指甲电子顺磁共振谱图基线修正方法与精度分析

赵徵鑫 张文艺 张立顺 翟贺争 张腾达 阮书州 苏锴骏 焦玲

300192天津，中国医学科学院 北京协和医学院放射医学研究所，天津市放射医学与分子核医学重点实验室

指甲电子顺磁共振谱图基线修正方法与精度分析

赵徵鑫 张文艺 张立顺 翟贺争 张腾达 阮书州 苏锴骏 焦玲

300192天津，中国医学科学院 北京协和医学院放射医学研究所，天津市放射医学与分子核医学重点实验室

目的 在指甲电子顺磁共振剂量重建实验测量中风速、温度及湿度发生大范围变化时波谱则会出现较大程度的基线漂移，进而使得读出的数值不能反映真实的自由基浓度，最终会降低实验结果的可信度。本研究将提出一种基线修正的方法以解决这个问题。方法 找寻发生漂移后的基线，然后选定波谱修正范围和相应的修正函数或将原始波谱还原成能量吸收谱，选择点修正的方法对波谱进行修正。结果 在同一样品测量中，对发生基线漂移的波谱未加以修正得到的数值与未发生基线漂移时得到的数值在误差允许范围内相等的概率仅为31%；而利用此方法修正后概率则达到91%，提高了近3倍。结论 在对波谱进行读数之前，应使用此种修正方法对波谱进行基线修正，以此来提高剂量估算的准确度。

电子顺磁共振； 波谱； 基线修正； 指甲； 基线漂移

Fund program：Youth Fund of Peking Union Medical College(3332015070,3332015101)

0 引 言

近年来，电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance,EPR）理论和技术得到迅速发展，在多个领域均取得重要成就，在辐射剂量重建方面尤为引人注目。EPR是检测自由基最直接有效的方法。人体在短时间内受到电离辐射时会产生自由基[1]，通过检测组织中的自由基浓度即可确定放射损伤类型。自物质的放射性这一特性被人类发现以来，放射性物质和辐射技术就逐渐被人类应用于医疗、能源等领域；然而在人类享受这些便利的同时也面临一些威胁。由于目前的技术还不能完全处理核废料，加之核与辐射事故时有发生，这些都会增加人类受到电离辐射的危险系数。当受到电离辐射时，快速、准确的剂量估算就显得尤为重要[2-3]。由于指甲受到电离辐射时会产生自由基，并通过EPR仪器可检测到相应的波谱[4-5]；同时，在实验研究中指甲样本来源广泛，且处理步骤较为简单，因此引起了学者的广泛关注[6-7]，并成为剂量评估的理想材料。

在指甲EPR剂量重建过程中，国内外研究者采取了多种方法来减少实验误差以此来提高剂量估算的准确度。如，水分会影响EPR信号强度[8]，因此在样本处理过程中需增加干燥的步骤；为解决直接读取波谱峰峰值时带来的误差，研究者引入了自旋标记物，使用波谱中样品的峰峰值与自旋标记物的峰峰值的比值进行数值比较；由于X波段的EPR对质量较小的样本灵敏度较低而导致测量结果的数值不准确，对此研究者使用Q波段[9]的EPR以克服上述缺点等。这些措施可显著提高剂量重建过程中剂量估算的准确度，但仍有一些误差在实验过程中被忽略。因在实验中无法保证实验条件不发生任何改变，当实验室中的温度、湿度和风速等发生大范围改变时就会导致波谱发生基线漂移。如将发生漂移后的波谱进行舍弃，结果就会人为地增加实验的次数，费时且费力。如对漂移后的波谱直接进行读数，则得到的数值根本就不可信，也无法达到高精度剂量估算、分类验伤和快速救治的目的。鉴于此，本研究将在前人研究的基础上，针对这一问题提出波谱基线的修正方法，为以后的研究提供参考。此方法最终可使读出来的数值更可靠，也使通过数值估算辐射剂量的研究更可信。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

指甲样品来自于中国医学科学院放射医学研究所和中国医学科学院生物医学工程研究所的男女志愿者，年龄范围为20～61岁，平均年龄为（41.0± 22.3）岁。所有样本在剪切之后需立即进行实验，并保证实验样本在24 h内测量完成。

本实验所采用的仪器为A300 X波段电子自旋共振波谱仪（德国布鲁克公司），实验温度为25℃、湿度为35%；中心磁场强度为353 mT，微波功率为1.01 mW，调制频率为100 kHz，扫描次数为20，时间常数为81.92 ms，扫场宽度为18 mT，调制幅度为0.5 mT，扫场时间为10.24 s。

1.2 方法

1.2.1 分组及样品制备

将指甲剪成长宽均为2 mm左右的小方块并随机分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3组，每组样品的质量为18 mg左右。将指甲样品放到纯净水里浸泡10 min后擦干指甲表面的水并在空气中放置5 min，再将指甲置于70℃下干燥3 h后放到谐振腔里进行测量。每份样品测量3次，每组样品均测100例。需严格控制实验温度、湿度及风速，以确保实验过程中3组样品在几乎不发生任何变化时得到波谱；利用图1或图2所示的基线修正方法进行基线修正；然后将直接读取波谱时得到的峰峰值与基线修正之后得到的峰峰值进行比较。如两者之间的差值小于1%时再将波谱的峰峰值进行统计，以排除测量仪器本身的漂移造成的波谱漂移。

1.2.2 波谱的测定

Ⅰ组样品在3次测量过程中3个影响因素几乎未发生任何改变，再加上利用上述步骤筛检，所以可认为3次测量得到的波谱均未发生基线漂移；同理，Ⅱ组样品在3次测量中的前两次测量过程3个影响因素几乎不发生任何变化，而第3次测量则发生大幅度变动，即可认为筛检后得到的波谱有一个发生了基线漂移而另外两个未发生基线漂移；Ⅲ组样品在3次测量过程中的第一次测量3个影响因素几乎不发生任何变化，而后两次测量过程中3个影响因素均发生大幅度变动，同理也可认为筛检后的波谱有两个发生了基线漂移另外一个未发生基线漂移。

1.2.3 基线的修正

在读取波谱的峰峰值之前，首先要观察波谱是否需要基线修正并粗略地观察基线漂移的大小。当发现波谱发生漂移时应首先选择第1种方法，即图1中所示的基线修正步骤，选定波谱修正范围和相应的修正函数。如发现修正之后基线仍然漂移则需使用第2种方法，即图2中所示的基线修正步骤。通过积分将原始波谱还原成能量吸收谱，选择点修正方法，并通过比较积分波谱和微分波谱来确定信号出现的范围和中心磁场的大致位置，划定点修正的边界，然后选择光滑曲线，最后将修正之后的谱图进行微分还原即可。

1.3 统计学方法

以Excel建立数据库，并采用SAS9.2软件对数据进行统计描述和假设检验，数据以均值±标准差（x±s）表示，选择χ2检验进行统计学处理。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

在实验测量过程中，实验室中的风速、温度、湿度发生大幅度变化时，其实验测量得到的波谱会发生严重的基线漂移。从发生基线漂移的波谱上读取的数值与真实代表的自由基浓度间会有很大的差距。对于I组实验测量，由于严格控制了实验室条件，确保上述3个影响因素基本保持不变，因此得到的波谱基线比较平滑，通过本研究提出的筛检方法筛检之后的波谱可认为未发生基线漂移（图3）。而对于Ⅱ和Ⅲ组测量，通过改变3个影响因素后得到的波谱则发生了较大程度的基线漂移；严控实验条件得到的波谱则基本未发生基线漂移。利用本研究所提到的基线修正方法修正后的波谱则变得更加平滑，基线也可认为未发生漂移（图4、5）。

图1 第1种基线修正方式

图2 第2种基线修正方式

表1 电子顺磁共振信号的相对峰峰值（n=100，x±s）

表2 同一样品测量中与第1次测量数值比差值不大于5.3%的概率（n=100）

在每组实验测量过程中，以第1次测量结果作为单位1，其他两次测量结果相对于第1次的测量结果显示相应的数值（表1、2）。从表中可以看出，Ⅰ组实验的3次测量结果在最大的差值（5.3%）之内的达97%。因此，若每组的3次实验结果差值在5.3%之内均可认为是相等的。图6可以看出，直接读取发生基线漂移波谱上的数值与严格控制实验室条件而未发生基线漂移时得到的数值之间的差值介于5.3%之内的仅有31%。利用本研究的基线修正法修正后得到的数值与严格控制条件而未发生基线漂移时得到的数值间的差值介于5.3%内已达到91%，提高了近3倍（P＜0.05）。

3 讨论与结论

在以往的研究中，并未涉及在波谱发生基线漂移时对其进行修正的问题。当波谱发生基线漂移时研究者要么将其舍弃进行再次测量，要么对波谱直接进行读数。前者在实验中会浪费大量的时间和精力，再加上指甲长时间暴露于空气中会因失水[10-11]而使其样本信号增强。如果实验中测的指甲样品数量较多时，将发生基线漂移的样品舍弃而进行再次测量的话会导致后面的指甲样品测出的数值均增大[10-11]，结果就会人为地增加实验误差，进而影响估算精度。

当发生大规模的核事故和电离辐射时，快速、准确地对剂量进行估算对人群分类验伤和快速救治至关重要[2-3]。如对发生基线漂移的波谱直接进行读数，则读出的数值与真实值之间往往存在较大出入，从而影响指甲在受到辐射后剂量估算的准确度，进而影响人群分类验伤的准确度和快速救治的效率。

本研究提出一种指甲EPR波谱基线修正的方法。利用该基线修正法对指甲EPR谱图进行基线修正，可使发生基线漂移的谱图变得更加平滑。从修正后的波谱读出的数值也比从未加以修正的波谱读出的数值更加准确。在实验中，当波谱发生基线漂移时可不将其舍弃，而可利用基线修正法对其进行修正；修正后得到的数值在误差允许范围内不仅可以代表真实的信号强度且可节约大量的人力、物力和财力。

本研究中，指甲样品是在设定的条件下进行测量的。如，中心磁场强度为353mT，微波功率为1.01mW等。如改变这些条件时，笔者提出的基线修正方法仍然适用。因为测量条件的改变并不会引起波谱发生基线漂移的因素的改变，同时测量条件的改变只会引起波谱的数值的改变而不会导致波谱基线出现额外的改变。因此，即使测量条件不同，也可以应用此种方法对发生基线漂移的波谱进行修正。

本研究提出的基线修正方法只是以指甲为例进行讨论。对于其他材料在理论上仍然可以使用此方法。因为其他材料和指甲都是借助EPR这一仪器，测量过程中所应用的原理[12-13]和引起波谱发生基线漂移的原因也完全相同。因此，对于今后欲借助EPR进行研究，如测量出的波谱发生基线漂移也可尝试使用本研究提出的基线修正法对其进行基线修正。

利益冲突 无

（图3～6见插页5-9）

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Reference line correcting method and accuracy analysis of fingernail electron paramagnetic resonance

Zhao Zhixin,Zhang Wenyi,Zhang Lishun,Zhai Hezheng,Zhang Tengda,Ruan Shuzhou,Su Kaijun,Jiao Ling

Institute of Radiation Medicine,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin Key Laboratory of Radiation Medicine and Molecular Nuclear Medicine,Tianjin 300192,China

Jiao Ling,Email:jiaoling@irm-cams.ac.cn

Objective The spectrum has a greater baseline drift when wind speed,temperature and humidity change in the experiment of fingernail electron paramagnetic resonance dose reconstruction,and thus the read-out value does not reflect the true radical concentration,which ultimately reduces the credibility of the test results.This study aims to propose a reference line correcting method to solve the problem.Methods The drifted baseline was found out first,and then spectral correction range and the corresponding correction function were selected or the original spectrum was reduced to energy absorption spectrum.Finally,the point correction method was applied to modify the spectrum.Results The probability of the value obtained without reference line correcting for the spectrum of baseline drift equal to the value of spectrum without baseline drift was only 31%,while the probability was increased to 91%,improving nearly 3 times after using the reference line correcting method in the range of acceptable error.Conclusions This reference line correcting method for spectrum should be applied before reading the spectrum in order to increase the accuracy of dose estimation.

Electron paramagnetic resonance; Spectrum; Reference line correcting; Fingernail; Baseline drift

焦玲，Email:jiaoling@irm-cams.ac.cn

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．05．006

协和青年基金（3332015070，3332015101）

2016-07-23）