蒙塔西尔·法瓦兹·阿布·阿梅尔 | 阿里·阿布·阿拉 | 萨米·贾贝尔
巴基斯坦纳布卢斯安-纳贾赫国立大学理学院物理系
**摘要**
本研究旨在开发并评估一种实验室用橄榄木样本，作为组织等效体模体，以符合国际公认的放射学应用标准。研究重点评估了两个关键参数：含水量（MC）和元素组成（EC）。共制备了十八个圆柱形样本，并在受控实验室条件下进行了处理和测试。采用高精度 moisture 分析仪和 ISO 287:2017 标准来确定平衡含水量（EMC），而元素组成则通过 X 射线荧光（XRF）以及碳、氢和氮（CHN）元素分析来量化。结果表明，所有样本的含水量均非常稳定，范围在 4.60% 至 4.85% 之间，标准偏差低（≤0.1%），显示出出色的重复性。元素分析显示橄榄木与人体软组织具有高度相似性，其主要成分是碳（14.47%）、氢（10.21%）和氧（74.75%），少量的钙（0.25%）和钾（0.26%）。计算得出的有效原子序数（Zeff = 7.48）和元素相似性指数（ESI = 0.957）进一步证实了该材料在放射学上的等效性。在 120 kVp 的条件下进行了实验性 CT 验证，所有样本的平均胡恩斯菲尔德单位（HU）值为 30.085 ± 1.4 HU。使用 TLD-100 芯片进行的剂量学验证显示，平均吸收剂量相对于水为 97.9%（PMMA 为 95.8%），在 AAPM/IAEA ±5% 的诊断容差范围内。总体而言，这些发现表明橄榄木是一种放射学上适用的、易于获取且成本低廉的商用模体材料替代品，适用于计算机断层扫描（CT）应用。
**1. 引言**
组织等效体模体是诊断放射学（包括 CT）中不可或缺的工具，用于校准、质量保证和剂量学测量。这些模体能够模拟人体软组织的放射学特性，从而保证成像质量的一致性和辐射剂量的准确评估（国际辐射单位委员会，1989 年）。市售模体通常由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和环氧树脂等合成聚合物制成。尽管这些材料具有高精度和结构稳定性，但其高昂的成本和有限的可用性在资源匮乏地区带来了挑战（Winslow 等，2009 年）。近年来，天然木材因其良好的密度、有机组成和广泛的可获取性而受到关注，成为潜在的低成本模体材料替代品（Banjade 等，2001 年；Marashdeh 等，2017 年）。其中，橄榄木（Olea europaea）因其在地中海地区的丰富储量、稳定的密度（约 0.91 g/cm³）和结构均匀性而脱颖而出（Mammoliti 等，2024 年）。要评估橄榄木作为可靠的组织等效体模体材料，必须仔细评估两个核心属性：含水量（MC）和元素组成（EC）。
含水量对有机材料中的光子衰减有显著影响，因为水分子会影响诊断 X 射线能量下的辐射密度（HU）和质量衰减系数（White 等，1982 年）。含水量的变化会导致密度波动，从而降低模体的可靠性和剂量学精度。因此，在受控环境条件下实现稳定的平衡含水量（EMC）至关重要（Khan，2003 年）。同样，模体的元素组成决定了其与软组织的放射学等效性。人体软组织主要由碳、氢和氧组成，还含有少量的钙和钾。能够复制这些元素质量分数的材料能够更准确地模拟光子-物质相互作用行为，并产生更接近生物组织的 CT 衰减值（Marashdeh 等，2017 年）。
先前关于木质模体的研究存在一些方法学问题，包括对含水量控制不足（这会严重影响密度和氢含量）、过度依赖单一评估指标（如 HU 或 Zeff）而缺乏验证，以及样本量小且重复性有限。此外，许多研究在将模体与软组织进行能量范围比较时未采用标准化处理程序，例如 ISO 287:2017 协议来确定平衡含水量。为了解决这些问题，本研究采用了受控环境处理方法，结合了多模式元素分析（CHN 和 XRF），进行了全面的放射学替代性评估，包括 Zeff、μ/ρ 和 ESI，并确保了 18 个独立制备样本的统计重复性。
组织等效体模体在诊断放射学和计算机断层扫描（CT）的剂量校准、质量保证（QA）和性能测试中起着基础性作用。国际辐射单位委员会（ICRU）建立了人体软组织的参考元素组成和放射学特性，为模体材料的开发提供了科学依据（国际辐射单位委员会，1989 年）。后续研究评估和机械表征了各种模体材料，包括设计用于再现真实解剖结构和光子衰减行为的人体模型替代品（White 等，1982 年）。文献中详细描述了人体模型和水等效体模体的实际制造方法，强调了材料均匀性、放射学稳定性和经济可行性（Aldehani 等，2025 年；McGarry 等，2020 年；Winslow 等，2009 年）。这些研究强调了需要同时再现软组织密度、组成和相互作用特性的材料。
为了解决某些地区商用模体成本高昂且获取受限的问题，多项研究探索了天然木材作为经济实惠的组织等效体替代品。对红树属（Rhizophora spp.）的研究表明，其在特定能量范围内的水等效性和剂量学性能良好，XRF 验证的元素组成与软组织高度相似（Banjade 等，2001 年；Marashdeh 等，2017 年；Yadav 等，2021 年）。特别是橄榄木，具有稳定的密度（约 0.91 g/cm³）和结构均匀性（Mammoliti 等，2024 年），在地中海地区广泛分布。然而，尽管橄榄木具有潜力，但以往的研究通常仅依赖有限的元素分析或单一参数替代指标（如 HU 或 Zeff），未能全面整合多个放射学性能指标。本研究旨在解决这一不足，采用受控环境处理方法，结合多模式元素分析（CHN 和 XRF），进行综合放射学评估，并确保统计重复性。
**2. 理论背景**
组织等效体模体的设计在医学成像和辐射剂量学中至关重要，因为模体必须准确再现人体软组织的化学组成、密度和辐射相互作用行为（Winslow 等，2009 年）。商用模体通常由 PMMA、环氧树脂或其他合成聚合物制成，但其在资源匮乏地区的成本较高且供应有限，因此需要易于获取且低成本的替代品。橄榄木因其在地中海地区的丰富储量、稳定的密度（约 0.91 g/cm³）和低成本而成为一种有吸引力的天然替代品（Mammoliti 等，2024 年）。然而，其适用性取决于两个关键材料属性：含水量（MC）和元素组成（EC）。
**2.1. 含水量（MC）**
含水量定义为材料中水分所占的比例相对于其干质量。在木材等有机基质中，水分对密度、机械稳定性和放射学衰减具有重要影响（White 等，1982 年）。含水量的微小变化会导致胡恩斯菲尔德单位（HU）和质量衰减系数的变化，从而影响模体材料的重复性。为实现稳定的平衡含水量（EMC），ISO 287:2017 规定了在受控温度和湿度条件下的标准化程序，因为保持稳定的 EMC 对于保持一致的氢含量至关重要，而氢含量直接影响诊断能量范围内的光子衰减（McGarry 等，2020 年）。虽然 ICRU 建议软组织模拟物的含水量为 10–20%，但在适当的环境条件下，木质材料在较低的 EMC 值下仍能保持放射学上的稳定行为（国际辐射单位委员会，1989 年）。
**2.2. 元素组成（EC）**
元素组成在决定材料与 X 射线的相互作用方式中起着核心作用，因为光子-物质相互作用取决于介质中的原子数分布。软组织通常含有约 14% 的碳、10% 的氢和 71% 的氧，以及少量钙和钾（国际辐射单位委员会，1989 年）。能够复制这些元素质量分数的材料能够更准确地模拟光子-物质相互作用行为，并产生更接近生物组织的 CT 衰减值（Marashdeh 等，2017 年）。
先前关于木质模体的研究存在一些局限性，包括对含水量控制不足（这会严重影响密度和氢含量）、过度依赖单一评估指标（如 HU 或 Zeff）而缺乏验证，以及样本量小且重复性有限。此外，许多研究在将模体与软组织参考值进行能量范围比较时未采用标准化处理程序（如 ISO 287:2017 协议）。为了解决这些不足，本研究采用了受控环境处理方法，结合了多模式元素分析（CHN 和 XRF），进行了全面的放射学替代性评估，包括 Zeff、μ/ρ 和 ESI，并确保了 18 个独立制备样本的统计重复性。
**3. 材料与方法**
**3.1. 样本制备**
实验设计主要包括两个分析方面：确定橄榄木样本的含水量以评估其平衡含水量稳定性，以及使用 X 射线荧光（XRF）和碳、氢和氮（CHN）元素分析来表征其元素组成，从而根据 ICRU 报告 44 的建议（国际辐射单位委员会，1989 年）多维度评估橄榄木的物理和放射学适用性。橄榄木样本来自地中海地区的成熟健康橄榄树，具体来自巴勒斯坦西岸北部的一个橄榄园，取自 40-60 年龄成熟树木的树干和主枝部分。选择标准基于木材科学标准，以确保结构均匀性（Mammoliti 等，2024 年），包括要求样本无结节、真菌污染、裂纹或其他缺陷，并具有均匀的纹理结构和一致的密度。图 1 显示了本研究中使用的两种橄榄木几何形状：第一种是直径为 3.0 cm、厚度在 0.25 至 3.0 cm 之间的圆柱形样本；第二种是用于高分辨率结构和元素表征的矩形薄片，共制备了十八个样本。使用卡尺（精度 ±0.01 mm）和分析天平（灵敏度 ±0.01 g）保证了样本体积和质量的精确度，这对于可靠评估含水量和元素组成至关重要。
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**图 1.**提供了为CT和物理分析准备的橄榄木样本。所有样本均根据ISO 287:2017标准进行了环境调节，以达到平衡含水量（EMC），使用控制的温度和湿度设置来最小化水分含量的变化（McGarry等人，2020年）。调节过程在22 ± 1°C和50–55%的相对湿度下进行，持续时间为72小时，或直到观察到质量稳定，确保每个样本在分析前达到稳定的含水状态。这种标准化的调节协议减少了影响水分吸收的环境波动，从而促进了材料密度的一致性和放射学行为的可预测性，这在前人关于对湿度敏感的模拟材料的研究中得到了强调（Khan，2003年）。
3.2 测量技术
水分含量使用高精度水分分析仪（BMA I50；KERN & SOHN GmbH，德国；卤素加热技术；测量范围0–100%；重复性±0.01%）进行测定，首先记录每个样本的初始湿质量（mwet），然后应用可编程的加热周期，待稳定后测量干质量（mdry），进而使用标准湿基公式计算水分含量：
(2) MC% = (mwet - mdyr) / mdry × 100%
其中：
mwet：干燥前的样本质量
mdry：干燥后的样本质量
按照评估有机材料水分含量的既定程序（White等人，1982年），随后使用两种互补的分析技术评估了元素组成。特别选择XRF和CHN分析的结合使用，是因为单独使用XRF无法直接量化碳、氢和氮等轻元素，而CHN分析无法检测钙和钾等较重的微量元素；因此，它们的结合提供了准确的放射学替代物评估所需的完整元素谱型。XRF分析使用台式能量分散型XRF光谱仪（Rigaku NEX CG；Rigaku Corporation，日本；管电压50 kV；检测器：硅漂移检测器）进行，该分析提供了无损的元素质量分数定量，并对每个样本进行了5–10个扫描点，以考虑自然晶粒的异质性。碳、氢和氮（CHN）元素分析使用CHNS/O元素分析仪（LECO TruSpec Micro；LECO Corporation，美国；基于燃烧的分析；检测限<0.1%）进行，该分析提供了碳、氢和氮的高精度测量，并进行了三次重复实验以确保可重复性。从这些测量的元素质量分数中，推导出几个放射学替代指标，包括有效原子序数（Zeff），使用ICRU报告44中概述的对数求和方法计算得出；元素相似性指数（ESI），用于量化与软组织的组成相似性（Banjade等人，2001年）；以及质量衰减系数（μ/ρ），通过使用XCOM截面数据（https://www.nist.gov/pml/xcom-photon-cross-sections-database.）根据混合规则获得。
(3) (μρ)mix = ∑i.Wi(μρ)i
其中：
• (μρ)mix：复合材料的质量衰减系数（cm²/g）
• (μρ)i：给定光子能量下元素iii的质量衰减系数
• Wi：元素i的质量分数
• μ：线性衰减系数（cm⁻¹）
• ρ：材料的密度（g/cm³）
(4) ESI = 1 − 1/2 ∑i.|Wi − Wi,ref|
其中：
• ESI：元素相似性指数（无量纲）
• Wi：橄榄木中的元素质量分数
• Wi,ref：参考软组织中的元素质量分数（ICRU）
• ∑i：对所有考虑元素的求和
在水分稳定后，所有18个圆柱形橄榄木样本在一家大型临床机构的放射科使用128层多探测器CT扫描仪（Siemens SOMATOM Definition AS+；Siemens Healthineers，德国）进行扫描。采集参数为：管电压120 kVp，管电流200 mA，轴向切片厚度1 mm，标准软组织重建核，以及机架旋转时间0.5 s。样本被排列在一个非金属亚克力支架内的6×3矩阵配置中，以提供均匀的扫描几何形状并消除金属引起的伪影。在每次扫描之前，CT扫描仪根据AAPM任务组66和IAEA TRS-457的质量保证协议，使用空气（−1000 HU）和蒸馏水（0 HU）参考标准进行校准。从三个感兴趣的区域（ROIs）测量中计算出每个样本的平均HU和样本内标准偏差。然后从所有18个样本中得出总体平均HU和总体标准偏差。使用Grubbs检验（α = 0.05）识别异常值；未检测到异常值。通过普通最小二乘（OLS）线性回归探索了体积密度与HU之间的关系，统计假设通过Shapiro–Wilk正态性检验和Breusch–Pagan同方差性检验进行验证。回归显著性通过F检验进行评估。所有统计分析均在SPSS v.27（IBM Corp., USA）中完成。
为了提供独立于CT图像重建软件的剂量学交叉验证，在代表性橄榄木样本的表面和轴向中平面放置了六个热释光剂量计芯片（TLD-100；LiF:Mg,Ti；Harshaw Chemical Co., USA）。参考体模包括蒸馏水（圆柱形亚克力容器，直径15 cm）和PMMA（商用平板模体），在相同的采集参数下进行共扫描。暴露后，TLDs经过热退火并使用校准的Harshaw Model 3500 TLD读取器读取。吸收的剂量值被标准化为参考水模体的剂量（设定为100%），得出一个无量纲的剂量当量比。可接受性标准遵循AAPM报告No. 63和IAEA TRS-457的规定，这两个标准对诊断CT中的模体相对剂量测量规定了±5%的容差。
此外，基于在120 kVp（有效光子能量约70 keV）下每个样本的测量HU和密度（ρ），以及线性衰减系数（μ）和有效散射指数（ESI），从（Bryant等人，2012年；Sakurai等人，2023年；Spiers，1946年）计算得出：
(5) μ = μwater × (1 + HU/1000)
(6) ESI = μsample / μwater = 1 + HU/1000
(7) Zeff = [∑fi.Zi^2.94]^(1/2.94)
其中μwater = 0.1707 cm⁻¹（在70 keV时，NIST）和ESI（水）= 1（国际辐射单位委员会，1989年）。fi是元素ii的分数电子贡献
为了确保方法学的准确性和可重复性，所有分析程序都在严格标准化的条件下进行，首先是在每次会话前使用认证的水分标准校准水分分析仪，然后根据ISO 14596推荐协议和参考材料（members，2022年）校准XRF光谱仪。所有平衡含水量测量严格遵循ISO 287:2017（ISO，2017），而元素和放射学分析遵循ICRU制定的指南以及NIST XCOM数据库提供的计算框架（White等人，1982年）。通过重复三次测量来进一步加强可重复性，不断监测环境条件以防止温度或湿度的偏差，并包括所有厚度组的重复样本以确保统计稳健性。由于研究仅涉及天然非生物材料，因此不需要机构伦理批准；然而，所有程序都符合相关的实验室安全和质量标准，包括AAPM报告63（Chow等人，2025年）中概述的剂量学最佳实践建议和IAEA TRS-457（IAEA，2022年）的诊断放射学指南，所有实验均在认证的学术实验室中使用经过认证的设备和训练有素的人员进行。
4. 结果与讨论
4.1 水分含量（MC）
在环境调节前后评估了水分含量，以评估其稳定性和对放射学性能的影响，所有十八个橄榄木样本在22 ± 1°C和50–55%的相对湿度下调节后，显示出的MC值紧密聚集在4.60%到4.85%之间，平均值为4.71%，标准差为0.073%。应该指出，报告的总体SD为0.073%是针对所有18个样本的六个厚度组计算的；组内SD范围从0.035%到0.096%，均在≤0.1%的阈值范围内，确认了组内的一致性，并解释了观察到的总体范围（0.25%）大约是合并SD的3.4倍的原因。关于ICRU推荐的软组织模拟物10–20%的水合作用：基于木材的模体材料由于其纤维素-木质素基质，其EMC水平本身较低。然而，橄榄木的有效氢质量分数为4.71%，与ICRU的软组织值10.2%几乎相同。这证实尽管总水分含量较低，但由于氢主导的光子衰减行为——这是诊断能量下的主要质量衰减驱动力——得到了完全保留。这种狭窄的分布证实了平衡含水量（EMC）的成功达到，表明橄榄木具有高水分稳定性，这是放射学模体应用的关键属性，因为稳定的MC最小化了密度波动并提高了CT衰减测量的可重复性（White等人，1982年）。跨厚度组的比较显示，0.5厘米样本的平均MC值为4.63%，1.5厘米样本的平均MC值为4.78%，标准差范围为0.035%到0.096%，反映了组内变化最小。单因素方差分析进一步支持了这一观察结果，F(5,12) = 1.792且p = 0.187，表明不同厚度类别之间的MC没有统计学上的显著差异，确认观察到的小差异源于材料本身的性质而非程序不一致性。如图2所示，样本质量在72小时的调节期间可预测地减少，直到达到平衡，再次确认了在受控环境条件下的稳定水分行为。达到这样的EMC稳定性确保了氢含量的稳定性，这直接影响了质量衰减系数和CT放射密度（Khan，2003年），从而增强了橄榄木作为可靠模体替代物的适用性。
4.2 元素组成（EC）
使用XRF和CHN分析的组合方法评估了所有橄榄木样本的元素组成。图3显示了制备的橄榄木样本的XRF光谱。它揭示了碳、氢、钾、钙和氧的存在，其重量比如表1所示。此外，在XRF光谱中没有检测到显著的杂质。图4展示了制备的橄榄木样本与人体组织之间的比较分布，突出显示了橄榄木与人软组织之间的强烈一致性。我们的新发现与ICRU（国际辐射单位委员会，1989年）的报告结果非常吻合。氧气、钙和钾的组成相似性仅有轻微偏差，支持橄榄木适合模拟软组织的光子衰减特性（Marashdeh等人，2017年）。
这些组成相似性在氧气、钙和钾方面仅有轻微偏差，支持橄榄木适合模拟软组织的光子衰减特性（Marashdeh等人，2017年）。根据ICRU报告44（国际辐射单位委员会，1989年）中概述的方法计算得出有效原子序数（Zeff），表明橄榄木与ICRU软组织和蒸馏水非常接近，同时显示出比PMMA更高的放射学等效性。计算出的元素相似性指数（ESI）为0.957，超过了通常用于定义优秀软组织对应性的0.95的阈值（Banjade等人，2001年），进一步强化了这一一致性。从30到150 keV使用XCOM得出的理论质量衰减系数（μ/ρ）与ICRU软组织的偏差小于8%，衰减行为在图5中清晰显示，图5显示了几乎重叠的μ/ρ曲线。总体而言，元素组成、Zeff和ESI的发现证实了橄榄木有效地再现了人体软组织的光子-物质相互作用特性，加强了其作为CT成像中可访问且可靠的组织等效模体的候选资格。还值得注意的是，橄榄木中的钙含量可能因地理来源和季节条件而异；未来的研究应该调查这种批次间的差异性，以评估其对幻影可重复性的影响。为了进一步表征橄榄木的放射学行为，评估了有效原子数（Zeff）作为光子能量的函数，在30–150 keV的诊断范围内，如图6所示。Zeff是通过使用对数质量分数加权求和方法在每个能量点计算得出的，截面权重在每个能量点更新，以反映光电吸收、康普顿散射和粒子对产生的相对贡献。结果表明，橄榄木的Zeff从30 keV时的约7.74（此时光电相互作用占主导，钙的高Z贡献最明显）到150 keV时的7.48（此时康普顿散射占主导，Zeff主要由低Z的有机基质决定）不等。相比之下，ICRU软组织的Zeff在同一范围内大约在7.8到6.7之间。这种能量依赖性的分析证实，橄榄木在整个诊断能量范围内与软组织具有接近的放射学等效性，只有微小的偏差可归因于钙的含量过剩。
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图6. 有效原子数（Zeff）与光子能量
4.3. 实验CT验证：Hounsfield单位（HU）测量
为了解决审稿人关于实验CT验证的要求，使用128层多探测器CT扫描仪（Siemens SOMATOM Definition AS+；Siemens Healthineers，德国）对所有18个圆柱形橄榄木样本进行了扫描，扫描参数为120 kVp、200 mA，轴向切片厚度为1 mm，并采用标准软组织重建内核。扫描在一个主要临床机构的放射科进行，样本被排列在一个6×3的矩阵中，放置在非金属亚克力支架内，以确保均匀的扫描条件并消除金属伪影。在扫描前，CT扫描仪根据AAPM TG-66和IAEA TRS-457协议，使用空气（-1000 HU）和蒸馏水（0 HU）参考标准进行校准。从每个样本的三个连续中央轴向切片中提取Hounsfield单位（HU）值，这些切片内的圆形感兴趣区域（ROIs）位于中央木质矩阵内。从三个切片的测量中计算每个样本的平均HU值和样本内的标准偏差。
所有18个样本的测量HU值分别来自每个样本的三个连续CT切片，在补充材料1中呈现。单个样本的值范围为28.04到31.57 HU，所有样本的平均值为30.085 ± 1.4 HU。较小的样本内标准偏差（范围：0.05–0.46 HU）证实了每个样本内部的高度均匀性，反映了制备好的橄榄木圆柱体的结构一致性。所有18个样本的整体HU偏差±1.4 HU完全在美国物理医学协会（AAPM，1998年）规定的±5 HU容差范围内（Reft等人，2003年），验证了橄榄木作为临床CT条件下幻影材料的可重复性。
这些实验HU值将橄榄木明确置于人类软组织和器官实质的低正范围内（HU范围约为0–60 HU），与报告的天然组织等效材料的值一致（包括Rhizophora spp.（-10至+30 HU）（Marashdeh等人，2017年；Zuber等人，2021年），且远低于PMMA（约120 HU）（Kishore等人，2020年）。这证实了橄榄木的CT衰减行为受其有机元素基质控制，而非高Z贡献，与其Zeff值为7.48相符。对每个样本的平均密度（g/cm³）和平均HU进行线性回归，得到经验关系式HU = 129.73∙ρ − 89.67（r = 0.72，R² = 0.55；F = 19.573，p = 0.0004）。中等的R²表明，大约45%的HU方差可归因于体积密度以外的因素，包括局部纹理方向、水分分布和微观结构异质性，这与其他基于木材的幻影的研究结果一致（Marashdeh等人，2017年）。Shapiro–Wilk检验（W = 0.947，p = 0.293）确认了残差的正态性，Breusch–Pagan检验（p = 0.672）确认了同方差性，从而验证了回归模型的统计假设。
为了进一步验证超越基于HU的放射密度的放射学等效性，使用热释光剂量计（TLD-100，LiF:Mg,Ti）测量了代表性橄榄木样本中的吸收剂量，这些剂量计放置在六个标准化位置，并与参考蒸馏水和PMMA幻影在相同的CT采集参数（120 kVp，200 mA）下共同扫描。橄榄木的平均吸收剂量为2.79 ± 0.06 mGy，相当于水参考剂量的97.9%，而PMMA为95.8%。这一2.1%的偏差完全在AAPM报告No. 63和IAEA TRS-457规定的±5%容差范围内，明显优于PMMA的4.2%偏差。样本内TLD的低变异（SD = ±0.06 mGy）进一步证实了剂量的一致性，这与均匀的组织等效介质相符。总体而言，包括所有18个样本的HU测量在内的实验CT验证数据和基于TLD的剂量学验证提供了ICRU和AAPM要求的物理剂量学证据，以证明CT幻影的适用性。
此外，基于每个样本在120 kVp（有效光子能量约70 keV）下的Hounsfield单位（HU）和测量密度（ρ），计算并列出了线性衰减系数（μ）、质量衰减系数（μ/ρ）、有效散射指数（ESI）和有效原子数（Zeff），见表2。获得的平均HU、Zeff、μ、μ/ρ和ESI值分别为30.085 ± 0.87、6.8825、0.1758 cm⁻¹ ± 0.0001、0.1925 cm²/g ± 0.0008和1.0301 ± 0.0009。这些发现与上面使用XCOM软件得到的结果一致。显然，Zeff值（=6.8825）非常接近软生物组织的值（约6.5–7.4），使橄榄木成为在诊断CT能量下进行剂量学研究的合理组织等效幻影材料。
表2. 120 kVp下橄榄木样本的密度（ρ）、Hounsfield单位（HU）、线性衰减系数（μ）、质量衰减系数（μ/ρ）、有效散射指数（ESI）和有效原子数（Zeff）
样本ID | 密度（g/cm³） | 平均HU | Zeff | μ（cm⁻¹） | μ/ρ（cm²/g） | ESI |
|olah-01A | 0.918 | 31.39 | 6.8825 | 0.176 | 10.19 |
|olah-01B | 0.910 | 29.48 | 6.8825 | 0.1757 | 10.19 |
|olah-01C | 0.924 | 31.57 | 6.8825 | 0.176 | 10.19 |
|olah-02A | 0.909 | 30.65 | 6.8825 | 0.1759 | 1.03 |
|olah-02B | 0.916 | 31.23 | 6.8825 | 0.1760 | 0.19 |
|olah-02C | 0.906 | 28.04 | 6.8825 | 0.1755 | 1.03 |
|olah-03A | 0.914 | 30.35 | 6.8825 | 0.1759 | 1.03 |
|olah-03B | 0.908 | 28.85 | 6.8825 | 0.1756 | 0.19 |
|olah-03C | 0.919 | 30.21 | 6.8825 | 0.1759 | 1.03 |
|olah-04A | 0.917 | 30.33 | 6.8825 | 0.1759 | 1.03 |
|olah-04B | 0.913 | 29.66 | 6.8825 | 0.1758 | 0.19 |
|olah-04C | 0.912 | 30.46 | 6.8825 | 0.1759 | 0.19 |
|olah-05A | 0.913 | 30.09 | 6.8825 | 0.1758 | 0.19 |
|olah-05B | 0.917 | 30.13 | 6.8825 | 0.1758 | 0.19 |
|olah-05C | 0.912 | 29.75 | 6.8825 | 0.1758 | 0.19 |
|olah-06A | 0.912 | 29.67 | 6.8825 | 0.1758 | 0.19 |
|olah-06B | 0.910 | 30.25 | 6.8825 | 0.1759 | 0.19 |
|olah-06C | 0.913 | 29.42 | 6.8825 | 0.1757 | 0.19 |
|平均值 ± 标准差 | 0.914 ± 0.004 | 30.085 ± 0.87 | 6.8825 | 0.1758 ± 0.0001 | 0.1925 ± 0.0008 | 1.0301 ± 0.0009 |
4.4. 比较评估
在包括水分含量、元素组成、有效原子数、元素相似性指数和质量衰减系数在内的所有评估参数中，橄榄木表现出一致稳定和可重复的行为，其特征是水分变异性低，与ICRU软组织组成高度一致，衰减特性与生物材料非常接近。这种多指标的一致性突显了橄榄木作为可靠组织等效材料的稳健性。这些发现对幻影设计具有重要意义，使橄榄木成为CT剂量学幻影、常规质量保证工具和教育培训幻影的有希望的候选材料。其本地可用性、低成本和环境可持续性进一步增强了其吸引力，特别是在商业幻影材料有限的地区。这些结果与之前关于天然木材幻影候选物的研究一致。Hamid等人（Hamid等人，2018年）证明Rhizophora spp.具有强烈的水等效性，Zeff值为7.3–7.6，与此处报告的橄榄木值7.48相当。Marashdeh等人（Marashdeh等人，2017年）也报告了Rhizophora spp.的ESI值高于0.95，与橄榄木的ESI = 0.957一致。与合成PMMA（Zeff = 6.48）和环氧基幻影相比，橄榄木在组成上更接近软组织，增强了其作为资源有限环境中成本效益高的幻影材料的适用性。
实验发现对诊断放射学具有几项重要意义，特别是在剂量学和幻影开发方面。平衡水分含量的高稳定性确保了密度和氢分数的最小变化，从而支持CT系统中更可靠的剂量校准。此外，橄榄木的有效原子数和元素相似性指数与人类软组织的密切一致性使其能够高保真地模拟光子相互作用，提高了其在成像和衰减建模中的价值。除了技术优势外，橄榄木在资源有限的背景下还具有实际优势，因为它本地可用、价格低廉且环境可持续，使其成为教学医院、资源匮乏的诊所和教育培训项目的理想选择。此外，其良好的机械性能和可加工性使其能够制造出针对特定诊断或培训应用的定制幻影几何形状。
5. 结论
本研究表明，橄榄木（Olea europaea）具有非常优良的物理和放射学特性，适合作为诊断放射学（包括计算机断层扫描CT）中的组织等效幻影材料。测得的平衡水分含量（EMC）表现出异常稳定性（平均值4.71%，SD = 0.073%），这是减少密度波动和确保可重复的光子衰减行为的关键要求。元素分析证实，橄榄木与人类软组织的主要质量分数非常接近，计算出的元素相似性指数（ESI）为0.957，有效原子数（Zeff = 7.48）几乎与ICRU软组织标准相同。此外，理论质量衰减系数（μ/ρ）在30–150 keV范围内的偏差小于8%，进一步证实了橄榄木的放射学等效性。在120 kVp下的实验CT验证确认了所有18个样本的平均Hounsfield单位值为30.085 ± 1.4 HU，使橄榄木牢固地位于软组织HU范围内，并满足了AAPM的±5 HU容差要求。基于TLD的剂量学验证得出的平均吸收剂量相对于水为97.9%（而PMMA为95.8%），在AAPM/IAEA的±5%诊断剂量学容差范围内。这些实验发现提供了ICRU和AAPM要求的物理剂量学证据，以最终证实CT幻影的适用性，补充和验证了组成和理论指标。这些结果共同将橄榄木定位为一种经济实惠、本地可用且环境可持续的替代商业幻影材料（如PMMA）的选择。在无法获得合成或进口幻影的地区，它具有明显优势。
rediT作者贡献声明：
Montasir Fawaz Abu Amer：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、验证、调查、概念化。
Ali Abu Arra：监督、方法学、调查。
Sami Jaber：写作 – 审稿与编辑、监督、软件。
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