指甲電子順磁共振波譜信號的劑量學(xué)性質(zhì)

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，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，如何快速有效地進行輻射劑量重建，是評估事故等級和進行醫(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，樣品處理費時，從而制約了該方法的普及[7]。而指甲樣品獲取簡單、對受測人員沒有二次傷害、處理過程簡便，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(Background signal, BS)的組成以及受照指甲的EPR信號劑量響應(yīng)[11-12]，而沒有對指甲輻射誘導(dǎo)信號(Radiation-induced signal, RIS)穩(wěn)定性進行系統(tǒng)詳細的研究。指甲RIS的穩(wěn)定性是其劑量學(xué)特性的一個重要方面。研究RIS信號隨時間的變化，將為核輻射事故后不同時間使用指甲EPR進行劑量重建提供理論和實驗數(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。本文主要對剪切后0-68 d指甲的未照射樣品的EPR信號(即本底信號)、不同照射劑量引起的RIS信號以及RIS信號的劑量響應(yīng)的穩(wěn)定性進行了研究。

1 材料與方法

1.1 樣品準備

實驗共收集20例（男、女各10例）健康成人的指甲，年齡范圍23-50歲。首先，用剪刀將每個人的指甲分別剪切成2-3mm長，1-2mm寬的樣品，去除細小的指甲碎片[13]。再對指甲樣品分別稱重，每個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，通過手動選擇照射劑量。對每個人的7份樣品分別照射0、2、3、5、8、10和15 Gy，在照射之后不同時間進行EPR測量，照射當天作為第0天。

1.3 電子順磁共振測量

實驗中使用德國 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天對樣品進行了測量。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個不同角度進行測量，然后取其平均值。因每個樣品的質(zhì)量不同，需要對指甲的EPR信號強度進行質(zhì)量歸一化處理。用樣品 EPR信號強度代表 EPR信號的峰峰值，RIS信號強度代表RIS信號的峰峰值。

2 結(jié)果

2.1 指甲EPR信號

從20個指甲樣品中，隨機選取一個樣品，在照射0、10和15 Gy后第0天測量得到的EPR譜線如圖1所示。圖1還包括該樣品照射5 Gy引起的RIS信號強度，由5 Gy EPR波譜信號減去同一時刻0 Gy EPR波譜信號后得到。從圖1可以看出，樣品受照劑量越大，其信號強度越高。15 Gy EPR信號強度是10 Gy 信號強度的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 本底信號穩(wěn)定性

隨機抽取20個未照射樣品中的某一個，該樣品在第0、2和12天的EPR譜線強度如圖2所示，從圖2可以看出，未照射樣品的信號強度隨著時間的延長而增強，而信號寬度沒有改變。

選取20個未照射樣品中EPR信號強度隨時間變化幅度最大和最小的兩個樣品，分別命名為1和5號，然后在其它18個樣品中隨機抽取3個，分別命名為2、3和4號。圖3顯示了這5個樣品的EPR信號強度隨時間的變化，數(shù)據(jù)點的誤差為每個樣品測量3個方向之間的標準差。圖3表明，從第0天到第7天，5個未照射樣品的信號強度逐漸增大；在第7天至第20天之間，3、4和5號樣品的信號強度有所降低，而1、2號樣品的信號強度繼續(xù)增大；第20天以后，5個樣品的信號強度都處于上升趨勢，其中1和2號樣品的信號強度在第46天達到飽和。

圖4是20個未照射樣品EPR信號的平均值隨時間變化的擬合曲線，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。

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

圖3 1-5號未照射樣品的EPR信號強度與時間的關(guān)系Fig.3 EPR signal intensity of 1-5 non-irradiated samples at different time

圖4 20個未照射樣品在不同時間的EPR信號強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。對于受照劑量越低的患者，其實行醫(yī)療救治后的生存率越高，因此，實際應(yīng)用中，能夠檢測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信號容易被本底信號所掩蓋，綜合分析之后，以實驗研究中指甲照射劑量 5 Gy引起的RIS信號為代表，研究RIS信號穩(wěn)定性，比較有實際意義。

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

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

圖6 是20個樣品照射5 Gy后的RIS信號強度的平均值隨時間變化的擬合曲線，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個樣品照射5 Gy后在不同時間的RIS信號強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個樣品RIS信號強度平均值在第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信號強度隨著照射劑量逐漸增加。表1為20個樣品RIS信號強度平均值在第0、1、2、4和8天劑量響應(yīng)的擬合參數(shù)。

圖7 20個樣品RIS信號強度平均值在第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個樣品RIS信號強度平均值在第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譜線強度隨時間而增大，但信號寬度基本沒有變化，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，主要由機械剪切等引起的機械誘導(dǎo)信號 1 (Mechanically-induced signals1, MIS1)和固有的機械誘導(dǎo)信號2 (Mechanically-induced signals2, MIS2)兩種信號。MIS2表現(xiàn)為單峰，g=2.004，信號比較穩(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個信號疊加后形成，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為單峰，其g=2.004，所以應(yīng)為MIS2信號。隨著時間的增加，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信號增加，所以導(dǎo)致圖3中5個樣品表現(xiàn)出先增高后降低，隨后再增高最后達到飽和的現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上，對20個樣品的EPR信號強度隨時間變化趨勢進行擬合，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)存在固定的增長周期，信號強度增長50%的時間為23 d，通過這個時間可以進一步的了解信號達到飽和的時間。從圖3和圖4中可以了解到20個樣品的個體差異：通過計算得出20個未照射樣品在第0、1、2、4和6天，同一天個體EPR信號強度相對標準偏差分別為 42%、31%、41%、25%和31%。由于個體差異比較大，需要在后續(xù)研究中擴大樣品數(shù)量，建立本底信號穩(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信號主要為g=2.005的信號（命名為Signal1）和g=2.004的信號（命名為Signal2）疊加而成。對于 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，認為signal2和MIS2變化特征可能相似。同時指出了signal2隨劑量變化的曲線：低劑量照射后Signal2確實表現(xiàn)為逐漸增大，其幅度沒有MIS2增加的快。前面研究本底信號(MIS2)發(fā)現(xiàn)，本底信號變化趨勢為逐漸增大最后達到飽和；由于 MIS2與Signal2特征相似，Signal2極有可能是先逐漸增加最后達到飽和，而 Signal1為逐漸降低最后達到飽和，同時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。如圖6所示，20個樣品照射5Gy后在不同時間的RIS信號強度的平均值擬合曲線，作為Signal1和Signal2疊加后的RIS信號的變化。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，信號強度衰減50%的時間為3 d，通過這個時間可以進一步的了解RIS信號強度達到飽和的時間。由圖5中可以了解到20個樣品的個體差異：通過計算得出20個照射5Gy樣品在第0、1、2、4和6天，同一天個體RIS信號強度相對標準偏差分別為59%、69%、192%、112%和220%。增加照射劑量數(shù)據(jù)點和擴大樣品數(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)變化趨勢的，在此基礎(chǔ)上，采用 y=A1e(-x/t1)+y0指數(shù)函數(shù)進行擬合，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)擬合曲線隨著時間的增加，RIS信號幅度整體都有所降低，如圖7所示。分析認為，RIS信號穩(wěn)定性變化會導(dǎo)致劑量響應(yīng)的改變，而RIS信號的穩(wěn)定性是與本底信號穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)。在了解本底信號穩(wěn)定性的前提下，才能研究RIS信號穩(wěn)定性，進而能夠掌握劑量響應(yīng)的穩(wěn)定性。劑量響應(yīng)曲線具有其實際意義，通過EPR波譜儀測量受照指甲的信號強度，扣除本底數(shù)據(jù)得到RIS信號強度，在明確受照人員受照天數(shù)之后，可以使用劑量響應(yīng)曲線進行快速的查找，進而可以給出受照人員的受照劑量，實現(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)，確定具體時間范圍內(nèi)對應(yīng)的劑量響應(yīng)函數(shù)，達到能在實際中應(yīng)用的目的。

在最佳的條件下，指甲EPR最低探測劑量，理論上可達到1 Gy。在實驗操作中，最小探測劑量可能更高[17]。后續(xù)需要進一步研究以提高指甲EPR探測劑量靈敏度，確定能夠檢測的最小探測劑量值。同時要了解到當前研究是采用剪切指甲之后進行照射，然后處理信號，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，通過對指甲處理后再去測量信號，所以，需要深入細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)

實驗研究在第10天以后指甲RIS信號比較穩(wěn)定，指甲RIS信號可以進行劑量重建。同時在指甲RIS信號穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)上，研究了RIS劑量響應(yīng)的穩(wěn)定性。通過實驗發(fā)現(xiàn)，指甲能夠快速、有效的估計出輻射劑量，能夠為輻照事故后人員的快速篩選提供一個方法，進而能夠及時有效的給患者提供有效的醫(yī)療救治[10]。

1 Evangeliou N, Balkanski Y, Cozic A, et al. Simulations of the transport and deposition of 137 Cs over Europe after the Chernobyl Nuclear Power Plant accident: influence of varying emission-altitude and model horizontal and vertical resolution [J]. Atmospheric Chemistry & Physics,2013, 13(14): 7183-7198.

2 Charette M A, Breier C F, Henderson P B, et al.Radium-based estimates of cesium isotope transport and total direct ocean discharges from the Fukushima Nuclear power plant accident [J]. Biogeosciences, 2013, 10(3):2519-2167.

3 Clairand I, Trompier F, Bottollier-Depois J F, et al. Ex vivo ESR measurements associated with Monte Carlo calculations for accident dosimetry: application to the 2001 Georgian accident [J]. Radiation protection dosimetry, 2006, 119(1-4): 500-505.

4 Huet C, Trompier F, Clairand I, et al. Physical dosimetric reconstruction of a radiological accident at Fleurus(Belgium) on 11 March 2006 [J]. Radiation Measurements, 2008, 43(2): 845-848.

5 Wieser A. Review of reconstruction of radiation incident air kerma by measurement of absorbed dose in toothenamel with EPR [J]. Radiation protection dosimetry,2012, 149(1): 71-78.

6 Leve?que P, Desmet C, Dos Santos-Goncalvez A M, et al.Influence of free radicals signal from dental resins on the radio-induced signal in teeth in epr retrospective dosimetry [J]. PloS one, 2013, 8(5): e62225.

7 Fattibene P, Callens F. EPR dosimetry with tooth enamel:a review [J]. Applied Radiation and Isotopes, 2010, 68(11):2033-2116.

8 Clairand I, Huet C, Trompier F, et al. Physical dosimetric reconstruction of a radiological accident due to gammagraphy equipment that occurred in Dakar and Abidjan in summer 2006 [J]. Radiation Measurements,2008, 43(2): 698-703.

9 Romanyukha A, Trompier F, LeBlanc B, et al. EPR dosimetry in chemically treated fingernails [J]. Radiation Measurements, 2007, 42(6): 1110-1113.

10 Trompier F, Kornak L, Calas C, et al. Protocol for emergency EPR dosimetry in fingernails [J]. Radiation Measurements, 2007, 42(6): 1085-1088.

11 Trompier F, Romanyukha A, Reyes R, et al. State of the art in nail dosimetry: free radicals identification and reaction mechanisms [J]. Radiation and Environmental Biophysics, 2014, 53(2): 291-303.

12 屈喜梅, 劉忠超, 張文藝, 等. 基于輻照后指甲電子順磁共振譜線的劑量重建 [J]. 輻射研究與輻射工藝學(xué)報,2013, 31(2): 23-26.QIU Ximei, LIU Zhongchao, ZHANG Wenyi, et al. Dose reconstruction based on EPR spectra of irradiated fingernails [J]. Journal of Radiation Research and Radiation Processing, 2013, 31(2): 23-26.

13 Reyes R A, Romanyukha A, Trompier F, et al. Electron paramagnetic resonance in human fingernails: the sponge model implication [J]. Radiation and environmental biophysics, 2008, 47(4): 515-526.

14 Romanyukha A, Reyes R A, Trompier F, et al. Fingernail dosimetry: current status and perspectives [J]. Health physics, 2010, 98(2): 296-300.

15 Swartz H M, Iwasaki A, Walczak T, et al. In vivo EPR dosimetry to quantify exposures to clinically significant doses of ionising radiation [J]. Radiation protection dosimetry, 2006, 120(1-4): 163-170.

16 Sevilla M D, Yan M, Becker D. Thiol peroxyl radical formation from the reaction of cysteine thiyl radical with molecular oxygen: an ESR investigation [J]. Biochemical and biophysical research communications, 1988, 155(1):405-410.

17 Trompier F, Romanyukha A, Kornak L, et al. Electron paramagnetic resonance radiation dosimetry in fingernails[J]. Radiation Measurements, 2009, 44(1): 6-10.