指甲电子顺磁共振受照剂量重建误差来源分析*

赵徵鑫张腾达张文艺翟贺争阮书州焦 玲*

指甲电子顺磁共振受照剂量重建误差来源分析*

赵徵鑫①张腾达①张文艺①翟贺争①阮书州①焦 玲①*

在放射性事故中,快速、准确的剂量重建对于人群分类验伤和快速救治至关重要.电子顺磁共振是测量自由基的有效手段,通过测量指甲中的自由基浓度可以对人体受照剂量进行重建.指甲对放射敏感性好且易于收集,最重要的是对人体无二次伤害的生物组织材料,在剂量评估方面引起了国内外众多研究者的广泛关注,同时也取得了丰硕的研究成果.但是,作为一种并不成熟的剂量估算方法在实际剂量估算过程中具有不确定因素,进而影响剂量重建的准确度.为此,对指甲电子顺磁共振受照剂量重建误差来源及研究进展进行讨论分析,为以后在指甲受照剂量重建时最大程度的减少误差提供技术参考.

误差;指甲;电子顺磁共振;剂量重建;自由基

赵徵鑫,男,(1988- ),硕士研究生.协和医学院中国医学科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,从事指甲电子顺磁共振剂量重建方面的研究.

[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.

随着煤炭和石油等一次能源的日益枯竭,清洁、可再生能源成为满足人类发展需求的新的探索方向,而核能无疑成为人类最具希望的未来能源之一.目前,人类已经将核能应用于军事、工业、航天和医学等领域,并修建了大量的核电站来满足日益增长的能源需求.然而在这些成就的背后也隐藏着较大的隐患,由于在核能利用时会产生大量的废液和废渣,并且通过现有的科学技术还不能够被完全处理,这都将会加大人们受到电离辐射的危险.当人体受到电离辐射时,准确、快速的剂量估算对于人群快速分类验伤和实现医疗资源利用率的最大化至关重要[1-2].

人体组织在受到电离辐射时会产生自由基,通过检测自由基浓度可以估算人体辐照剂量[3].利用牙釉质电子自旋共振来检测人体组织中的自由基浓度是目前所有检测自由基浓度最为成熟的方法之一,但由于离体的牙釉质难以收集并且处理步骤繁琐,所以限制了该种检测方法的普及应用[4-5].

电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance, EPR)又称电子自旋共振(electron spin resonance, ESR),能够定量和定性的检测自由基,在生物和医学等领域应用中都取得了非常丰硕的成果[6-10].自从Symons等[11]于1994年提出使用指甲作为受照剂量估算材料以来,指甲EPR受照剂量重建的相关研究在国内外研究者的不懈努力下得到了非常快速的发展[12-14].然而,作为一种发展并不成熟的技术手段,在剂量估算时会出现很多误差,而这些误差严重影响了剂量估算的准确度,致使在实际的治疗时也充满了诸多不确定的因素.本研究将根据前人的研究成果,着重讨论在指甲EPR受照剂量重建中误差来源的相关研究及进展.

1 EPR测量指甲时引起的误差

利用EPR来测量指甲中自由基的浓度.将装有指甲样本的石英试管放到谐振腔里测量的同时,还应注意一些数字指标变化,如果在测量时这些数字指标发生较大波动,则测量出来的数值的准确度就会极大降低.

Q值又称为优值,是反映电磁波能量消耗的一个重要指标[15].一般情况下Q值越大,测量出来的信号峰峰值越大.利用EPR测量经过相同步骤处理后的指甲样本时Q值理论上应该是不变的,这样才能正确反映指甲中自由基的实际浓度,测量出来的数据才可以相互比较.但是对于初学者或者一些对EPR的原理掌握不牢固的研究者而言,在实际的操作过程中很有可能由于操作不当而导致实验测量出来的数据不准确.如在操作软件时,直接点击autotune就会造成每次测量时的Q值不一样.根据以往对指甲的处理过程,张腾达等[16]发现,指甲在未干燥条件下Q值为4800,而在70℃条件下干燥3 h时Q值为5800.由于指甲样本经过不同的步骤处理时Q值不一样,因此在研究中应正确操作机器和调节EPR参数,最大程度的减少实验操作造成的误差.

由于指甲组织本身自由基浓度较低,即使通过电离辐照之后自由基浓度也不会发生大幅度的变化,故在测量指甲中自由基浓度时,不能直接将峰峰值作为自由基的实际浓度来进行数值比较,而是应该将自旋标记物和指甲同时放在谐振腔里测量;然后将样品显现出来的峰峰值与自旋标记物显现出来的峰峰值的比值作为相对自由基浓度;最后用相对自由基浓度来比较不同样品浓度的大小.这样比较出来的结果才具有意义.

在实际测量过程中,当温度、湿度以及风速等发生大幅度变化时会导致EPR谱图出现较大程度的基线漂移.由于出现基线漂移后的EPR谱图不能够准确代表自由基浓度,因此,理想条件下需要对谱图进行基线修正.但到目前为止,尚无任何一篇关于谱图基线修正的文章,导致大多研究者在读数时不进行基线修正而直接读取数值,这样就会人为的降低数值的准确度,增加实验误差.针对基线漂移所造成的误差,在以后的研究中可以对漂移后的波谱进行分析,进而找到漂移后谱图的基线变化趋势,然后用相应的软件勾画出发生漂移后的基线,最后将发生漂移后谱图的基线与软件模拟出的基线相减,即可有效的避免基线漂移带来的误差,提高重建的准确度.

由于不同人指甲的厚度和硬度不同,对于硬度、厚度较小的指甲在实验数据测量时其重量<10 mg,加之目前使用的EPR大多是X波段.X波段的EPR微波频率较小、灵敏度和分辨率也比较低,当测量质量较小的样本时会导致所测得的数据在基线影响下无法进行定量研究.Romanyukha等[17]认为,Q波段的EPR可以很好地克服X波段EPR所具有的缺点,所以在日后为了更加准确的测量数据,有条件的研究机构可以尝试使用Q波段的EPR来测量质量较少的指甲样本.

2 指甲本底信号差异引起的误差

根据自由基的起源,Trompier等[18]在2014年将指甲中所有的EPR信号分成三类.除了指甲本身具有的本底信号(background signals, BKG)外,指甲在剪切时会产生4种剪切诱导信号(mechanically induced signals, MIS)分别为MIS1、MIS2、MIS3和MIS4;指甲在受到辐射后也会产生5种辐射诱导信号(radiation induced signals, RIS)分别为RIS1、RIS2、RIS3、RIS4和RIS5.并且发现用蒸馏水浸泡剪切下来受到辐射的指甲10 min后,除了RIS5和BKG两种信号外其他信号都可以完全被消除.由于RIS5与本底信号都出现在相同位置处(两者具有相同的g因子),并且使用蒸馏水浸泡都无法消除掉,所以对于如何将本底信号和RIS5两种信号分离出来,国内外的研究人员尚未找到比较合理的操作步骤,具体的操作流程也未达到共识,只是将本底信号在处理过程中认为是不变的,并将受到照射后指甲的信号强度与未受到照射指甲的信号强度相减后的强度当作辐射诱导信号强度.

由于人手指先天性的差异性和用手习惯的差异性,导致人不同手指指甲的本底信号强度并不相同.根据张腾达等[16]的研究发现,同一个人的不同手指之间的本底信号差异性较大,最大与最小相差达到了55.89%;同一根手指甲的前后端的本底信号差异性也较大,并且同一个人由于用手习惯的不同,导致左右手指甲的本底信号强度也出现了明显的差异性,所以在指甲EPR受照剂量重建过程中将本底信号认为是不变的显然是不合理的,同时对剂量重建的精度影响也是显而易见的.要想把本底信号和RSI5信号成功分离或者去除本底信号只保留RIS5信号,利用现在的处理手段可能性不大.故在日后的研究过程中应该探索本底信号的影响因素,找到各影响因素的修正因子,通过测量各影响因素相应的指标并经修正因子修正之后来反推本底信号强度,这样就可以间接测量指甲辐照后的辐射诱导信号强度,最终使实验结果的可信度极大提高.

3 指甲水分引起的实验误差

水是生命之源,水不仅在人体的生命功能中,而且在电离辐射损伤中扮演着十分重要的作用.根据辐射类型,电离辐射在人体中被分成两种[3]:即直接和间接辐射.直接辐射直接攻击生物大分子,如通过带电粒子或光子直接攻击人体中的DNA;间接辐射是指水在受到辐照后产生活化氧等自由基基团进而攻击生物大分子.由于间接电离辐射损伤在人体辐射损伤中占有较大比例,所以指甲水分含量越高,受到电离辐照时产生的自由基浓度越大.

由于不同的研究者在实验过程中对指甲处理步骤不一样或指甲在蒸馏水中浸泡10 min后干燥时间的误差导致指甲中剩余水分含量不同,会对指甲剂量重建的精度造成干扰.根据以往的研究成果[19]将指甲样本放到蒸馏水中浸泡10 min后取出样本,用卫生纸擦除指甲表面的水分放到培养皿中在空气中风干5 min、再放到鼓风机中在70℃条件下干燥3 h,能够彻底去除指甲中的水分.张腾达等[20]根据上述干燥条件处理指甲样本发现,70℃条件下干燥3 h并不能够完全去除指甲中的水分,导致根据上述步骤处理指甲后指甲中仍然残留部分水分,进而导致不同指甲即使受到相同剂量的电离辐照时产生的辐射诱导信号强度也会不同,也会对实验结果产生一定的干扰.对于指甲在70℃条件下干燥多长时间能够彻底去除里面的水分还需要在以后的研究中继续探究.

4 指甲EPR受照剂量重建时的误差

目前,尽管使用指甲EPR进行受照剂量重建已逐渐成为国内外研究者的共识,但对样品进行处理的方法和剂量重建的方式,在不同的研究组之间却出现较大的不同.在低剂量范围内(<10 Gy),RIS5信号强度与BKG信号强度是处于同一数量级.因此,在估算RIS5信号强度时不能忽略BKG信号强度对结果的影响.针对这种现象,目前众多研究者采用的方式主要是将同一个人的指甲平均分成N分,其中一份不进行照射(信号强度作为BKG强度),而其他样品分别照射不同的剂量,然后对样品进行测量并减去BKG信号强度,从而求出RIS5信号强度与受照剂量的函数关系.但这种剂量重建方式,在高剂量范围内剂量响应较好而低剂量范围内剂量响应则较为混乱.因此,此种重建方式也极大增加剂量重建的误差.

为了解决这类问题,部分研究者开始探索其他剂量重建方式.针对RIS5信号强度具有剂量饱和(20～40 Gy)这一特性,Trompier等[21]研究者提出,将未知受照剂量的指甲样本经过每次2 Gy剂量的多次照射,直至信号强度出现首次下降为止,然后计算累加照射剂量,最后将饱和参考剂量与累加照射剂量相减而得到初始受照剂量.这种方法在实际应用中可以不用考虑BKG的影响,但由于饱和剂量范围太宽,从而导致该种剂量重建方法估算出来的剂量因个体差异问题而与真实值之间出现较大的误差.

有些研究者[19]以Log(P)为X坐标和Log(S/P1/2)为Y坐标,建立一条曲线y=ea+bx+cx²,照射不同剂量样品的这条曲线因在x=-b/2c这一点的曲率(K=|y"|/ {1+(y')2}3/2)不同,从而建立曲率受照剂量的函数关系;其中,P为微波功率,S是信号强度.尽管此种方法以后的剂量重建中似乎可行,但其合理性和正确性还需要进一步验证.

在以往的实验研究中,并未涉及解决个体差异性的研究,在寻找辐照剂量与自由基浓度的关系的实验探究中,都是通过大样本统计[22]而得出来的相应的结论.但由于每个人的生活和饮食习惯不同,造成不同人指甲在辐照时能够引起自由基浓度变化的影响因素的含量不同,也会造成得出的结论对于每一个不同的人而言都是不准确的,估算出的自由基浓度的实际意义也会大打折扣.赵徵鑫等[23]在之前已有研究的基础上提出了通过探寻影响个体差异性的因素来求出相应的修正因子,通过相应的修正因子来解决个体差异而导致的误差.

5 展望

随着EPR技术和核技术知识的普及,人们对核技术的态度正在发生明显的转变.近年来,研究者对指甲EPR受照剂量重建研究的关注度正在持续上升,指甲EPR受照剂量重建的研究也正在趋于理性,在日后的实验研究中正在往揭示现象背后生物作用机理[24-27]而不是一味的使用大样本统计的方向发展.

目前,指甲EPR受照剂量重建研究仍然处于起步阶段,主要原因可能是因为EPR技术仍然不够普及,很多人对其工作原理缺乏足够的了解,进而导致现在国内外研究指甲EPR受到剂量重建的科研人员非常少,精通其操作原理的研究者更少.由于研究指甲EPR剂量重建时需要使用放射源照射指甲,很多人对放射物缺乏足够的了解,谈核色变担心在实验过程中受到电离辐射而不愿意进行相关的研究,这在很大程度上制约了指甲EPR受照剂量重建研究的发展.

指甲作为一种放射敏感性比较好、且能很好克服牙釉质所具有的缺点的人体组织材料,相信在不久的将来一定能够取代牙釉质,成为检测人体组织受到电离辐射时剂量评估的新方法,更好的为人类服务.

[1]Flood AB,Nicolalde RJ,Demidenko E.A framework for comparative evaluation of dosimetric methods to triage a large population following a radiological event[J].Radiat Meas,2011,46(9):916-922.

[2]Alexander GA,Swartz HM,Amundson SA,et al. Biodos EPR 2006 meeting:acute dosimetry consensus committee recommendations on biodosimetry applications in events involving uses of radiation by terrorists and radiation accidents[J].Radiat Meas,2007,42(6-7):972-996.

[3]Reisz JA,Bansal N,Qian J,et al.Effects of ionizing radiation on biological molecules-mechanisms of damage and emerging methods of detection[J]. Antioxid Redox Signaling,2014,21(2):260-292.

[4]Ikeya M.ESR dosimetry for atomic bomb survivors using shell buttons and tooth enamel[J].Jpn J Appl Phys,1984,23(9):697-699.

[5]AlbrechtWieser et al.Use of electron paramagnetic resonance dosimetry with tooth enamel for retrospective dose assessment[R].International Atomic Energy Agency,2002.

[6]Gubareva EA,Kuevda EV,Dzhimak SS,et al. EPR spectroscopy solutions for assessment of decellularization of intrathoracic organs and tissues[J]. Dokl Biochem Biophys,2016,467(1):113-116.

[7]Yi H,Zhang G,Xin J,et al.Homolytic cleavage of the O-Cu(ii)bond:XAFS and EPR spectroscopy evidence for one electron reduction of Cu(ii)to Cu(i)[J].Chem Commun(Ca mb),2016,52(42):6914-6917.

[8]刘忠超,张文艺,王亮,等.血清白蛋白电子顺磁共振波谱诊断结肠癌[J].中国实验诊断学,2014,18(4):669-670.

[9]Khalil AA,Morsy MA.Quantitative determination of copper in a glass matrix using double pulse laser induced breakdown and electron paramagnetic resonance spectroscopic techniques[J]. Talanta,2016,154:109-118.

[10]Maia LB,Moura JJ.Detection of Nitric Oxide by Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy:Spin-Trapping with Iron-Dithiocarbamates[J].Methods Mol Biol, 2016,1424:81-102.

[11]Symons M,Chandra H,Wyatt JL.Electron paramagnetic resonance spectra of irradiated fingernails:a possible measure of accidental exposure[J]. Radiation Protection Dosimetry,1995,58(1):11-15.

[12]Dalgarno BG,McClymont JD.Evaluation of ESR as a radiation accident dosimetry technique[J].Appl Radiat Isot,1989,40(10-12):1013-1020.

[13]Romanyukha A,Reyes RA,Trompier F.Fingernails dosimetry:Current status and perspectives[J].Health Phys,2010,98(2):296-300.

[14]He XM,Gui J,Matthews TP.Advances towards using finger/toenail dosimetry to triage a large population after potential exposure to ionizing radiation[J].Radiat Meas,2011,46(9):882-887.

[15]向仁生.顺磁共振测量和应用的基础原理[M].北京:科学出版社,1965:16-18.

[16]张腾达,张文艺,张海英,等.指甲电子顺磁共振受照剂量重建误差分析[J].辐射研究与辐射工艺学报,2015,33(3):53-58.

[17]Alex Romanyukha,Francois Trompier,Ricardo Reyes,et al.EPR measurements of fingernails in Q-band[J].Radiation Measuremen ts,2011,46(9):888-892.

[18]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.

[19]Choi H,Park B,choi M,et al.An alternative method using microwave power saturate in fingernail/ electron paramagnetic resonance dosimetry[J].Radiat Prot Dosim,2014,159(1-4):164-171.

[20]Zhang T,Zhang W,Zhao Z,et al.TWO F A C T O R S I N F L U E N C I N G D O S E RECONSTRUCTION IN LOW DOSE RANGE: THE VARIABILITY OF BKG INTENSITY ON ONE INDIVIDUAL AND WATER CONTENT[J]. Radiat Prot Dosimetry,2015,18:382.

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

[22]屈喜梅,刘忠超,张文艺,等.基于辐照后指甲电子顺磁共振谱线的剂量重建[J].辐射研究与辐射工艺学报,2013,31(2):23-26.

[23]赵徵鑫,张腾达,张文艺,等.水分对电子顺磁共振指甲剂量学方法的影响[J].辐射研究与辐射工艺学报,2015,33(5):59-64.

[24]Marciniak A,Ciesielski B,Prawdzik-Dampc A.The effect of dose and water treatment on EPR signals in irradiated fingernails[J].Radiat Prot Dosimetry,2014,162(1-2):6-9.

[25]Swartz HM,Flood AB,Williams BB,et al.Electron paramagnetic resonance dosimetry for a large-scale radiation incident[J].Health Phys,2012,103(3):255-267.

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

[27]Romanyukha A,Trompier F,Reyes RA,et al. Electron paramagnetic resonance radiation dose assessment in fingernails of the victim exposed to high dose as result of an accident[J].Radiat Environ Biophys,2014,53(4):755-762.

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 [中图分类号] R445.2

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.07.040

协和青年科研基金资助课题(3332015070)"饮用水中放射性核素对公众健康影响关键技术的研究"、(3332015101)"强调放疗在临床精确放疗质量控制应用中的关键技术研究"

①协和医学院 中国医学科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 天津 300192

jiaoling@irm-cams.ac

2015-02-12