化，生物体内部组织结构开始由简单的数学模型通过平面、柱面、椭圆和球面等式表达。但是在辐射模拟计算中，这些简单的结构往往会带来计算结果偏差，可信度也随之降低。在放射量测定学领域研究方法不断进步的今天，用更加真实的动物解剖结构模型来更好的评估由于电离辐射造成的对生物体的影响需求越来越强烈。如今，新的成像系统搭建，计算机技术水平的提高，促使了包含2华华 中中 科科 技技 大大 学学 博博 士士 学学 位位
