指甲EPR測(cè)量方法

田 燁 吳 可

(軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院輻射醫(yī)學(xué)研究所， 北京， 100850)

0 引言

核與輻射事件往往會(huì)導(dǎo)致大量人員受到輻射損傷，救治的關(guān)鍵是對(duì)受照者進(jìn)行快速劑量評(píng)估和早期分類(lèi)，為臨床治療提供依據(jù)[1]。常見(jiàn)的輻照劑量估算方法主要包括物理方法、生物學(xué)方法和生物物理方法。

(1) 物理方法。

通過(guò)輻射場(chǎng)重建和數(shù)值模擬計(jì)算方法，結(jié)合人員在輻射場(chǎng)中的活動(dòng)資料，獲得有關(guān)吸收劑量的計(jì)算結(jié)果。該方法優(yōu)勢(shì)在于快速，易于獲得宏觀整體評(píng)價(jià)結(jié)果。但受限于源項(xiàng)和人員具體活動(dòng)資料難以完整，因此，對(duì)個(gè)體情況評(píng)估時(shí)比較困難。

(2) 生物學(xué)方法。

包括染色體畸變、微核、血象變化、生物標(biāo)志物和臨床指征等，其中外周血淋巴細(xì)胞染色體突變率為生物學(xué)方法的典型代表。其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)果準(zhǔn)確、可針對(duì)個(gè)體，但是劑量范圍較窄，實(shí)驗(yàn)室硬件條件要求較高，獲得結(jié)果所需時(shí)間比較長(zhǎng)。

(3) 生物物理方法。

利用物理方法對(duì)生物指標(biāo)的特異性改變進(jìn)行定量檢測(cè)，如，利用電子順磁共振(EPR)技術(shù)測(cè)量骨骼、牙齒、指甲等組織中的輻射誘發(fā)自由基[2]。此方法檢測(cè)時(shí)間較短，劑量信息保存時(shí)間長(zhǎng)，儀器操作相對(duì)簡(jiǎn)單，劑量范圍寬，可重復(fù)測(cè)量，尤其適合于現(xiàn)場(chǎng)快速早期劑量評(píng)估和傷員分類(lèi)。

近年來(lái)，基于采樣可行性和劑量響應(yīng)的考慮，在體的牙齒和指甲EPR檢測(cè)技術(shù)成為生物物理方法研究的重點(diǎn)。與在體測(cè)量牙齒相比，指甲EPR測(cè)量具有以下優(yōu)點(diǎn)：①指甲不斷代謝更新，避免了過(guò)往受照史的影響；②測(cè)量過(guò)程更加簡(jiǎn)便，且無(wú)創(chuàng)；③測(cè)量技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)。目前指甲EPR在體測(cè)量的劑量檢測(cè)下限值約為1.4 Gy[3]，已接近傷員早期快速分類(lèi)的需求。

本文介紹指甲EPR波譜信號(hào)特征，對(duì)比離體測(cè)量和在體測(cè)量指甲EPR方法特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹在體測(cè)量方法及其在輻射劑量評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 指甲EPR波譜特征

指甲主要成分是α角螺旋蛋白，在電離輻射、機(jī)械力作用的應(yīng)激條件下會(huì)產(chǎn)生新的自由基，通過(guò)EPR技術(shù)可以檢測(cè)到指甲中自由基團(tuán)的信號(hào)，形成多種EPR波譜信號(hào)。EPR波譜信號(hào)包括指甲本底信號(hào)(BKG)、剪切產(chǎn)生的機(jī)械誘發(fā)信號(hào)(MIS)、γ輻射誘發(fā)信號(hào)(RIS)。

γ輻射誘發(fā)信號(hào)可細(xì)分為5種不同組分，即RIS1、RIS2、RIS3、RIS4、RIS5。RIS1、RIS3、RIS4僅在大劑量(約1 000 Gy)下產(chǎn)生，對(duì)輻射事故人員分類(lèi)不具有應(yīng)用價(jià)值。低劑量下產(chǎn)生的RIS2、RIS5是指甲EPR測(cè)量的目標(biāo)信號(hào)。RIS2具有更好的穩(wěn)定性，即受時(shí)間、溫度影響小，且水洗或浸泡不會(huì)消除該信號(hào)，是最具有應(yīng)用價(jià)值的信號(hào)。由于MIS、BKG與RIS相互重疊，影響了劑量響應(yīng)評(píng)估過(guò)程，因此將RIS2、RIS5從EPR波譜信號(hào)中分離是指甲EPR測(cè)量的重點(diǎn)[4]。

指甲剪切時(shí)機(jī)械力誘發(fā)產(chǎn)生了多種EPR信號(hào)，包括MIS1、MIS2、MIS3、MIS4。其中MIS2具有較好的穩(wěn)定性，受時(shí)間、溫度影響小且不受水洗或浸泡影響[4]，這種穩(wěn)定性被認(rèn)為源自指甲固有特性，稱為背景信號(hào)[5]。BKG和MIS2均對(duì)輻射誘導(dǎo)信號(hào)RIS的信號(hào)分析與劑量重建有較大影響，影響了指甲EPR測(cè)量[6]。

指甲EPR波譜RIS、MIS、BKG的信號(hào)幅度隨時(shí)間、儲(chǔ)存濕度環(huán)境的差異出現(xiàn)不同的變化特性，而信號(hào)的穩(wěn)定性對(duì)輻射事故后劑量重建過(guò)程十分重要。為此研究人員進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，以探究測(cè)量時(shí)間、樣品水分、周?chē)鷼怏w環(huán)境以及個(gè)體差異等因素的影響[4，7～12]。

2 指甲EPR離體測(cè)量

Brady等[13]提出指甲作為生物物理劑量計(jì)應(yīng)用的可能性。多次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了指甲中的輻射誘發(fā)信號(hào)(RIS)與照射劑量間存在線性關(guān)系[14～20]。

指甲EPR離體測(cè)量方法是將剪切收集的指甲樣品進(jìn)行清洗、自然晾干(或烘干)、稱重等工序后進(jìn)行EPR波譜采集，通過(guò)獲得其自由基信號(hào)重建樣品受照劑量。離體的指甲樣品通常在大氣環(huán)境中常溫保存，25 C°時(shí)RIS完全衰減需要100 d。為了保證測(cè)量結(jié)果的均一性，除了嚴(yán)格控制樣品的儲(chǔ)存環(huán)境、重量、處理流程外，指甲離體測(cè)量通常還使用加入自旋濃度確定的物質(zhì)作為信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)物的方法以歸一化樣品中自由基濃度的大小。

通過(guò)測(cè)量指甲的EPR信號(hào)評(píng)估劑量有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，由于指甲被剪切產(chǎn)生的機(jī)械誘導(dǎo)信號(hào)MIS與γ照射產(chǎn)生的輻射誘導(dǎo)信號(hào)RIS重疊，嚴(yán)重影響了指甲EPR劑量測(cè)量的準(zhǔn)確度。

為進(jìn)行客觀的劑量重建，離體指甲EPR測(cè)量劑量評(píng)估方法的關(guān)鍵在于將RIS從波譜信息中分離出來(lái)。為此研究人員進(jìn)行了大量工作并結(jié)合了不同信號(hào)的穩(wěn)定特性建立了三種離體測(cè)量方法，即水處理法、波譜分析法和輻射疊加法[11,21,22]。

2.1 水處理法

利用MIS、BKG信號(hào)幅度受水分影響明顯，而RIS5信號(hào)幅度對(duì)水處理不敏感的特性去除干擾信號(hào)。

將指甲樣品用清水浸泡10 min也可以很好的去除全部MIS及BKG，而RIS5浸泡無(wú)法消除[4]。清水浸泡雖然能暫時(shí)去除背景信號(hào)，但指甲晾干或烘干后，BKG幅度逐漸恢復(fù)，這一現(xiàn)象導(dǎo)致了使用該方法會(huì)出現(xiàn)BKG幅度不穩(wěn)定的問(wèn)題。張騰達(dá)等[22]認(rèn)為在使用清水浸泡消除機(jī)械信號(hào)后，應(yīng)對(duì)指甲進(jìn)行烘干處理，使BKG幅度恢復(fù)最大值，進(jìn)而穩(wěn)定，以減小測(cè)量誤差，他們對(duì)浸泡后的指甲在30 ℃、70 ℃、200 ℃下分別進(jìn)行干燥，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，70 ℃烘干3 h可使指甲完全干燥，BKG穩(wěn)定，且避免高溫影響RIS幅度。焦玲等推測(cè)水處理法可用于估測(cè)大于3 Gy的劑量值[10]。

2.2 波譜分析法

波譜分析法通過(guò)測(cè)量單峰幅度，從總單峰幅度中扣除MIS1信號(hào)幅度推算出的MIS2及樣品照射前測(cè)量出的BKG，從而得到RIS5。

He等[11]在干燥氮?dú)猸h(huán)境下，對(duì)指甲中MIS1、MIS2、MIS3進(jìn)行7 d的幅度監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)寬頻MIS1與單峰機(jī)械誘導(dǎo)信號(hào)MIS2幅度之間存在較穩(wěn)定的比例關(guān)系(標(biāo)準(zhǔn)誤差26%)，結(jié)論提出，可通過(guò)MIS1的測(cè)量，間接確定MIS2的幅度。隨后他們對(duì)60位捐贈(zèng)者的指甲測(cè)量結(jié)果中的MIS1、MIS2信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為0.68, Swartz等[21]認(rèn)為這種不穩(wěn)定是導(dǎo)致該方法劑量下限無(wú)法達(dá)到輻射事故傷員分類(lèi)需求的主要原因。

對(duì)于波譜分析法，指甲剪切后EPR波譜信號(hào)的穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，從指甲收集與剪切到測(cè)量過(guò)程中MIS受到周?chē)h(huán)境的影響而衰減可能破壞MIS1與MIS2之間的比例關(guān)系。根據(jù)指甲中EPR波譜信號(hào)穩(wěn)定性特性，研究者在剪切收集后對(duì)指甲進(jìn)行快速干燥并使用惰性氣體(如CO2、N2)保存，顯著減緩了指甲中信號(hào)的衰減，從而保持了MIS1與MIS2之間穩(wěn)定的比例關(guān)系，使其相關(guān)系數(shù)由0.68增長(zhǎng)到0.93。

2.3 輻射疊加法

對(duì)收集到的受輻射指甲進(jìn)行至少兩次重復(fù)照射，并對(duì)再照射后的EPR信號(hào)進(jìn)行線性擬合，通過(guò)其幅度變化率進(jìn)行事故劑量的刻度[21]。這種方法需要在疊加照射的過(guò)程中，指甲的水分保持穩(wěn)定并盡可能接近指甲在體時(shí)的狀態(tài)。

Marciniak等[7]在實(shí)驗(yàn)中指出，指甲在進(jìn)行多次輻射疊加后可能出現(xiàn)幅度飽和現(xiàn)象，當(dāng)照射總劑量達(dá)40～60 Gy時(shí)，重復(fù)照射不再使EPR信號(hào)幅度增長(zhǎng)反而出現(xiàn)下降。輻射疊加法需要嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室條件，無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，難以實(shí)現(xiàn)事故后人員早期快速分類(lèi)。

3 指甲EPR在體測(cè)量

由于指甲剪切后測(cè)量的波譜信號(hào)組成復(fù)雜，受剪切以及儲(chǔ)存環(huán)境的諸多因素影響大，樣品處理方法復(fù)雜，所以離體測(cè)量不能完全滿足核與輻射事件早期人員分類(lèi)的需求。為徹底消除MIS影響，近年來(lái)研究人員對(duì)指甲在體EPR測(cè)量方法和技術(shù)展開(kāi)了探索。

指甲在體EPR測(cè)量仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)，如：專用微波諧振腔(器)的研制。與常規(guī)離體測(cè)量所使用的封閉式諧振腔不同，指甲在體EPR測(cè)量需要設(shè)計(jì)專用的諧振腔，通過(guò)微波泄露對(duì)在體樣本進(jìn)行局部檢測(cè)，泄露的微波功率需足夠強(qiáng)以獲得足夠的靈敏度，同時(shí)又需要盡可能地避免指甲臨近的軟組織對(duì)泄露微波的吸收。目前主要有兩種指甲在體EPR測(cè)量專用諧振腔：探測(cè)口式諧振腔和表面諧振腔陣列。

3.1 探測(cè)口式諧振腔

Ikeya等[23]對(duì)矩形TE102諧振腔進(jìn)行改造，在諧振腔腔壁開(kāi)口，通過(guò)狹縫處泄漏微波對(duì)樣品進(jìn)行EPR測(cè)量。

Swartz等[21]提出，在半球形TE011諧振腔腔壁中部適當(dāng)位置開(kāi)口，可得到兩倍于矩形TE102型諧振腔的微波功率，從而提高檢測(cè)性能。

Grinberg等[24]通過(guò)在探測(cè)口式諧振腔內(nèi)安裝電介質(zhì)，使微波的磁場(chǎng)分量與電場(chǎng)分量垂直分離以增強(qiáng)探測(cè)口處磁場(chǎng)強(qiáng)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TiO2、KTaO3、藍(lán)寶石等電介質(zhì)均可放置于TE102或TE011諧振腔探測(cè)口內(nèi)增強(qiáng)諧振腔探測(cè)性能。將KTaO3電介板安裝在TE102諧振腔矩形探測(cè)口內(nèi)制作了KTaO3電介板DAR(KTaO3-DAR)。通過(guò)在X波段下對(duì)受137Cs照射的指甲樣品進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)無(wú)電介板的探測(cè)口式諧振腔相比，KTaO3-DAR得到的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)約15～20倍。他們用改進(jìn)后的X波段背襯電介質(zhì)探測(cè)口式諧振腔(DAR)，以具有穩(wěn)定EPR信號(hào)的Kapton25、Kapton35薄膜(等效RIS劑量分別為12.5、35 Gy)為樣品，0.25 mm厚PC板為間隔物進(jìn)行探測(cè)深度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，確定了使信號(hào)最優(yōu)化的KTaO3-DAR探測(cè)口的模型。而后，研究人員將Kapton25、Kapton35薄膜粘貼于健康志愿者指甲表面進(jìn)行在體測(cè)試，志愿者在測(cè)量前10～15 min洗手，使指甲中的BKG的影響基本消除。測(cè)量結(jié)果顯示，KTaO3-DAR探頭的檢測(cè)指甲的理論探測(cè)下限可達(dá)1.4 Gy。

3.2 表面諧振腔陣列

表面諧振腔陣列(SRA)是由多個(gè)相同共振元件通過(guò)CRC橋和脊骨連接構(gòu)成的表面接觸式諧振腔[25]，脊骨連接處為零電位，使該處電場(chǎng)最小而磁場(chǎng)最大。在體測(cè)量時(shí)指甲周?chē)浗M織引起的微波介電損耗降低了探測(cè)效率。為減少微波損耗，指甲在體劑量測(cè)量需將探測(cè)深度限定在指甲厚度內(nèi)，SRA諧振腔包含的CRC模塊目的在于通過(guò)改變CRC模塊的尺寸參數(shù)以控制對(duì)指甲的探測(cè)深度，避免指甲下肌肉、結(jié)締組織對(duì)微波的吸收。

He等[3]使用了陣列間距為1 mm的SRA諧振腔在X波段下進(jìn)行了指甲在體EPR測(cè)量，但該實(shí)驗(yàn)并未能取得良好信號(hào)。原因在于使用的SRA諧振腔陣列間距過(guò)小，導(dǎo)致探測(cè)深度過(guò)淺。

Sidabras等[26]設(shè)計(jì)了分別含有7、11個(gè)共振元件的SAR，使用L-α-丙氨酸和聚苯乙烯混合物制作了1.5 mm厚的指甲模型，并對(duì)其進(jìn)行137Cs照射，再將其粘貼于聚丙烯酰胺凝膠制作的手指體模上形成全指模型。在X波段下，采用0.2 mm厚的PC板作為間隔物，使用該模型對(duì)分別含有7、11個(gè)共振元件的SAR進(jìn)行探測(cè)深度的測(cè)量。結(jié)果顯示，對(duì)于含7、11個(gè)組件的SAR，90%的信號(hào)分別來(lái)自于0.75、0.5 mm以內(nèi)。而后研究人員對(duì)指甲模型進(jìn)行了7次不同累積劑量照射，使用SAR獲得了較為良好線性劑量響應(yīng)。模擬計(jì)算顯示SAR諧振腔在負(fù)載丙氨酸-聚苯乙烯指甲模型的下，其質(zhì)量因子(Q)約為200。研究人員認(rèn)為SAR在X波段下探測(cè)下限低于2 Gy。

3.3 技術(shù)特點(diǎn)

指甲在體EPR測(cè)量方法有以下優(yōu)勢(shì)：(1) 避免了剪切收集指甲樣品時(shí)MIS的產(chǎn)生，徹底避免了MIS2與目標(biāo)信號(hào)RIS5重疊的問(wèn)題；(2) 指甲中的水份含量較為穩(wěn)定，避免了因樣品儲(chǔ)存和處理的不同導(dǎo)致的信號(hào)衰減、不穩(wěn)定的問(wèn)題；(3) 可以在現(xiàn)場(chǎng)快速給出檢測(cè)結(jié)果，滿足事故早期分類(lèi)的要求，減少了指甲收集與儲(chǔ)存等流程帶來(lái)的誤差。

指甲在體EPR測(cè)量從原理上徹底避免了MIS信號(hào)難以分離的問(wèn)題，有望進(jìn)一步提升指甲作為電離輻射劑量計(jì)的檢測(cè)靈敏度，具有采樣簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)快速、針對(duì)個(gè)體的優(yōu)勢(shì)。研究人員設(shè)計(jì)了多種可專用于指甲在體EPR測(cè)量的諧振腔，目前來(lái)看，DAR是在傳統(tǒng)諧振腔基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)安裝電介板提高探測(cè)靈敏度，SAR使用了新穎的諧振陣列結(jié)構(gòu)通過(guò)控制探測(cè)深度提高探測(cè)效率，二者都為在體EPR測(cè)量諧振腔的設(shè)計(jì)提供了新思路。指甲在體測(cè)量雖起步較晚，但模擬的在體測(cè)量實(shí)驗(yàn)均取得較好的結(jié)果，理論探測(cè)下限基本達(dá)到急性放射性損傷的分類(lèi)需求，且具有樣品前處理方法簡(jiǎn)單快速、測(cè)量流程易于操作的潛力，顯示了在體指甲EPR測(cè)量方法良好的發(fā)展前景。

3.4 存在的問(wèn)題

指甲EPR在體劑量測(cè)量目前仍然面臨著較多挑戰(zhàn)，多種相關(guān)研究工作正在展開(kāi)，主要包括：

(1) 考察不同類(lèi)型的照射下(如β及不同能量的γ、中子)，指甲劑量與全身劑量、人體各主要臟器有效劑量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)[27]。

(2) 研究紫外線與指甲EPR信號(hào)之間的關(guān)系，探索紫外線誘導(dǎo)信號(hào)與γ誘導(dǎo)信號(hào)的區(qū)別與聯(lián)系，以及紫外線誘導(dǎo)信號(hào)與指甲BKG之間的關(guān)系。

(3) 在W波段(94 GHz)下，使用脈沖EPR對(duì)經(jīng)清水浸泡處理的指甲進(jìn)行測(cè)量，利用高頻場(chǎng)優(yōu)良的靈敏度和分辨率，進(jìn)一步闡明長(zhǎng)壽命RIS(經(jīng)水處理依然穩(wěn)定存在的信號(hào)成分)的性質(zhì)。

(4) 研究指甲硬/軟化劑、染色劑對(duì)指甲EPR信號(hào)的影響。