基于微型CT图像的小鼠体素模型建立及骨剂量学研究

Osteomyelitis and hematopoietic syndrome induced by radiation，which have been found in mice experiments and the risk of inducing bone cancer and leukemia are closely linked with bone surface dose and red bone marrow dose. Estimation of bone surface dose and red bone marrow dose is the precondition and basis of mouse bone dose effect research.Meanwhile, it is also a difficult and challengeable work in mouse dosimetry.The combination of microCT image-based mouse voxel model and the Monte Carlo method provide a possible way to systematiclly study mouse sleletal dosimetry.At present, the mouse skeletal dosimetry remains unclear in china.Thus,The project mainly include three research contents: (1)Based on microCT images with resolution of micrometer and by using image segmentation and identification technique,a mouse voxel model containing key organs and tissues,with skeleton divided into cortical bone,trabecular bone and bone marrow will be constructed in this research; (2)Monte Carlo simulation will be carried out to obtain the mouse skeletal dosimetry data under typical internal and external irradiation conditions for different energy of photon and electron;(3)the effect of voxel size, irradiation geometries condition, particle energy, organ location and individual difference on bone dose will be investigated and summarized. The research results will provide dosimtetry data for mouse bone dose-effect relation research based on mice experiments and will promote the progress of the research on diagnosis and treatment of radiation damage and drug for radiation protection.

骨表面、红骨髓剂量与电离辐射引起的骨髓炎和造血综合症（在小鼠实验中已经发现）以及骨癌和白血病的发生密切相关。估算骨表面、红骨髓剂量是小鼠骨剂量效应关系研究的前提和基础，也是小鼠剂量学研究的难点。基于微型CT图像的小鼠体素模型与蒙特卡罗方法的结合使系统研究小鼠骨剂量学成为可能。本项目针对国内对小鼠骨剂量学缺乏系统了解的现状，主要开展三部分研究内容：（1）基于分辨率在微米量级的微型CT图像，综合运用各种图像分割与识别技术建立一个包含小鼠关键器官和组织、并且骨组织分割为皮质骨、小梁骨、骨髓三种组织的小鼠体素模型；（2）利用蒙特卡罗方法，计算获得不同能量光子、电子内外照射条件下的小鼠骨剂量学数据；（3）研究体素大小、照射几何方式、粒子能量、器官大小和位置、个体差异等因素对小鼠骨剂量的影响。本项目研究结果将为基于小鼠实验的骨组织辐射生物效应研究提供剂量依据，并推动辐射损伤诊治、辐射防护药物研究进展。

动物照射实验是电离辐射生物效应研究的重要手段，相比较平均剂量而言，实验动物的器官剂量可为生物效应评价、剂量－效应关系研究提供更丰富的信息和依据。小鼠是一种常用的受照实验动物，实验发现骨剂量（包括骨表面剂量和红骨髓剂量）与电离辐射引起的骨髓炎和造血综合症以及骨癌和白血病的发生密切相关。估算小鼠骨剂量是小鼠骨剂量效应关系研究的基础，也是小鼠剂量学研究的难点。本项目利用微型CT扫描技术，针对小鼠全身及骨骼建立体素模型，采用蒙特卡罗模拟计算获得了光子、中子外照射情况下的小鼠组织器官剂量及骨剂量数据，分析并总结了小鼠的器官剂量分布规律。主要研究结果及结论包括： 1、利用微型CT对一只雄性小鼠全身及骨骼进行扫描，获得系列断层图像。采用图像处理软件对小鼠断层序列图像进行组织器官识别与分割，然后进行小鼠三维重建，建立了一个小鼠数字模型，该模型中的器官和组织包括皮肤、骨骼、眼睛、心脏、肺、肝、肾、肾上腺、胃、脾、胰腺、睾丸、膀胱、肌肉等。2、利用MCNP程序，分别模拟计算了五种照射几何条件（左侧向、右侧向、腹背向、背腹向、各向同性）下，光子能量为0.01MeV～10MeV共22个能量点、中子能量为10-9MeV～20MeV共37个能量点的小鼠关键组织器官及骨组织的器官剂量转换系数，并以表格的形式给出了计算结果及其不确定度。3、深入分析讨论了照射几何条件、粒子能量、器官的位置、形状、大小对小鼠器官剂量的影响，结果表明小鼠器官剂量在这些因素的影响下，光子外照射时同一个器官的器官剂量差异最高可达50%～60%，而中子外照射时差异最高可达100%～120%。本项目研究结果可为基于小鼠的辐射生物效应研究提供更为详细的剂量依据。