陳倩蘭，駱志平，劉森林

(中國原子能科學(xué)研究院, 北京 102413)

對于放射工作人員，最常發(fā)生的放射性內(nèi)照射是吸入導(dǎo)致。為了計算吸入導(dǎo)致的劑量，輻射防護中采用核素在人體轉(zhuǎn)移、吸收的生物動力學(xué)模型，最權(quán)威的內(nèi)照射生物動力學(xué)模型在國際放射防護委員會(ICRP)報告中給出。ICRP生物動力學(xué)模型可分為呼吸道模型、系統(tǒng)模型(代表全身循環(huán))、營養(yǎng)道模型(過去稱胃腸道模型)，隨著最近幾十年來各國輻射防護內(nèi)照射方面的研究數(shù)據(jù)的積累，這些模型逐步修改調(diào)整，使模型預(yù)測值更接近實際內(nèi)照射測量值。

為了計算吸入后的滯留份額及排泄份額，呼吸道模型(最新模型是ICRP 130、ICRP 141號報告的呼吸道模型[1-2])需結(jié)合系統(tǒng)模型(超鈾核素最新系統(tǒng)模型見ICRP 141號報告[2])、營養(yǎng)道模型(ICRP 100號報告[3])一起計算(本文簡稱這3個生物動力學(xué)模型為新模型)。在新模型之前，計算吸入后的滯留和排泄是基于ICRP 66號報告中的呼吸道模型(1994年)[4]、ICRP 70號報告系列(包括ICRP 67號報告)系統(tǒng)模型[5]、ICRP 30號報告胃腸道模型[6]進行的(本文簡稱這3個生物動力學(xué)模型為舊模型)。目前很多內(nèi)照射軟件仍使用舊模型，舊模型是ICRP 78號報告[7]給出的內(nèi)照射計算數(shù)據(jù)的依據(jù)，也是我國國標(biāo)中內(nèi)照射劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)和內(nèi)照射監(jiān)測參考數(shù)據(jù)的依據(jù)。

考慮到依據(jù)舊模型的計算結(jié)果仍在大量使用，而這些模型的最新修訂會帶來富集器官的滯留份額變化，這個變化會導(dǎo)致內(nèi)照射評價結(jié)果不同，因此新舊模型的異同對于內(nèi)照射評價來說很重要。

吸入內(nèi)照射中，錒系核素由于半衰期長、毒性大，一旦大量進入人體需要盡快處理并長期監(jiān)測，因此本文以超鈾核素內(nèi)照射非常關(guān)注的核素241Am為例進行計算，對新模型中影響較大的因素進行比較分析，給出新模型與舊模型的主要富集器官的滯留份額的異同，為當(dāng)前超鈾核素內(nèi)照射直接測量給出一些參考。

1 ICRP生物動力學(xué)模型簡介

1.1 ICRP呼吸道模型

由于吸入內(nèi)照射的重要性和復(fù)雜性，ICRP呼吸道模型在近70年經(jīng)過了多次改進。當(dāng)前國標(biāo)所依據(jù)的呼吸道模型來自1994年ICRP 66號報告發(fā)布的人類呼吸道模型(本文簡稱66號報告模型)。66號報告模型可以計算職業(yè)工作人員和公眾的攝入，計算容易發(fā)生癌癥的靶區(qū)域的劑量；計算氣溶膠沉積，特別是對亞微米范圍的沉積；可計算氣載物質(zhì)吸入率；假定粒子輸運、吸收入血兩種清除途徑是競爭關(guān)系；假定每個過程清除速率隨時間變化且與滯留物質(zhì)的量相關(guān)；給出粒子輸運過程參考值；根據(jù)人類和/或動物實驗數(shù)據(jù)的一些核素數(shù)據(jù)推知核素化合物的吸收入血速率，缺乏數(shù)據(jù)時可采用依據(jù)ICRP 30號報告分類的默認值。該模型考慮了吸入核素對整個呼吸道的照射，考慮了呼吸道不同位置對輻射的敏感性；考慮了這些組織受到的劑量和劑量率可能會隨著吸入物質(zhì)物理性質(zhì)和呼吸參數(shù)變化而有較大變化；模型可以根據(jù)生物樣品數(shù)據(jù)計算劑量；可以計算攝入限值，可以計算回顧性和前瞻性劑量[4]，而且還可應(yīng)用于非放射性物質(zhì)的沉積和廓清計算，因此它比起之前的呼吸道模型應(yīng)用更為廣泛。

隨著近20年內(nèi)照射長期測量數(shù)據(jù)的積累，實際測出的放射性核素在肺部的長期滯留份額會比呼吸道模型預(yù)測值更高，ICRP 130、141號報告對呼吸道模型做了修訂，本文簡稱141號報告呼吸道模型。ICRP 130號報告在ICRP 66號報告呼吸道模型基礎(chǔ)之上做的修訂包括：庫室的簡化、粒子輸運和吸收入血參數(shù)的修改、吸入粒子分類的修改[1]，新模型中呼吸道模型結(jié)構(gòu)及計算原理見文獻[8]。2017年P(guān)uncher等人對吸入239Pu硝酸鹽的狗進行的長達15年的肺部滯留研究、對美國鈾和超鈾注冊機構(gòu)(USTUR)的受照者0269(急性吸入239Pu硝酸鹽)的尸體解剖和生物樣品數(shù)據(jù)研究、對曾在Mayak 工廠工作的20個僅受钚硝酸鹽照射工人的內(nèi)照射測量數(shù)據(jù)研究，均發(fā)現(xiàn)呼吸道中有一個長期滯留成分存在，采用肺部束縛態(tài)庫室能很好地解釋這一發(fā)現(xiàn)，而且他的研究估算出了fb、Sb的值[2]。根據(jù)Puncher等人的3個研究確定出钚的fb=0.002、Sb=0 d-1[2]，而且0269受照者的尸體解剖數(shù)據(jù)表明：束縛態(tài)庫室需要用在除ET1區(qū)以外的所有呼吸道區(qū)。研究人員再次分析了70、80、90年代文獻中吸入241Am的受照者、實驗動物數(shù)據(jù)，證明了镅也需要束縛態(tài)庫室，因此ICRP 141號報告的呼吸道模型中镅的束縛態(tài)參數(shù)直接參考钚在呼吸道模型中的束縛態(tài)參數(shù)，即fb=0.002，Sb=0 d-1。2019年底，關(guān)于超鈾核素，ICRP 141號報告對ICRP 130號報告的呼吸道模型除ET1庫室外的每個呼吸道庫室增加了肺部的束縛態(tài)庫室，讓肺部的滯留保留一個較穩(wěn)定的小份額，目的是增加肺部的長期滯留份額。本文計算所用的呼吸道模型見ICRP 130號報告表A.2，镅的肺部吸收參數(shù)見ICRP 141號報告表23.5。

1.2 镅的系統(tǒng)模型

ICRP镅的系統(tǒng)生物動力學(xué)模型(本文簡稱系統(tǒng)模型)及參數(shù)根據(jù)錒系元素在哺乳動物中的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及人的可控研究或長期研究成果建立，歷次修改變化不大(ICRP 48、56、67、141號報告分別修訂)，主要是對模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)做了微調(diào)。對于镅、钚兩種元素，注射量的70%～90%早期會被肝臟、骨骼富集[2]，不過成年人以及大多數(shù)研究的實驗動物肝臟的攝入會比骨骼更高，兩種元素在人體系統(tǒng)行為的差異是镅初期的尿排泄速率更高，镅從肝臟的清除更快，二者在骨表面的沉積地點不同，可能這也導(dǎo)致兩種元素從骨骼清除的凈速率不同。

ICRP 141號報告給出的錒系元素的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，錒系元素在人體系統(tǒng)中的總體規(guī)律比鑭系更為不規(guī)則，因此報告中分別給出不同錒系核素的轉(zhuǎn)移速率常數(shù)，镅的轉(zhuǎn)移速率常數(shù)來自ICRP 141號報告表18.9。

圖1 ICRP 141號報告給出的錒系元素(Pu、U除外)的系統(tǒng)模型通用結(jié)構(gòu)

這個通用的錒系元素系統(tǒng)模型將人體系統(tǒng)組織和體液分為五大部分[5]：血液、骨、肝、腎、其它軟組織。血液被當(dāng)做均勻混合庫室，其它四大部分再細分為更小的庫室，從而模擬錒系元素(更廣泛來講，是親骨元素)的生物動力學(xué)數(shù)據(jù)。肝臟分為短、長期滯留庫室分別為肝1、肝2庫室。在肝1，放射性核素可轉(zhuǎn)移回到血液、可通過膽汁分泌到達腸、可轉(zhuǎn)移至肝2(從肝2中緩慢返回血液)。腎分為兩個庫室：腎1庫室(尿通道)在幾個小時或幾天內(nèi)將放射性核素轉(zhuǎn)移到尿中；腎2庫室(其它腎組織)緩慢將放射性核素轉(zhuǎn)回到血液中。其它軟組織庫室(不包括骨髓)ST0、ST1、ST2，分別代表快速、中速、慢速與血液交換的其他軟組織庫室。

相對于國標(biāo)依據(jù)的ICRP 67號報告(1993年)的系統(tǒng)模型，ICRP 141號報告在其基礎(chǔ)上稍作修改。關(guān)于镅、鋦所做的修改如下[2]：

(1)為了與錒系其他元素的系統(tǒng)模型一致，镅模型中的肝臟按運轉(zhuǎn)速率快、慢分為兩個庫室：肝1(半排期30 d)、肝2(半排期1 a)；

(2)性腺的半排期從10 a減到5 a，作為默認值用于錒系、鑭系元素生物動力學(xué)模型的計算；

(3)內(nèi)照射測量數(shù)據(jù)表明，ICRP 67號報告高估了241Am的系統(tǒng)排泄速率(采用骨中含量的份額計算的系統(tǒng)排泄速率)，解決辦法是將镅從皮質(zhì)骨的吸收做一個局部循環(huán)，因此對骨表模型做了修改：通常模型放射性核素從骨中清除認為是轉(zhuǎn)移到骨髓、再從骨髓進入血液，對于镅、鋦，假設(shè)進入皮質(zhì)骨骨髓的一部分(F份額)轉(zhuǎn)移到皮質(zhì)骨骨表(局部循環(huán))，剩余的1-F進入血液。皮質(zhì)骨骨髓的半排期仍然保持默認值0.25 a。為了與文獻給出的241Am在骨骼和尿中的數(shù)據(jù)保持一致(考慮文獻數(shù)據(jù)的不確定性)，局部循環(huán)份額F=2/3。

1.3 營養(yǎng)道模型

ICRP 100號報告中營養(yǎng)道模型的庫室結(jié)構(gòu)分為：口腔、食道、胃、小腸、右部結(jié)腸、左部結(jié)腸、乙狀結(jié)腸直腸七個庫室[3]。其中右部結(jié)腸庫室是指解剖區(qū)中稱為升結(jié)腸、盲腸、橫結(jié)腸靠右部的那一半?yún)^(qū)域；左部結(jié)腸庫室是指解剖區(qū)中稱為降結(jié)腸、橫結(jié)腸靠左部的那一半?yún)^(qū)域；乙狀結(jié)腸直腸庫室是指結(jié)腸和直腸。為了表示庫室的滯留成分，又細分出其壁(口腔庫室細分出口腔黏膜、牙齒)子庫室。

營養(yǎng)道模型比起舊模型的胃腸道模型有了較大改變，考慮了消化吸收更全面的營養(yǎng)道解剖學(xué)區(qū)域而不僅僅關(guān)注胃腸道，不僅可以計算工作人員營養(yǎng)道受到的劑量，還可以計算公眾和兒童營養(yǎng)道受到的劑量。該模型考慮了放射性核素在營養(yǎng)道的吸收及滯留的位置，營養(yǎng)道吸收核素后的排泄途徑，每個區(qū)(口腔、食道、胃、小腸、結(jié)腸)各自敏感細胞受到的劑量，內(nèi)腔、滯留及轉(zhuǎn)移至血液的核素造成的劑量。營養(yǎng)道模型解決了胃腸道模型的一些問題，允許口腔、胃、結(jié)腸、小腸中發(fā)生吸收。但由于吸收位置的數(shù)據(jù)有限，因此大多數(shù)情況仍然假定吸收發(fā)生在小腸。營養(yǎng)道模型結(jié)構(gòu)見ICRP 100號報告圖5.1，計算依據(jù)的轉(zhuǎn)移速率常數(shù)見ICRP 100號報告表6.6。

2 滯留、排泄份額計算程序設(shè)計

本文基于超鈾核素的新模型建立人體各個庫室的一階微分方程組，肺部初始沉積量作為初值[1]，求解S、M、F類241Am氣溶膠吸入后在工作參考人(呼吸速率平均1.2 m3/h)體內(nèi)各個庫室的特定時間點的份額，采用Matlab 7.0以及其中的Simulink模塊求解基于新、舊模型的一階微分方程組，方程組求解方法為四階五階Runge-Kutta算法(ode45)變步長法，相對誤差采用1×10-3。筆者采用ode45方法相對誤差1×10-6計算對比，與相對誤差1×10-3時計算值一致(均保留兩位有效數(shù)字)。為了防止剛性方程問題，對于方程組求解方法筆者還采用了求解剛性微分方程的自由內(nèi)插法的梯形法(ode23 t)計算對比(相對誤差采用1×10-3)，ode23 t方法與ode45方法計算結(jié)果一致(均保留兩位有效數(shù)字)。對基于新模型的自編程序計算結(jié)果的正確性檢驗，對比的權(quán)威數(shù)據(jù)為ICRP 141號報告給出的OIR_Data_Viewer中的數(shù)據(jù)，驗證結(jié)果一致；對基于舊模型的自編程序計算結(jié)果的正確性檢驗，對比的權(quán)威數(shù)據(jù)為IMBA軟件(2007年版)給出的數(shù)據(jù)及ICRP 78號報告中的數(shù)據(jù)，驗證結(jié)果一致。

Matlab 7.0 是MathWorks 公司的商用化專業(yè)數(shù)學(xué)軟件，具有強大的計算分析能力，該軟件的數(shù)值法求解一階微分方程組方便高效。Matlab 7.0中Simulink模塊能將方程求解的設(shè)計以及計算的結(jié)果可視化展示，而且相比純編程方法更容易看到整個生物動力學(xué)方程組的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，便于修改、記錄和檢驗，設(shè)計出的數(shù)學(xué)模型如圖2、圖3所示。

注：圖中庫室模型字母見ICRP 100號報告圖5.1所指的營養(yǎng)道模型庫室簡寫。

注：圖中庫室模型字母簡寫見ICRP 100號報告圖5.1所指的營養(yǎng)道模型庫簡寫，rp指核素的核衰變數(shù)，r2(8)指Left colon-C庫室到Rectosigmoid-C庫室的轉(zhuǎn)移速率常數(shù)。

3 計算結(jié)果比較

驗證自編計算程序正確后，基于新模型進行了不同庫室、不同吸收類型、不同粒徑的富集器官滯留份額分析比較；另外對新、舊模型計算結(jié)果進行了比較分析。

3.1 新模型計算結(jié)果比較

(1)不同庫室份額的對比

以工作參考人(平均呼吸速率1.2 m3/h)吸入活度中值空氣動力學(xué)直徑(AMAD) 5 μm镅為例，采用新模型程序的計算結(jié)果，繪制出單位攝入量下各個關(guān)注庫室中镅的份額隨時間變化圖，見圖4～6。由圖可見，S類镅氣溶膠吸入后，1 000天以后主要滯留在肺部、骨骼；F類镅主要富集在骨骼、肝臟，因為F類核素從肺部快速吸收入血，從血液轉(zhuǎn)移到富集器官；M類镅在肺部、骨骼、肝臟中均有相當(dāng)?shù)臏舴蓊~(300天內(nèi))。因此對于不同吸收類型，內(nèi)照射直接測量的重點應(yīng)有所針對性。

圖4 吸入S類241Am氣溶膠后新模型計算的庫室間對比

(2)不同吸收入血類型的影響

以工作參考人(平均呼吸速率1.2 m3/h)吸入AMAD5 μm镅為例，比較了不同吸收入血類型的滯留份額隨時間的變化曲線，見圖7～9。對比可見S、M、F吸收入血類型在肺、骨骼、肝臟中滯留份額差異顯著，因此內(nèi)照射評價中，調(diào)查確定吸入核素的吸收入血類型非常重要。

(3)不同AMAD的影響

圖5 吸入M類241Am氣溶膠后新模型計算的庫室間對比

圖6 吸入F類241Am氣溶膠后新模型計算的庫室間對比

圖7 吸入不同類型241Am氣溶膠后肺部滯留份額對比(新模型)

圖8 吸入不同類型241Am氣溶膠后肝臟滯留份額對比(新模型)

圖9 吸入不同類型241Am氣溶膠后骨骼滯留份額對比(新模型)

圖10 吸入不同AMAD粒徑241Am的肺部滯留份額的差異(M類)

圖11 吸入不同AMAD粒徑241Am的骨骼滯留份額的差異(M類)

隨著氣溶膠測量技術(shù)在內(nèi)照射場所的應(yīng)用，現(xiàn)場氣溶膠粒徑及分布已能進行測量。為了比較氣溶膠粒徑對吸入后的主要富集器官滯留份額的影響，以參考工作人(呼吸速率平均1.2 m3/h)吸入241Am為例，比較AMAD粒徑0.001～10 μm范圍內(nèi)8個不同典型粒徑的滯留份額隨時間的變化曲線，見圖10、11和12。由圖10～12可見，除了AMAD10、0.001 μm的滯留份額很小外，其他6個AMAD粒徑帶來差異非常顯著，這是因為AMAD粒徑的大小影響肺部各個庫室的初始沉積，從而影響肺部的吸收入血，因此粒子吸收入血后進入富集器官的份額也受到較大影響。為了進一步定量比較粒徑對滯留份額的影響，本文以工作參考人吸入M類241Am為例，將內(nèi)照射場所比較關(guān)注的幾種AMAD粒徑(3、1、0.5、0.1 μm)的肺部、骨骼、肝臟滯留份額與AMAD5 μm的值進行對比，結(jié)果列于表1。對比發(fā)現(xiàn)粒徑對滯留份額的影響顯著，滯留份額隨粒徑變小而增大，同種粒徑下肺部、骨骼、肝臟各個時間點的滯留份額相對值非常接近。由于所關(guān)注的AMAD粒徑為0.01～5 μm范圍內(nèi)，粒徑對吸入后的滯留份額影響顯著，條件允許情況下，有必要調(diào)查受照者吸入镅氣溶膠的粒徑分布。

3.2 新舊模型比較

由于當(dāng)前國標(biāo)仍然采用舊模型的內(nèi)照射數(shù)據(jù)，隨著近年來ICRP對三種生物動力學(xué)模型的修改，新舊模型的異同對于當(dāng)前內(nèi)照射評價來說是非常重要的。因此本文以工作人員(平均呼吸速率1.2 m3/h)吸入AMAD5 μm镅氣溶膠后的滯留份額為例，按照不同吸收入血類型進行新、舊模型的定量比較，比較結(jié)果列于表2～4。

表1 不同AMAD粒徑相對AMAD 5 μm的滯留份額相對值(新模型， M類241Am)1)

表2 新舊模型計算的S類241Am吸入后滯留份額對比

3.2.1S類镅氣溶膠吸入后新舊模型對比

由表2可見，工作參考人吸入S類AMAD5 μm的241Am氣溶膠后，中長期(1 000天及以上)的肺部滯留份額，新模型計算值顯著高于舊模型，一萬天時高出6倍多；中長期(1 000天及以上)的骨骼、肝臟滯留份額，隨著時間推移，新模型計算值比舊模型越來越高。短期(1 000天以內(nèi))的肺部、骨骼、肝臟計算值新舊模型差異不大。

3.2.2M類镅氣溶膠吸入后新舊模型對比

表3 新舊模型計算的M類241Am吸入后滯留份額對比

表4 新舊模型計算的F類241Am吸入后滯留份額對比

圖12 吸入不同AMAD粒徑241Am的肝臟滯留份額的差異(M類)

由表3可見，對于工作參考人吸入M類AMAD5 μm的241Am氣溶膠后：中長期(1 000天及以上)的肺部滯留份額新模型顯著高于舊模型，且差異巨大；骨骼、肝臟滯留份額新模型計算值明顯低于舊模型，這是因為新模型由肺進入血液的镅更少導(dǎo)致。短期(1 000天以內(nèi))的肺部滯留計算值差異不大。

3.2.3F類镅氣溶膠吸入后新舊模型對比

由表4可見，對于吸入F類AMAD5 μm的241Am氣溶膠的工作參考人的計算，肺部滯留份額新模型比舊模型顯著高，新模型肺部各個時期都保留有很小份額，這個份額從30天開始很穩(wěn)定，而舊模型從第一天開始肺部镅就接近0；骨骼、肝臟滯留份額，新模型計算值比舊模型更低，這是因為新模型肺部滯留份額更多，從肺部進入血液的镅更少，導(dǎo)致從血液進入骨骼、肝臟的镅更少。

4 結(jié)論

與權(quán)威數(shù)據(jù)對比后，證明了基于新、舊模型的自編程序正確。以工作參考人(呼吸速率平均1.2 m3/h)吸入AMAD5 μm241Am氣溶膠為例，采用新模型計算分析了所關(guān)注庫室的滯留份額隨時間的變化曲線，曲線對比發(fā)現(xiàn)：對于S類镅氣溶膠吸入，1 000天以后主要滯留在肺部、骨骼；F類镅主要富集在骨骼、肝臟器官中，因為F類核素從肺部快速吸收入血，從血液轉(zhuǎn)移到富集器官；M類镅在肺部、骨骼、肝臟中均有相當(dāng)?shù)臏舴蓊~(300天內(nèi))。因此對于不同吸收類型，內(nèi)照射直接測量的重點應(yīng)有所針對性。另外對影響滯留份額的參數(shù)不同取值分析后發(fā)現(xiàn)：(1)不同吸收入血類型、不同AMAD粒徑對肺、骨骼、肝臟滯留份額影響顯著，內(nèi)照射評價時需要對吸入粒子的吸收入血類型和AMAD粒徑進行調(diào)查；(2)特定AMAD粒徑的滯留份額相對AMAD5 μm的相應(yīng)滯留份額的相對值比較固定。

以工作參考人吸入不同吸收類型的AMAD5 μm的241Am氣溶膠為例，根據(jù)新、舊模型的自編程序計算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)了新、舊模型計算值的異同：

(1)對于肺部滯留份額，S類、M類镅氣溶膠吸入后肺部滯留在短期(1 000天以內(nèi))接近，中長期(1 000天以上)新模型顯著更高(高數(shù)倍及更大)，肺部長期滯留M類比S類新、舊模型差異更大；對F類镅從第一天開始新、舊模型計算的肺部滯留份額差異巨大，新模型認為F類镅在肺部一直保留較小份額而舊模型認為肺部滯留很快接近0。

(2)對于骨骼、肝臟滯留份額，S類镅氣溶膠吸入后，中長期計算值新模型顯著高于舊模型，短期計算值新舊模型相近。對于M、F類镅，新模型計算的骨骼、肝臟滯留份額明顯低于舊模型，且F類镅新、舊模型差異比M類镅更顯著。

由于相比舊模型，新模型中的呼吸道模型增大了肺部的長期滯留，吸收入血參數(shù)做了修改，新模型中的镅的系統(tǒng)模型的骨骼的長期沉積也做了調(diào)整，導(dǎo)致了上述新舊模型滯留份額預(yù)測值在一些時間段特別是中長期的差異較大。因此對基于直接測量的放射工作人員吸入镅后的內(nèi)照射評價的建議是：針對新舊模型滯留份額差異較大的情況，采用新模型滯留份額預(yù)測值更符合內(nèi)照射監(jiān)測數(shù)據(jù)的最新研究成果。