醫(yī)源性電離輻射劑量率估算與生物醫(yī)學防護研究

董亞軍，程強力

1.南華大學附屬第二醫(yī)院，湖南 衡陽 421001; 2.南華大學附屬第一醫(yī)院，湖南 衡陽 421001

1 引言

一直以來，人們普遍重視核輻射引發(fā)的一系列影響，忽略了醫(yī)源性電離輻射帶來的傷害[1]。隨著科技的迅猛發(fā)展，核技術和輻射技術被普遍應用于各個醫(yī)學領域，在各項醫(yī)學勘測診治過程中常需使用多種放射技術與設備[2-4]。醫(yī)學影像是一種以非侵入方式取得人體內部組織影像的處理過程，這些又稱為醫(yī)學成像或影像醫(yī)學。大部分設置相關的儀器設備，并編制有專門的護理師、放射技師以及醫(yī)師，負責儀器設備的操作、影像的解釋與診斷。影像一般通過投影來進行成像，例如X線片就是X線在穿過人體的時候，由于骨頭的遮擋留下了影子形成了X線片。醫(yī)學上，習慣將X線片、CT和MRI等稱為影像。放射醫(yī)師提高CT檢查一次性成功率可有效降低傷員電離輻射暴露[5]，在放射治療的過程中，不同種類的輻射光束會在清楚壞死細胞的同時對身體其他組織造成直接損傷，嚴重的甚至會造成癌癥[6]。醫(yī)學影像拍攝過程中，遭受的輻射劑量可能誘發(fā)癌癥[7]。為提高傳統輻射劑量率估算的效率及準確度，徐守龍等[8]與朱靜芬等[9]分別在CCD、CMOS分析γ射線電離輻射與γ-H2AX免疫熒光評價CT輻射兩個方面對輻射劑量率展開了估算，但估算結果無法滿足實際應用中的要求，還需更進一步展開研究。醫(yī)源性電離輻射已經成為人們遭受輻射的主要人工源頭，越來越多的專家與學者開始注意起醫(yī)源性電離輻射造成的傷害以及生物醫(yī)學防護的措施。通過生物醫(yī)學防護的措施可以有效防止醫(yī)源性電離輻射引發(fā)的二次傷害[10]，以深入研究不同部位遭受輻射造成的傷害特征、其出現的分子基礎、輻射傷害的形成與傳播等為前提，結合適宜的作用步驟與靶點可以令生物醫(yī)學防護的措施與期望結果更靠近[11,12]。本文從生物醫(yī)學防護的特點、危害、輻射效應的分子和調節(jié)等方面，對目前生物醫(yī)學防護的最佳效果進行了概述。

2 醫(yī)源性電離輻射劑量率估算

2.1 材料與方法

2.1.1儀器設備

(1)全自動低本底多道γ能譜儀。所屬類別：放射性核輻射檢驗器具；作用：測量現場能譜；生產商：湖北方圓環(huán)保科技有限公司；型號：FYFS-2002E。

(2)ORTEC便攜式高純伽馬能譜儀核素甄別器。生產商：北京泰坤工業(yè)設備有限公司；晶體探測型號：同軸P型高純鍺；探測效率：40%；能量分辨率：2.2 keV(60Co，1332 keV)。

(3)XH-2020便攜式環(huán)境級Xγ輻射檢測儀。作用：測量現場能譜點位的空氣比釋動能率；生產商：北京中恒日鑫科技有限公司；型號：6150AD5/h型；要求：γ劑量率儀處于檢定有效期內；分辨率：0.01 μSv/h；測量范圍：劑量率：0.001～1500 μSv/h，累計劑量：0.001～9999 mSv；使用環(huán)境：-10～50 ℃，相對濕度(在40 ℃溫度下)98%。

(4)高純鍺HPGe伽馬能譜儀。生產商：卡迪諾科技(北京)有限公司；型號：ORTEC Detective-DX-100T型。

2.1.2醫(yī)源性電離輻射劑量率估算

2.1.2.1 電離輻射劑量率計算

醫(yī)源性電離輻射劑量率估算描述的是人體遭受輻射時所得到的劑量學參數[13]。當人體遭受輻射時，其輻射的區(qū)域為不規(guī)則狀，基于此無法將人體整體輻射的平均劑量和中線劑量用于該種情況的估算，所以提出一種人體干細胞的存活模型，以期估算醫(yī)源性電離輻射劑量率，其具體計算過程如下：

若被輻射區(qū)域劑量隸屬于人體遭受輻射后患有相關放射病的區(qū)域內，則其全身劑量取決于人體遭受輻射后其整體造血的干細胞活存狀況，與其有關的敏感因素包括：整體所含紅骨髓量、目標位置遭受輻射后的劑量以及干細胞劑量存活狀況[14]。根據中華人民共和國國家職業(yè)衛(wèi)生標準《職業(yè)性外照射個人監(jiān)測規(guī)范》(GBZ128-2016)規(guī)定的介入放射人員全身有效劑量的估算方法(見式1)進行估算。有效輻射劑量估算結果依據《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》(GB18871-2002)的參考值進行評價，連續(xù)5年內，觀察者年平均有效劑量≤20 mSv；任何一年觀察者的全身有效劑量≤50 mSv。

Eo=0.5Hw+0.025HN

(1)

式中，醫(yī)源性電離外照射有效劑量用Eo表示，單位為mSv；鉛衣內腰部性腺水平測得的個體劑量當量用Hw表示，鉛衣外頸部甲狀腺水平測得的個體劑量當量用HN表示。

2.1.2.2 電離輻射劑量率計算實驗

為了對醫(yī)源性電離輻射劑量率進行有效估算，需要對各個環(huán)節(jié)進行細化處理，首先，需要進行血液標本采集：一般當人體血細胞進行醫(yī)源性電離輻射時，細胞的DNA受到電離輻射的損傷，在一定輻射劑量率范圍內的損傷時，人體細胞具有自愈能力，通過時間長短來分為早期修復與晚期修復過程。有研究[15,16]發(fā)現,細胞的有效修復基本在2 h內，當超過2 h后大部分損傷的DNA不再具有修復能力。因此，需要在術后1 h采集護士靜脈血，觀察DNA損傷情況。在無菌條件下，選取PCI術前及術后1 h以內，取每名隨臺護士外周靜脈血10 mL，加肝素抗凝后分裝于離心管內，同時密封儲存于4 ℃冰箱。實驗與分析過程如下:

(1)使用梯度密度離心法分離淋巴細胞。將血樣沿離心管輕加在等體積的淋巴細胞分離液中，12000 r/min離心5 min后取中間層，加入4mL PBS后以3000 r/min離心5 min，棄上清后洗滌3次。調整細胞密度為2×104個/mL后置于4 ℃冰箱備用。

(2)實驗采用磨砂載玻片。鋪膠的方法分為單層制膠法、雙層制膠法或三層制膠法，本實驗采用雙層制膠法。電泳槽內均勻的鋪上100 μL正常熔點瓊脂糖凝膠，4 ℃固化，1∶3混勻淋巴細胞懸液與低熔點瓊脂糖凝膠后取100 μL鋪于正常熔點瓊脂糖凝膠上，再次4 ℃固化。

(3)取下蓋玻片后，載玻片立即在預冷的裂解液中浸泡，4 ℃放置8 h使細胞充分裂解，但避免時間過長裂解液出現沉淀。裂解液配法：5 mol/L NaCl，1%肌氨酸鈉，100 mmol/L Na2EDTA，10 mmol/L Tris-HCl，調pH至10，臨用前再加入1%Triton X-100及10%DMSO，現用現配。

(4)結束裂解以后，取出載玻片，用ddH2O沖洗載玻片后放置于水平電泳槽中，加入預冷的電泳液，配法：1 mol/L Na2EDTA，300 mmol/L NaOH，pH 13。靜置30 min，DNA解螺旋后，以25 V 300 mA電泳25 min。電泳完成后取出載玻片，置于pH 7.5的0.4 mol/L Tris溶液內中和，每次5 min，共3次。

(5)每張載玻片上加20 μL的熒光染色劑溴化乙錠(EB)，熒光顯微鏡下觀察(400倍)，激發(fā)波長510～550 nm，發(fā)射波長590 nm。每個樣本隨機分析60個細胞。觀察指標為尾部DNA含量和尾矩。

2.1.3質量保證與統計學方法

在不同的測量位置對空氣比釋動能率進行實際監(jiān)測，利用γ能譜儀對其展開深入研究，以所得研究結果為無效刻度估算結果的檢驗標準。使用SPSS統計軟件對比驗證實際監(jiān)測到的吸收劑量與公式計算結果，通過對比驗證所得判斷假設的輻射情況是否與實際相同。

2.2 實驗結果分析

以檢驗本文提出的醫(yī)源性電離輻射劑量率估算方法為目的，在MATLAB仿真軟件中展開相關實驗，實驗采用系統配置為Windows7、運行內存大于2 GB的計算機，分析不同醫(yī)源性電離輻射劑量率估算方法的誤差，實驗結果如下。

實驗選取文獻[8](結合CCD與CMOS的輻射劑量率估算方法)及文獻[9]的方法(利用γ-H2AX免疫熒光進行分析的劑量率估算方法)為本文方法的對比方法，分別計算3種方法的估算誤差。對比結果如圖1所示。

通過圖1可以得知，跟隨實驗次數的增加，3種劑量率估算方法的誤差變化不同，其中本文方法的誤差最小，近似于零，文獻[9]方法的誤差最高，且在變化過程中多次出現峰值，誤差值較大，綜上所述，本文方法的估算誤差得到有效控制有所減少，估算結果的準確程度得到提升。

為驗證本文方法的估算率結果的準確性，將實驗設置為四組劑量組，以實際測量情況所得數值為對照組，基于核輻射含元素量與相關公式，估算某醫(yī)院20個患者在醫(yī)源性電離輻射的影響下，其器官(紅骨髓、結腸壁、甲狀腺)劑量及其對照組。結果見表1。通過表1可知，低、中、高三組劑量組的器官劑量均明顯高于對照組，其中以低劑量組的器官劑量最高，說明估算結果與劑量分組的吻合程度較低，原因是醫(yī)源性電離輻射的輻射形式不同，存在內輻射，無法精準地對其進行檢測，3個器官中以甲狀腺的劑量值為最高，說明甲狀腺是3個器官中最容易受到輻射損傷的器官，需要及時采取有效的防護措施。

表1 器官年吸收劑量

3 醫(yī)源性電離輻射的醫(yī)學防護措施

醫(yī)源性電離輻射的生物效應可以通過生物醫(yī)學技術進行干預，實現其在一定輻射劑量區(qū)間內的控制?；诔霈F輻射的原理、過程以及結果掌握影響其的各項因素和特征，通過各種措施干預適宜步驟，實現最優(yōu)秀的醫(yī)學防護，具體防護措施如下：

(1)清除自由基：細胞通常都蘊含具有一定水平的清除劑專用于清除自由基，其可以在細胞出現應激的情況下對其進行引誘產生。通過部分化合物(以氨磷汀為代表)可以在表現出不同程度的自由基清除程序內源性的同時消除具有外源性的自由基，具有較好的輻射防護效果，可應用于臨床。

(2)降低組織氧消耗：利用對距離組織較遠位置的捆扎可以降低其所具有的氧張力，以便減小組織遭受的輻射損傷；通過羥色胺物質能夠減少組織對氧的消耗，減緩氧化程度，實現其對于輻射損傷的防護效果；采用氨磷汀消除自由基，同時減少氧氣損耗，實現輻射損傷的防護。除此之外，還可以采用具有減緩細胞氧氣損耗的蛋白因子實現輻射防護，該物質可以在氧張力要求為正常的情況下重復蛋白酶分解的步驟使其保持濃度一直處于較低層次，在乏氧情況下不被分解而是不斷累計，引發(fā)對乏氧反應下海量蛋白基因的直觀描述。以降低活性氧引起的細胞損傷為目的，要求在平穩(wěn)細胞中包含的乏氧誘導因素的同時提升其活力并減少氧氣損耗。除此之外，還可以采用部分能夠模仿缺氧行為的化合物或者能夠控制分解的物質，在減少細胞與周邊環(huán)境所含氧張力與控制物質分解實現輻射損傷的間接防護二者中選擇。

(3)抑制和阻斷繼發(fā)病理效應因子的活性和傳播途徑：針對醫(yī)源性電離輻射可以選擇將蛋白因子上調，通過減弱對這些蛋白質的描述有效實現組織纖維化的防護，也可以選擇控制細胞因子的描述，有效減弱炎性細胞轉移與跨越內皮的功能。利用受體拮抗劑可以阻斷炎癥的遷移，減少炎性細胞在組織內的浸潤。通過他汀類物質能夠在描述單核趨化因素的同時抑制其與其他物質的結合，以實現長效的抗菌消炎，提高免疫功能，同時也可利用對膠原蛋白累計調整過程中的細胞分泌控制實現細胞的抗纖維化，減少輻射損傷。

4 結論

本文研究醫(yī)源性電離輻射劑量率估算與生物醫(yī)學防護方法，以可供劑量為基礎估算使用的參數信息，同時給出相應生物醫(yī)學防護措施。實驗結果表明，該方法可以有效減少計算誤差，提高估算結果的準確程度和估算效率。在生物醫(yī)學防護方面，通過對細胞的維護等其他醫(yī)學手段可以在一定程度減輕醫(yī)源性電離輻射帶來的生物損傷，但是所有的生物醫(yī)學防護措施都只具有緩解和減少患者在治療過程中經受大劑量醫(yī)源性電離輻射引起的副作用和防護低劑量醫(yī)源性電離輻射導致的生物損傷，其他的直接照射導致的輻射損傷僅能通過減少照射、距離拉長等物理手段實現防護。