趙徵鑫張騰達(dá)張文藝翟賀爭阮書州焦 玲*

指甲電子順磁共振受照劑量重建誤差來源分析*

趙徵鑫①張騰達(dá)①張文藝①翟賀爭①阮書州①焦 玲①*

在放射性事故中,快速、準(zhǔn)確的劑量重建對于人群分類驗傷和快速救治至關(guān)重要.電子順磁共振是測量自由基的有效手段,通過測量指甲中的自由基濃度可以對人體受照劑量進行重建.指甲對放射敏感性好且易于收集,最重要的是對人體無二次傷害的生物組織材料,在劑量評估方面引起了國內(nèi)外眾多研究者的廣泛關(guān)注,同時也取得了豐碩的研究成果.但是,作為一種并不成熟的劑量估算方法在實際劑量估算過程中具有不確定因素,進而影響劑量重建的準(zhǔn)確度.為此,對指甲電子順磁共振受照劑量重建誤差來源及研究進展進行討論分析,為以后在指甲受照劑量重建時最大程度的減少誤差提供技術(shù)參考.

誤差;指甲;電子順磁共振;劑量重建;自由基

趙徵鑫,男,(1988- ),碩士研究生.協(xié)和醫(yī)學(xué)院中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所 天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點實驗室,從事指甲電子順磁共振劑量重建方面的研究.

[First-author's address] Tianjin Key Laboratory of Radiation Medicine and Molecular Nuclear Medicine, Institute of Radiation Medicine, Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College, Tianjin 300192, China.

隨著煤炭和石油等一次能源的日益枯竭,清潔、可再生能源成為滿足人類發(fā)展需求的新的探索方向,而核能無疑成為人類最具希望的未來能源之一.目前,人類已經(jīng)將核能應(yīng)用于軍事、工業(yè)、航天和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,并修建了大量的核電站來滿足日益增長的能源需求.然而在這些成就的背后也隱藏著較大的隱患,由于在核能利用時會產(chǎn)生大量的廢液和廢渣,并且通過現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)還不能夠被完全處理,這都將會加大人們受到電離輻射的危險.當(dāng)人體受到電離輻射時,準(zhǔn)確、快速的劑量估算對于人群快速分類驗傷和實現(xiàn)醫(yī)療資源利用率的最大化至關(guān)重要[1-2].

人體組織在受到電離輻射時會產(chǎn)生自由基,通過檢測自由基濃度可以估算人體輻照劑量[3].利用牙釉質(zhì)電子自旋共振來檢測人體組織中的自由基濃度是目前所有檢測自由基濃度最為成熟的方法之一,但由于離體的牙釉質(zhì)難以收集并且處理步驟繁瑣,所以限制了該種檢測方法的普及應(yīng)用[4-5].

電子順磁共振(electron paramagnetic resonance, EPR)又稱電子自旋共振(electron spin resonance, ESR),能夠定量和定性的檢測自由基,在生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用中都取得了非常豐碩的成果[6-10].自從Symons等[11]于1994年提出使用指甲作為受照劑量估算材料以來,指甲EPR受照劑量重建的相關(guān)研究在國內(nèi)外研究者的不懈努力下得到了非常快速的發(fā)展[12-14].然而,作為一種發(fā)展并不成熟的技術(shù)手段,在劑量估算時會出現(xiàn)很多誤差,而這些誤差嚴(yán)重影響了劑量估算的準(zhǔn)確度,致使在實際的治療時也充滿了諸多不確定的因素.本研究將根據(jù)前人的研究成果,著重討論在指甲EPR受照劑量重建中誤差來源的相關(guān)研究及進展.

1 EPR測量指甲時引起的誤差

利用EPR來測量指甲中自由基的濃度.將裝有指甲樣本的石英試管放到諧振腔里測量的同時,還應(yīng)注意一些數(shù)字指標(biāo)變化,如果在測量時這些數(shù)字指標(biāo)發(fā)生較大波動,則測量出來的數(shù)值的準(zhǔn)確度就會極大降低.

Q值又稱為優(yōu)值,是反映電磁波能量消耗的一個重要指標(biāo)[15].一般情況下Q值越大,測量出來的信號峰峰值越大.利用EPR測量經(jīng)過相同步驟處理后的指甲樣本時Q值理論上應(yīng)該是不變的,這樣才能正確反映指甲中自由基的實際濃度,測量出來的數(shù)據(jù)才可以相互比較.但是對于初學(xué)者或者一些對EPR的原理掌握不牢固的研究者而言,在實際的操作過程中很有可能由于操作不當(dāng)而導(dǎo)致實驗測量出來的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確.如在操作軟件時,直接點擊autotune就會造成每次測量時的Q值不一樣.根據(jù)以往對指甲的處理過程,張騰達(dá)等[16]發(fā)現(xiàn),指甲在未干燥條件下Q值為4800,而在70℃條件下干燥3 h時Q值為5800.由于指甲樣本經(jīng)過不同的步驟處理時Q值不一樣,因此在研究中應(yīng)正確操作機器和調(diào)節(jié)EPR參數(shù),最大程度的減少實驗操作造成的誤差.

由于指甲組織本身自由基濃度較低,即使通過電離輻照之后自由基濃度也不會發(fā)生大幅度的變化,故在測量指甲中自由基濃度時,不能直接將峰峰值作為自由基的實際濃度來進行數(shù)值比較,而是應(yīng)該將自旋標(biāo)記物和指甲同時放在諧振腔里測量;然后將樣品顯現(xiàn)出來的峰峰值與自旋標(biāo)記物顯現(xiàn)出來的峰峰值的比值作為相對自由基濃度;最后用相對自由基濃度來比較不同樣品濃度的大小.這樣比較出來的結(jié)果才具有意義.

在實際測量過程中,當(dāng)溫度、濕度以及風(fēng)速等發(fā)生大幅度變化時會導(dǎo)致EPR譜圖出現(xiàn)較大程度的基線漂移.由于出現(xiàn)基線漂移后的EPR譜圖不能夠準(zhǔn)確代表自由基濃度,因此,理想條件下需要對譜圖進行基線修正.但到目前為止,尚無任何一篇關(guān)于譜圖基線修正的文章,導(dǎo)致大多研究者在讀數(shù)時不進行基線修正而直接讀取數(shù)值,這樣就會人為的降低數(shù)值的準(zhǔn)確度,增加實驗誤差.針對基線漂移所造成的誤差,在以后的研究中可以對漂移后的波譜進行分析,進而找到漂移后譜圖的基線變化趨勢,然后用相應(yīng)的軟件勾畫出發(fā)生漂移后的基線,最后將發(fā)生漂移后譜圖的基線與軟件模擬出的基線相減,即可有效的避免基線漂移帶來的誤差,提高重建的準(zhǔn)確度.

由于不同人指甲的厚度和硬度不同,對于硬度、厚度較小的指甲在實驗數(shù)據(jù)測量時其重量<10 mg,加之目前使用的EPR大多是X波段.X波段的EPR微波頻率較小、靈敏度和分辨率也比較低,當(dāng)測量質(zhì)量較小的樣本時會導(dǎo)致所測得的數(shù)據(jù)在基線影響下無法進行定量研究.Romanyukha等[17]認(rèn)為,Q波段的EPR可以很好地克服X波段EPR所具有的缺點,所以在日后為了更加準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù),有條件的研究機構(gòu)可以嘗試使用Q波段的EPR來測量質(zhì)量較少的指甲樣本.

2 指甲本底信號差異引起的誤差

根據(jù)自由基的起源,Trompier等[18]在2014年將指甲中所有的EPR信號分成三類.除了指甲本身具有的本底信號(background signals, BKG)外,指甲在剪切時會產(chǎn)生4種剪切誘導(dǎo)信號(mechanically induced signals, MIS)分別為MIS1、MIS2、MIS3和MIS4;指甲在受到輻射后也會產(chǎn)生5種輻射誘導(dǎo)信號(radiation induced signals, RIS)分別為RIS1、RIS2、RIS3、RIS4和RIS5.并且發(fā)現(xiàn)用蒸餾水浸泡剪切下來受到輻射的指甲10 min后,除了RIS5和BKG兩種信號外其他信號都可以完全被消除.由于RIS5與本底信號都出現(xiàn)在相同位置處(兩者具有相同的g因子),并且使用蒸餾水浸泡都無法消除掉,所以對于如何將本底信號和RIS5兩種信號分離出來,國內(nèi)外的研究人員尚未找到比較合理的操作步驟,具體的操作流程也未達(dá)到共識,只是將本底信號在處理過程中認(rèn)為是不變的,并將受到照射后指甲的信號強度與未受到照射指甲的信號強度相減后的強度當(dāng)作輻射誘導(dǎo)信號強度.

由于人手指先天性的差異性和用手習(xí)慣的差異性,導(dǎo)致人不同手指指甲的本底信號強度并不相同.根據(jù)張騰達(dá)等[16]的研究發(fā)現(xiàn),同一個人的不同手指之間的本底信號差異性較大,最大與最小相差達(dá)到了55.89%;同一根手指甲的前后端的本底信號差異性也較大,并且同一個人由于用手習(xí)慣的不同,導(dǎo)致左右手指甲的本底信號強度也出現(xiàn)了明顯的差異性,所以在指甲EPR受照劑量重建過程中將本底信號認(rèn)為是不變的顯然是不合理的,同時對劑量重建的精度影響也是顯而易見的.要想把本底信號和RSI5信號成功分離或者去除本底信號只保留RIS5信號,利用現(xiàn)在的處理手段可能性不大.故在日后的研究過程中應(yīng)該探索本底信號的影響因素,找到各影響因素的修正因子,通過測量各影響因素相應(yīng)的指標(biāo)并經(jīng)修正因子修正之后來反推本底信號強度,這樣就可以間接測量指甲輻照后的輻射誘導(dǎo)信號強度,最終使實驗結(jié)果的可信度極大提高.

3 指甲水分引起的實驗誤差

水是生命之源,水不僅在人體的生命功能中,而且在電離輻射損傷中扮演著十分重要的作用.根據(jù)輻射類型,電離輻射在人體中被分成兩種[3]:即直接和間接輻射.直接輻射直接攻擊生物大分子,如通過帶電粒子或光子直接攻擊人體中的DNA;間接輻射是指水在受到輻照后產(chǎn)生活化氧等自由基基團進而攻擊生物大分子.由于間接電離輻射損傷在人體輻射損傷中占有較大比例,所以指甲水分含量越高,受到電離輻照時產(chǎn)生的自由基濃度越大.

由于不同的研究者在實驗過程中對指甲處理步驟不一樣或指甲在蒸餾水中浸泡10 min后干燥時間的誤差導(dǎo)致指甲中剩余水分含量不同,會對指甲劑量重建的精度造成干擾.根據(jù)以往的研究成果[19]將指甲樣本放到蒸餾水中浸泡10 min后取出樣本,用衛(wèi)生紙擦除指甲表面的水分放到培養(yǎng)皿中在空氣中風(fēng)干5 min、再放到鼓風(fēng)機中在70℃條件下干燥3 h,能夠徹底去除指甲中的水分.張騰達(dá)等[20]根據(jù)上述干燥條件處理指甲樣本發(fā)現(xiàn),70℃條件下干燥3 h并不能夠完全去除指甲中的水分,導(dǎo)致根據(jù)上述步驟處理指甲后指甲中仍然殘留部分水分,進而導(dǎo)致不同指甲即使受到相同劑量的電離輻照時產(chǎn)生的輻射誘導(dǎo)信號強度也會不同,也會對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的干擾.對于指甲在70℃條件下干燥多長時間能夠徹底去除里面的水分還需要在以后的研究中繼續(xù)探究.

4 指甲EPR受照劑量重建時的誤差

目前,盡管使用指甲EPR進行受照劑量重建已逐漸成為國內(nèi)外研究者的共識,但對樣品進行處理的方法和劑量重建的方式,在不同的研究組之間卻出現(xiàn)較大的不同.在低劑量范圍內(nèi)(<10 Gy),RIS5信號強度與BKG信號強度是處于同一數(shù)量級.因此,在估算RIS5信號強度時不能忽略BKG信號強度對結(jié)果的影響.針對這種現(xiàn)象,目前眾多研究者采用的方式主要是將同一個人的指甲平均分成N分,其中一份不進行照射(信號強度作為BKG強度),而其他樣品分別照射不同的劑量,然后對樣品進行測量并減去BKG信號強度,從而求出RIS5信號強度與受照劑量的函數(shù)關(guān)系.但這種劑量重建方式,在高劑量范圍內(nèi)劑量響應(yīng)較好而低劑量范圍內(nèi)劑量響應(yīng)則較為混亂.因此,此種重建方式也極大增加劑量重建的誤差.

為了解決這類問題,部分研究者開始探索其他劑量重建方式.針對RIS5信號強度具有劑量飽和(20～40 Gy)這一特性,Trompier等[21]研究者提出,將未知受照劑量的指甲樣本經(jīng)過每次2 Gy劑量的多次照射,直至信號強度出現(xiàn)首次下降為止,然后計算累加照射劑量,最后將飽和參考劑量與累加照射劑量相減而得到初始受照劑量.這種方法在實際應(yīng)用中可以不用考慮BKG的影響,但由于飽和劑量范圍太寬,從而導(dǎo)致該種劑量重建方法估算出來的劑量因個體差異問題而與真實值之間出現(xiàn)較大的誤差.

有些研究者[19]以Log(P)為X坐標(biāo)和Log(S/P1/2)為Y坐標(biāo),建立一條曲線y=ea+bx+cx2,照射不同劑量樣品的這條曲線因在x=-b/2c這一點的曲率(K=|y"|/ {1+(y')2}3/2)不同,從而建立曲率受照劑量的函數(shù)關(guān)系;其中,P為微波功率,S是信號強度.盡管此種方法以后的劑量重建中似乎可行,但其合理性和正確性還需要進一步驗證.

在以往的實驗研究中,并未涉及解決個體差異性的研究,在尋找輻照劑量與自由基濃度的關(guān)系的實驗探究中,都是通過大樣本統(tǒng)計[22]而得出來的相應(yīng)的結(jié)論.但由于每個人的生活和飲食習(xí)慣不同,造成不同人指甲在輻照時能夠引起自由基濃度變化的影響因素的含量不同,也會造成得出的結(jié)論對于每一個不同的人而言都是不準(zhǔn)確的,估算出的自由基濃度的實際意義也會大打折扣.趙徵鑫等[23]在之前已有研究的基礎(chǔ)上提出了通過探尋影響個體差異性的因素來求出相應(yīng)的修正因子,通過相應(yīng)的修正因子來解決個體差異而導(dǎo)致的誤差.

5 展望

隨著EPR技術(shù)和核技術(shù)知識的普及,人們對核技術(shù)的態(tài)度正在發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變.近年來,研究者對指甲EPR受照劑量重建研究的關(guān)注度正在持續(xù)上升,指甲EPR受照劑量重建的研究也正在趨于理性,在日后的實驗研究中正在往揭示現(xiàn)象背后生物作用機理[24-27]而不是一味的使用大樣本統(tǒng)計的方向發(fā)展.

目前,指甲EPR受照劑量重建研究仍然處于起步階段,主要原因可能是因為EPR技術(shù)仍然不夠普及,很多人對其工作原理缺乏足夠的了解,進而導(dǎo)致現(xiàn)在國內(nèi)外研究指甲EPR受到劑量重建的科研人員非常少,精通其操作原理的研究者更少.由于研究指甲EPR劑量重建時需要使用放射源照射指甲,很多人對放射物缺乏足夠的了解,談核色變擔(dān)心在實驗過程中受到電離輻射而不愿意進行相關(guān)的研究,這在很大程度上制約了指甲EPR受照劑量重建研究的發(fā)展.

指甲作為一種放射敏感性比較好、且能很好克服牙釉質(zhì)所具有的缺點的人體組織材料,相信在不久的將來一定能夠取代牙釉質(zhì),成為檢測人體組織受到電離輻射時劑量評估的新方法,更好的為人類服務(wù).

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Analysis of the error sources of the radiation dose reconstruction in the fingernail electron paramagnetic resonance

ZHAO Zhi-xin, ZHANG Teng-da, ZHANG Wen-yi

It is very essential to set up a fast and accurate retrospective dosimetry method for the triage in radiation accidents. Electron paramagnetic resonance is an effective method for measuring free radicals. The exposure doses of human can be reconstructed by measuring the concentration of free radicals in the fingernail. Fingernail is a biological tissue material which has good radiation sensitivity and is easy to collect. The most important is that no secondary damage to human body has aroused wide attention of many researchers at home and abroad, and simultaneously, achieved great results in terms of dose assessment. However, as an immature dose estimation method, some uncertainties will be produced in the actual dose estimation process, which will affect the accuracy of the fingernail electron paramagnetic resonance dose reconstruction. In this paper, we will analyze and interpret the error sources and research progress of radiation dose reconstruction of fingernail electron paramagnetic resonance in the field. More detailed guidance is provided for the maximum reduction of the dose reconstruction in the future.

Error; Fingernail; Electron paramagnetic resonance; Dose reconstruction; Free radicals

1672-8270(2016)07-0124-04 [中圖分類號] R445.2

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.07.040

協(xié)和青年科研基金資助課題(3332015070)"飲用水中放射性核素對公眾健康影響關(guān)鍵技術(shù)的研究"、(3332015101)"強調(diào)放療在臨床精確放療質(zhì)量控制應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究"

①協(xié)和醫(yī)學(xué)院 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所 天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點實驗室 天津 300192

jiaoling@irm-cams.ac

2015-02-12