Стандартным фантомом тела человека для целей радиационной защиты является стандартный человек с определенными анатомическими, физическими данными и данными его химического состава. Такой детализированный гетерогенный фантом не должен быть обязательно сложным для вычисления внешнего облучения; более того, он подвержен изменениям по мере получения информации.
Другая модель для целей радиационной защиты — простая гомогенная сферическая дозиметрическая модель, предложенная МКРЕ, состоящая из тканеэквивалентного материала диаметром 30 см.
Гомогенные фантомы в течение длительного времени были использованы для измерения распределений дозы фотонов. Водные фантомы, широко применяемые в рентгенотерапии, при решении вопросов радиационной защиты имели, как правило, форму эллиптических цилиндров. Для измерений глубинных нейтронных доз иногда использовали другие виды фантомов, наполненные тканеэквивалентной жидкостью обычно они представляют собой куб с гранью 30 см. Для практических целей были созданы твердые гомогенные фантомы из тканеэквивалентных материалов; примером таких фантомов является упомянутая выше дозиметрическая модель МКРЕ.
Широкое применение находят коммерческие «фантомы соответствующих размеров. Они тканеэквивалентны для взаимодействий с фотонами, а скелет человека и легкие с принятой плотностью расположены внутри другой твердой структуры, которая разделена на поперечные секции с матричными отверстиями для введения дозиметров. Также приемлемы варианты для дозиметрии нейтронов. Другим гетерогенным фантомом является физический эквивалент основной обычно применяемой на практике математической модели гетерогенного фантома.
Фантомы, используемые для измерений, приведены в табл. 12.1, которая включает в себя и математические фантомы. Вычисления переноса излучения проведены для всех типов излучения в гомогенных фантомах различных форм, в особенности в виде полубесконечных пластин, эллиптических цилиндров и сферической дозиметрической модели МКРЕ.
Таблица 12.1
Некоторые фантомы для измерения и вычисления распределений доз излучения
| Для измерений | Для вычислений |
|---|---|
Гомогенные | Гомогенные |
| Куб (жидкий, твердый) | Полубесконечная пластина |
| Эллиптический цилиндр (жидкий, твердый) | Эллиптический цилиндр |
| Сфера (твердая) | Сфера |
Гетерогенные | Гетерогенные |
| Взрослый | |
| Ребенок |
Первоначальные гетерогенное и математическое представления тела человека (фантом MIRD) были предложены для вычисления доз внутреннего излучения, но могут быть использованы и для вычислений доз от внешнего излучения, подобно более поздним вариантам фантома. Вследствие важности этого момента ниже предложено краткое описание первоначального варианта и способа создания фантома.
Первый фантом MIRD был аналитически определен в трех основных частях: эллиптический цилиндр, представляющий собой плечи, туловище и бедра; усеченный эллиптический конус, представляющий собой конечности (от бедра до ступней) и ступни; эллиптический цилиндр, представляющий собой голову и шею. Плечи не были отделены от туловища, ноги не были отделены друг от друга, и второстепенные органы, такие, как пальцы, конечности, уши, подбородок и нос, были опущены, но гонады были включены. Размеры фантома были выбраны таким образом, чтобы можно было представить средние размеры и массу взрослого человека из любой западной страны, которые должны были соответствовать стандартному человеку, предложенному МКРЗ.
Представления органов тела человека с помощью математических уравнений были всего лишь приближенными. В дальнейших вычислениях следует использовать многие другие геометрически простые приближенные значения. Целью разработки таких математических представлений было получение приближенного размера и формы усредненного органа с помощью нескольких математических уравнений. Для сокращения времени вычислений были использованы, насколько возможно, простые формулы, представляющие общую форму органа (как правило — эллипсоид).
В превоначальном фантоме MIRD имелись три среды с различными плотностями: область скелета, — включающая в себя кость, костный мозг и другие составляющие системы скелета; область легких; остальная часть фантома. Эти области состояли в основном из водорода, углерода, азота и кислорода. В скелете дополнительные элементы составляли около 18 % общей массы с преобладанием кальция и фосфора. В легких селективный состав ткани в некоторой степени отличался от состава других мягких тканей в остальной части фантома, так как легкие почти не содержат жира; но в них находится большая часть крови, чем в других органах тела человека. Плотности области скелета (кость плюс костный мозг), легкие и остальная часть фантома составляли приблизительно 1,5, 0,3 и 1 г·см-3 соответственно.
На протяжении нескольких лет этот фантом подвергался корректировке и изменениям в целях включения дополнительных органов и улучшения модели тела человека.. Недавно были созданы математические фантомы для различных возрастных групп от новорожденного ребенка до взрослого человека (Cristy, 1980). Основной подход к созданию этих фантомов остается прежним, как тот, который был использован при создании первоначального фантома.
Одна из трудностей, возникающих при работе с описанным выше фантомом, заключается в отсутствии половых различий: это фантомы тела мужчины, к которым могут быть добавлены женские органы. Такой подход является удовлетворительным для дозиметрии внутреннего излучения, но в других случаях он неприемлем, так как высокий коэффициент риска воздействия излучения на женские грудные железы может быть особенно значительным при внешнем излучении, а также в большей степени может влиять на эффективную эквивалентную дозу. Это привело к созданию для вычислительных целей фантомов тела взрослого человека с разделением полов ADAM и EVA. Оба эти фантома разработаны на основе фантома MIRD.