王 亮 張海英 張文藝 崔松野 劉忠超 焦 玲

（北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院&中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所 天津 300192)

核技術(shù)應(yīng)用逐漸增加的同時(shí)，也給人類帶來了潛在危害。1986年的切爾諾貝利核電站事故，以及2011年發(fā)生的福島核電站事故都給人類、環(huán)境造成了很大的影響[1-2]。核輻射事件發(fā)生之后，如何快速有效地進(jìn)行輻射劑量重建，是評(píng)估事故等級(jí)和進(jìn)行醫(yī)學(xué)救治的關(guān)鍵[3-4]。

由于照射后牙釉質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的自由基很穩(wěn)定，而且其濃度與受照劑量呈線性關(guān)系，很多學(xué)者研究牙釉質(zhì)電子順磁共振(Electron paramagnetic resonance,EPR)劑量學(xué)[5-6]。但適于劑量重建的健康臼齒不容易獲得，樣品處理費(fèi)時(shí)，從而制約了該方法的普及[7]。而指甲樣品獲取簡(jiǎn)單、對(duì)受測(cè)人員沒有二次傷害、處理過程簡(jiǎn)便，因此指甲EPR劑量重建方法，引起學(xué)者們的關(guān)注[8-9]。該方法能夠更快速進(jìn)行劑量估算，為受照人員快速救治提供依據(jù)[10]。目前一些學(xué)者主要研究了本底信號(hào)(Background signal, BS)的組成以及受照指甲的EPR信號(hào)劑量響應(yīng)[11-12]，而沒有對(duì)指甲輻射誘導(dǎo)信號(hào)(Radiation-induced signal, RIS)穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)的研究。指甲R(shí)IS的穩(wěn)定性是其劑量學(xué)特性的一個(gè)重要方面。研究RIS信號(hào)隨時(shí)間的變化，將為核輻射事故后不同時(shí)間使用指甲EPR進(jìn)行劑量重建提供理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高劑量估算的精度，保證正確快速的醫(yī)學(xué)救治。本文主要對(duì)剪切后0-68 d指甲的未照射樣品的EPR信號(hào)(即本底信號(hào))、不同照射劑量引起的RIS信號(hào)以及RIS信號(hào)的劑量響應(yīng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)共收集20例（男、女各10例）健康成人的指甲，年齡范圍23-50歲。首先，用剪刀將每個(gè)人的指甲分別剪切成2-3mm長(zhǎng)，1-2mm寬的樣品，去除細(xì)小的指甲碎片[13]。再對(duì)指甲樣品分別稱重，每個(gè)人的樣品盡量均分為 7份，每份質(zhì)量在15-25 mg之間。然后把指甲浸泡在水中10 min后，用吸水紙拭干指甲上的水，在室溫下放置5 min后將指甲裝入密封袋中[14-15]。

1.2 樣品照射

指甲樣品處理完后，同一天使用Cs-137（加拿大原子能有限公司的Gammacell-40）輻射裝置進(jìn)行照射，劑量率為0.7 Gy·min-1。放射源是均勻照射，其照射劑量已經(jīng)校準(zhǔn)，通過手動(dòng)選擇照射劑量。對(duì)每個(gè)人的7份樣品分別照射0、2、3、5、8、10和15 Gy，在照射之后不同時(shí)間進(jìn)行EPR測(cè)量，照射當(dāng)天作為第0天。

1.3 電子順磁共振測(cè)量

實(shí)驗(yàn)中使用德國(guó) Bruker公司生產(chǎn)的 X-band(100 kHz) A300型EPR譜儀，在照射后第0、1、2、4、6、8、12、20、28、38、48及68天對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)量。石英管的內(nèi)徑為 3mm，由于指甲樣品具有各向異性，將每一份樣品在3個(gè)不同角度進(jìn)行測(cè)量，然后取其平均值。因每個(gè)樣品的質(zhì)量不同，需要對(duì)指甲的EPR信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行質(zhì)量歸一化處理。用樣品 EPR信號(hào)強(qiáng)度代表 EPR信號(hào)的峰峰值，RIS信號(hào)強(qiáng)度代表RIS信號(hào)的峰峰值。

2 結(jié)果

2.1 指甲EPR信號(hào)

從20個(gè)指甲樣品中，隨機(jī)選取一個(gè)樣品，在照射0、10和15 Gy后第0天測(cè)量得到的EPR譜線如圖1所示。圖1還包括該樣品照射5 Gy引起的RIS信號(hào)強(qiáng)度，由5 Gy EPR波譜信號(hào)減去同一時(shí)刻0 Gy EPR波譜信號(hào)后得到。從圖1可以看出，樣品受照劑量越大，其信號(hào)強(qiáng)度越高。15 Gy EPR信號(hào)強(qiáng)度是10 Gy 信號(hào)強(qiáng)度的1.3倍。

圖1 指甲樣品照射0、10、15 Gy后的EPR譜線及5 Gy RIS信號(hào)Fig.1 EPR spectra of fingernails after irradiation with 0, 10 and 15 Gy and RIS signal caused by 5 Gy

2.2 本底信號(hào)穩(wěn)定性

隨機(jī)抽取20個(gè)未照射樣品中的某一個(gè)，該樣品在第0、2和12天的EPR譜線強(qiáng)度如圖2所示，從圖2可以看出，未照射樣品的信號(hào)強(qiáng)度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，而信號(hào)寬度沒有改變。

選取20個(gè)未照射樣品中EPR信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化幅度最大和最小的兩個(gè)樣品，分別命名為1和5號(hào)，然后在其它18個(gè)樣品中隨機(jī)抽取3個(gè)，分別命名為2、3和4號(hào)。圖3顯示了這5個(gè)樣品的EPR信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差為每個(gè)樣品測(cè)量3個(gè)方向之間的標(biāo)準(zhǔn)差。圖3表明，從第0天到第7天，5個(gè)未照射樣品的信號(hào)強(qiáng)度逐漸增大；在第7天至第20天之間，3、4和5號(hào)樣品的信號(hào)強(qiáng)度有所降低，而1、2號(hào)樣品的信號(hào)強(qiáng)度繼續(xù)增大；第20天以后，5個(gè)樣品的信號(hào)強(qiáng)度都處于上升趨勢(shì)，其中1和2號(hào)樣品的信號(hào)強(qiáng)度在第46天達(dá)到飽和。

圖4是20個(gè)未照射樣品EPR信號(hào)的平均值隨時(shí)間變化的擬合曲線，為 y=14-11e(-0.03x)，相關(guān)性是0.96。如圖4所示，擬合曲線在68 d內(nèi)為逐漸上升的趨勢(shì)。

圖2 未照射樣品在第0、2和12天EPR譜線強(qiáng)度Fig.2 EPR spectral intensity of a non-irradiated sample on the 0, 2nd and 12th day

圖3 1-5號(hào)未照射樣品的EPR信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 EPR signal intensity of 1-5 non-irradiated samples at different time

圖4 20個(gè)未照射樣品在不同時(shí)間的EPR信號(hào)強(qiáng)度的平均值擬合曲線Fig.4 Mean fitting curve of EPR signal intensity for 20 non-irradiated samples at different time

2.3 RIS信號(hào)穩(wěn)定性

醫(yī)療中，急性放射病在1-2天內(nèi)的臨床表現(xiàn)為惡心和食欲減退、照射劑量可能大于1 Gy；有嘔吐者可能大于2 Gy；如發(fā)生多次嘔吐可能大于4 Gy；如很早出現(xiàn)上吐下瀉，則可能受到大于6 Gy的照射。對(duì)于受照劑量越低的患者，其實(shí)行醫(yī)療救治后的生存率越高，因此，實(shí)際應(yīng)用中，能夠檢測(cè)到指甲的照射劑量越低越好。而研究中發(fā)現(xiàn)，2、3 Gy輻射劑量引起的RIS信號(hào)容易被本底信號(hào)所掩蓋，綜合分析之后，以實(shí)驗(yàn)研究中指甲照射劑量 5 Gy引起的RIS信號(hào)為代表，研究RIS信號(hào)穩(wěn)定性，比較有實(shí)際意義。

在20個(gè)樣品照射后一定時(shí)期，照射5 Gy后獲得的 EPR信號(hào)減去這個(gè)樣品在同一時(shí)間的本底信號(hào)，得到這個(gè)時(shí)間的5 Gy RIS信號(hào)。選取RIS信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化幅度最大和最小的兩個(gè)樣品，分別命名為a樣品、e樣品，然后在其它18個(gè)樣品中隨機(jī)抽取3個(gè)樣品，分別命名為b、c和d樣品。圖5顯示了這5個(gè)樣品的RIS信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差為每個(gè)樣品測(cè)量三個(gè)方向之間的標(biāo)準(zhǔn)差。圖5中表明了從第0天到第27天，5個(gè)樣品的RIS信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低，a和b號(hào)樣品的RIS信號(hào)強(qiáng)度雖有波動(dòng)，但總體呈下降趨勢(shì)；第27天以后，a號(hào)樣品RIS信號(hào)幅度變化最大，信號(hào)強(qiáng)度先是逐漸增高然后降低；其他樣品信號(hào)強(qiáng)度依然呈下降趨勢(shì)。

圖5 a-e樣品照射5 Gy后的RIS信號(hào)強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 RIS signal intensity of a-e samples after irradiation with 5 Gy at different time

圖6 是20個(gè)樣品照射5 Gy后的RIS信號(hào)強(qiáng)度的平均值隨時(shí)間變化的擬合曲線，擬合方程為y=3.22e(-x/4.39)-0.44，相關(guān)性0.85。由圖6可以看出，擬合曲線在前10天衰減幅度較大。

圖6 20個(gè)樣品照射5 Gy后在不同時(shí)間的RIS信號(hào)強(qiáng)度的平均值擬合曲線Fig.6 Mean fitting curve of RIS signal intensity for 20 samples after irradiation with 5 Gy at different time

2.4 劑量響應(yīng)的穩(wěn)定性

圖7 為20個(gè)樣品RIS信號(hào)強(qiáng)度平均值在第0、1、2、4和8天的劑量響應(yīng)及其擬合曲線。如圖7中所示5條擬合曲線都符合y= A1e(-x/t1)+y0函數(shù)，RIS信號(hào)強(qiáng)度隨著照射劑量逐漸增加。表1為20個(gè)樣品RIS信號(hào)強(qiáng)度平均值在第0、1、2、4和8天劑量響應(yīng)的擬合參數(shù)。

圖7 20個(gè)樣品RIS信號(hào)強(qiáng)度平均值在第0、1、2、4和8天劑量響應(yīng)的擬合曲線Fig.7 Dose-response curve fitting of mean RIS signal intensity for 20 samples on the 0, 1st, 2nd, 4th and 8th day

表1 20個(gè)樣品RIS信號(hào)強(qiáng)度平均值在第0、1、2、4和8天劑量響應(yīng)的擬合參數(shù)Table 1 Dose-response fitting parameters of mean RIS signal intensity for 20 samples on the 0, 1st, 2nd, 4th and 8th day

3 討論

如圖2所示，未照射樣品的EPR譜線強(qiáng)度隨時(shí)間而增大，但信號(hào)寬度基本沒有變化，說明其自由基種類沒有發(fā)生改變。Trompier[11]和Reyes等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，未受照指甲EPR圖譜中，主要由機(jī)械剪切等引起的機(jī)械誘導(dǎo)信號(hào) 1 (Mechanically-induced signals1, MIS1)和固有的機(jī)械誘導(dǎo)信號(hào)2 (Mechanically-induced signals2, MIS2)兩種信號(hào)。MIS2表現(xiàn)為單峰，g=2.004，信號(hào)比較穩(wěn)定，水洗可消弱其影響；MIS1表現(xiàn)為雙峰，其本質(zhì)上是由 4個(gè)信號(hào)疊加后形成，可經(jīng)過水洗消除。如圖1和圖2所示，水洗處理后的未照射樣品信號(hào)為單峰，其g=2.004，所以應(yīng)為MIS2信號(hào)。隨著時(shí)間的增加，指甲內(nèi)部水分逐漸減少，指甲結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生螺旋形的結(jié)構(gòu)塑性變形，引起MIS2信號(hào)增加，所以導(dǎo)致圖3中5個(gè)樣品表現(xiàn)出先增高后降低，隨后再增高最后達(dá)到飽和的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，對(duì)20個(gè)樣品的EPR信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合，如圖4所示，擬合函數(shù)符合放射性物質(zhì)衰減規(guī)律的形式，由此可知，該函數(shù)存在固定的增長(zhǎng)周期，信號(hào)強(qiáng)度增長(zhǎng)50%的時(shí)間為23 d，通過這個(gè)時(shí)間可以進(jìn)一步的了解信號(hào)達(dá)到飽和的時(shí)間。從圖3和圖4中可以了解到20個(gè)樣品的個(gè)體差異：通過計(jì)算得出20個(gè)未照射樣品在第0、1、2、4和6天，同一天個(gè)體EPR信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為 42%、31%、41%、25%和31%。由于個(gè)體差異比較大，需要在后續(xù)研究中擴(kuò)大樣品數(shù)量，建立本底信號(hào)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)庫。

Trompier等[11]的研究發(fā)現(xiàn)，指甲受到低劑量照射后，RIS信號(hào)主要為g=2.005的信號(hào)（命名為Signal1）和g=2.004的信號(hào)（命名為Signal2）疊加而成。對(duì)于 Signal1的自由基種類，已經(jīng)給出明確的結(jié)構(gòu)[16]，而 Signal2的自由基種類到目前為止沒有確定。Trompier等[11]發(fā)現(xiàn) Signal2與 MIS2的g值相同，認(rèn)為signal2和MIS2變化特征可能相似。同時(shí)指出了signal2隨劑量變化的曲線：低劑量照射后Signal2確實(shí)表現(xiàn)為逐漸增大，其幅度沒有MIS2增加的快。前面研究本底信號(hào)(MIS2)發(fā)現(xiàn)，本底信號(hào)變化趨勢(shì)為逐漸增大最后達(dá)到飽和；由于 MIS2與Signal2特征相似，Signal2極有可能是先逐漸增加最后達(dá)到飽和，而 Signal1為逐漸降低最后達(dá)到飽和，同時(shí)Signal1降低的幅度比Signal2增加的幅度要大，使得整體為逐漸降低的趨勢(shì)。如圖6所示，20個(gè)樣品照射5Gy后在不同時(shí)間的RIS信號(hào)強(qiáng)度的平均值擬合曲線，作為Signal1和Signal2疊加后的RIS信號(hào)的變化。圖6表明，擬合函數(shù)符合放射性物質(zhì)衰減規(guī)律的形式，由此可知，該函數(shù)存在固定的半衰期，信號(hào)強(qiáng)度衰減50%的時(shí)間為3 d，通過這個(gè)時(shí)間可以進(jìn)一步的了解RIS信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到飽和的時(shí)間。由圖5中可以了解到20個(gè)樣品的個(gè)體差異：通過計(jì)算得出20個(gè)照射5Gy樣品在第0、1、2、4和6天，同一天個(gè)體RIS信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為59%、69%、192%、112%和220%。增加照射劑量數(shù)據(jù)點(diǎn)和擴(kuò)大樣品數(shù)量能夠確保下面研究劑量響應(yīng)穩(wěn)定性的精確度，盡可能的降低其不確定性。

Reyes等[13]認(rèn)為水處理后指甲的劑量響應(yīng)曲線是符合指數(shù)變化趨勢(shì)的，在此基礎(chǔ)上，采用 y=A1e(-x/t1)+y0指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，如表1可知，在第0、1、2、4、8天劑量響應(yīng)擬合曲線相關(guān)系數(shù)分別為0.73、0.99、0.99、0.91和0.9。研究發(fā)現(xiàn)劑量響應(yīng)擬合曲線隨著時(shí)間的增加，RIS信號(hào)幅度整體都有所降低，如圖7所示。分析認(rèn)為，RIS信號(hào)穩(wěn)定性變化會(huì)導(dǎo)致劑量響應(yīng)的改變，而RIS信號(hào)的穩(wěn)定性是與本底信號(hào)穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)。在了解本底信號(hào)穩(wěn)定性的前提下，才能研究RIS信號(hào)穩(wěn)定性，進(jìn)而能夠掌握劑量響應(yīng)的穩(wěn)定性。劑量響應(yīng)曲線具有其實(shí)際意義，通過EPR波譜儀測(cè)量受照指甲的信號(hào)強(qiáng)度，扣除本底數(shù)據(jù)得到RIS信號(hào)強(qiáng)度，在明確受照人員受照天數(shù)之后，可以使用劑量響應(yīng)曲線進(jìn)行快速的查找，進(jìn)而可以給出受照人員的受照劑量，實(shí)現(xiàn)快速篩選的目的。下一步將更深入的研究，修正劑量響應(yīng)擬合函數(shù)，確定具體時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的劑量響應(yīng)函數(shù)，達(dá)到能在實(shí)際中應(yīng)用的目的。

在最佳的條件下，指甲EPR最低探測(cè)劑量，理論上可達(dá)到1 Gy。在實(shí)驗(yàn)操作中，最小探測(cè)劑量可能更高[17]。后續(xù)需要進(jìn)一步研究以提高指甲EPR探測(cè)劑量靈敏度，確定能夠檢測(cè)的最小探測(cè)劑量值。同時(shí)要了解到當(dāng)前研究是采用剪切指甲之后進(jìn)行照射，然后處理信號(hào)，估算劑量。如果發(fā)生核輻射事故，受害者先受到輻射，然后剪切指甲，通過對(duì)指甲處理后再去測(cè)量信號(hào)，所以，需要深入細(xì)致的探討這兩種程序之間的區(qū)別，提高指甲EPR劑量估算方法的使用范圍，為快速醫(yī)學(xué)救治服務(wù)。

4 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)研究在第10天以后指甲R(shí)IS信號(hào)比較穩(wěn)定，指甲R(shí)IS信號(hào)可以進(jìn)行劑量重建。同時(shí)在指甲R(shí)IS信號(hào)穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，研究了RIS劑量響應(yīng)的穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，指甲能夠快速、有效的估計(jì)出輻射劑量，能夠?yàn)檩椪帐鹿屎笕藛T的快速篩選提供一個(gè)方法，進(jìn)而能夠及時(shí)有效的給患者提供有效的醫(yī)療救治[10]。

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