晶状体对电离辐射十分敏感，电离辐射会使其发生浑浊，发展到一定程度影响视力从而导致放射性白内障。放射性白内障是一种确定性效应，过去认为其剂量阈值为0.5 Gy，ICRP 103号报告^[1]提出，新的研究表明晶状体的辐射敏感性比原来考虑的更高。ICRP 118号报告^[2]对人眼晶状体的人群流行病学研究和动物实验资料重新进行详细评估，并重新推荐了职业照射的相关组织和器官的剂量限值：5年内平均每年眼晶体的职业年当量剂量限值从150 mSv减小至20 mSv，每年均不超过50 mSv。

眼睛的各部分组织在电离辐射照射下的辐射敏感性有强烈差异，这推动许多团队更深入地调查晶状体中剂量的问题。1975年Charles等^[3]提出晶状体中各部位对电离辐射的敏感性有强烈差异，并确定了眼球内各个结构的相对位置及几何形状。2009年Behrens等^[4]根据前人的研究建立了精细人眼模型，并计算了在不同照射条件下晶状体受到单能电子辐照的剂量转换系数。2010年ICRP 116号报告^[5]公布了基于Behrens等建立的精细眼模型计算得到的电子、光子和中子的剂量转换系数。2011年Nogueira等^[6]根据Worgul^[7]的研究改善了Charles和Brown的模型，并计算了多种照射条件下，人眼受到电子辐射时的剂量转换因子。2014年Caracappa等^[8]建立了高分辨率体素眼模型，并将其结合到全身体模型中，计算了多种照射条件下，人眼受到光子照射时的晶状体剂量。

由于眼球是一种精细器官，其包含多种精细结构，不同人种的各方面眼球特征参数存在差异。虽然国际上根据高加索人种的眼球特征建立了精细数学眼模型和高分辨率体素眼模型，然而由于高加索人种与中国人眼球参数存在差异，因此缺乏能代表中国人眼特征的精细眼模型。本文根据中国成年男性眼球的特征参数建立了精细眼模型，并利用MCNP程序计算了多种照射条件下，人眼在无屏蔽情况下受到单能电子照射时的剂量转换系数。

图 1为眼球的解剖结构图，眼球最外层为角膜和巩膜，其内容物包括房水、晶状体和玻璃体3种透明物质以及虹膜、睫状体等多种结构。眼部附属器包括眼睑，其位于眼眶前部，覆盖眼球表面^[9]。列出了中国成年男性的眼球结构参数的参考值。为了建立符合中国成年男性的眼球模型，本文以表 1所示的参数为基础，参考Berhens等^[4]的建模方法建立了精细眼模型。

图 1 眼球解剖结构[9]

图选项

本文所建立的精细眼模型包含晶状体、角膜、巩膜、脉络膜、视网膜、虹膜、玻璃体、房水和眼睑9种结构。这些结构外形规则，接近球面，因此在数学模型中采用球面描述各个结构。本文建立的精细模型所采取的中国成年男性参数和不同文献中给出的高加索人种精细眼模型相关参数如表 2所示。

可以看出，中国人与西方人的眼球参数在很多方面存在差别，其中晶状体的尺寸与前房深度差别较大，而这2个参数对晶状体的剂量有关键影响。中国人的晶状体尺寸相对偏小，这意味着在同样的辐射场中，中国人的晶状体中沉积的剂量将小于西方人的晶状体中沉积的剂量；中国男性前房深度更大意味着其晶状体处于眼球更深处，在受到辐射时，相对更深的房水能为晶状体提供更好的屏蔽，从而减小晶状体的辐射伤害。

建立精细眼模型的数学模型时，将巩膜的球心定义为眼球中心，并设置该球心为坐标系原点，取眼睑开口方向为X轴正向，身体右侧为Y轴正向，人体头部朝上方向为Z轴正向建立坐标系。以表 2中的巩膜内、外壁曲率半径作为代表巩膜内、外壁相应球面的半径即得巩膜方程；根据眼睑、脉络膜、视网膜、角膜与虹膜相对于巩膜的几何位置，计算代表各结构球面的球心坐标，同样设相应的曲率半径为各球面直径从而得到各结构的球面方程。根据前房的深度计算晶状体的位置和其前后表面曲率半径及厚度、直径确定表示晶状体的球面方程，最终得到的精细模型见图 2。

图 2 中国成年男性精细眼模型的数学描述

图选项

将建成的中国成年男性精细眼模型进行三维显示见图 3。

图 3 中国成年男性精细眼模型的三维显示

图选项

在建立中国成年男性人眼精细模型的基础上，需要利用Monte Carlo方法以准确计算特定照射条件下人体的所受剂量及其剂量转换系数。本文所使用的Monte Carlo模拟输运程序是由美国Los Alamos实验室开发的MCNP程序^[13]，它可以简单地描述三维几何模型，并且拥有精细的点截面数据和多种减小方差技巧，是世界范围内通用的Monte Carlo程序，在核工程与核技术相关研究中得到广泛应用。

ICRP 116号报告公布了在前后(anterior to posterior, AP)照射下单能电子导致的晶状体吸收剂量转换系数，这部分数据引用自Berhens计算结果^[4]，由于原文包含更多数据，为了使本文的计算结果与文献结果具有可比性，本文选取了与Berhens相同的照射条件，如图 4所示，平行单能电子束平行于XOY平面入射，电子束与X轴夹角θ分别为0°、15°、30°和45°。目前对眼晶体关注较多的领域是核医学领域，常用的F-18的平均能量5.1 MeV，因此本文选取单能电子能量范围为0.1~12 MeV。所有的模拟计算都将眼球和放射源放置在真空中进行，这样一方面可以减少计算时间，另一方面使得晶状体的吸收剂量转换系数与放射源放置的位置无关。

图 4 电子束入射几何示意图

图选项

为使能量沉积计算结果更精确，MCNP程序采用mode p, e模式对次级光子也进行了输运，采用^*F8统计能量沉积，从而晶状体的平均吸收剂量为

其中：D_T指晶状体的平均吸收剂量，单位为J/kg；DEP为模拟得到的晶状体内沉积能量，单位为MeV；m_T为晶状体质量，单位为kg；1.602×10¹³为单位换算常数。

为了评价不同强度的放射源对晶状体造成的剂量，应当将平均吸收剂量D_T除以粒子注量以得到吸收剂量转换系数D_T/Φ。为了提高剂量计算的准确性，对于能量大于0.8 MeV的电子，模拟入射粒子数为5×10⁷个，对于能量小于0.8 MeV的电子，模拟入射粒子数为10⁹个，由此得到的计算结果统计误差均小于2%。

计算时使用的眼球各部分结构的成分信息如表 3所示，其中晶状体的数据取自ICRP 89号报告^[14]，其余组织数据取自ICRP 23号报告^[15]和ICRU 46号报告^[16]。

当电子束入射角为0°时，将本文计算结果与Berhens^[4]和Nogueira的数据^[6]进行了对比，如图 5a所示。当电子束入射角为15°、30°和45°时将本文计算结果仅与Berhens^[4]结果相对比，如图 5b—5d所示。

图 5 单能电子从眼球侧面以不同入射角发射电子时晶状体的吸收剂量转换系数(与不同文献值的比较)

图选项

可以看出，当电子能量低于0.5 MeV时，剂量转换系数较小，这是由于该能量范围的电子在生物组织内射程较短，不能穿透角膜和房水，无法在晶状体中沉积能量；当电子能量在0.6 ~1.2 MeV之间时，本文的计算结果与文献中的结果差异较大，相对偏差最高约98%。一方面原因是该能量范围内的电子刚好能够穿过角膜和前房到达晶状体，中国成年男性的前房深度更深，使得电子穿透前房时已经损失了大部分能量，能在晶状体中沉积的能量较小；另一方面Berhens的眼模型中不包含脉络膜、视网膜和虹膜3个结构，当电子束从前方入射时不存在虹膜对晶状体的屏蔽保护作用，这也使得Berhens计算所得的剂量转换系数高于本文结果。

图 6为本文中电子束以0°、15°、30°和45°入射时的晶状体的吸收剂量转换系数。可以看出，晶状体的吸收剂量转换系数在2~4 MeV能量范围内达到最大值，最大约为400 pGy·cm²，随着电子入射角度增大，晶状体最大吸收剂量转换系数逐渐下降，且达到最大吸收剂量转换系数所需的电子能量逐渐增加，这是由于当电子从眼球侧面入射时，随着入射角度的增加，电子束需要穿过的眼睑以及虹膜的厚度也会增加，即晶状体受到的屏蔽保护作用增强。当电子能量超过8 MeV，晶状体吸收剂量转换系数与入射角度基本无关，且趋于300 pGy·cm²，这是由于高能量电子穿透能力较强，只能将其部分能量沉积在晶状体中，不能贡献很大的吸收剂量，因此吸收剂量转换系数趋于平缓。

图 6 单能电子从眼球侧面以不同入射角发射电子时晶状体的吸收剂量转换系数(中国成年男性眼球)

图选项

本文建立了一个基于中国成年男性眼球特征参数的精细眼模型，该模型共包括巩膜、脉络膜、视网膜、角膜、晶状体、虹膜、房水、玻璃体、眼睑9个主要结构。利用该精细眼模型，使用MCNP程序分别模拟了0.1~12 MeV平行单能电子束以0°、15°、30°和45°前后照射裸眼时晶状体的吸收剂量转换系数。模拟结果表明电子能量为0.6 ~1 MeV时本文结果与Behrens结果差异较大，这是由于中国成年男性前房深度较大对晶状体的屏蔽保护作用较强；在3~12 MeV能量范围内，本文计算所得的结果低于Behrens等的结果3%左右；当放射源从眼球侧面以不同入射角发射单能电子时，随着入射角度增大，达到最大吸收剂量转换系数所需的电子能量逐渐增加。从上述结果差异来看，建立符合中国成年男性眼球特征参数的精细眼模型很有必要，该模型的建立为准确评估中国成年男性晶状体剂量提供了工具。