基于ICRP 新碘周身模型的滞留量计算及新旧模型差异对比

代伟　王明　董浪　张庆贤　谷懿　曾国强　李三刚

摘 要：国际放射防护委员会（ ICRP）137 号出版物对碘的生物动力学模型进行了修改，ICRP 100 号出版物发布了新的消化道模型，ICRP 130 号出版物修订了呼吸道模型，使用新模型计算出来的碘滞留量及排泄量与旧模型的计算结果存在差异。定量分析新旧模型的计算结果差异，可为国内准确评估放射性碘致内照射损伤提供参考。本文采用矩阵算法，依据ICRP 相关出版物分别构建了新旧放射性碘生物动力学计算模型，系统分析了通过不同方式（ 吸入、食入、静脉注射） 摄入1 Bq 的125 I、129 I、131 I 在甲状腺中的滞留量及在日排尿中的排泄量。此外，考虑到新模型划分了旧模型中没有的肝脏及肾脏隔室，也计算了碘同位素在肝脏及肾脏中的滞留量。结果表明：新旧模型计算出来的放射性碘在甲状腺以及日排尿中的计算结果均有明显差异;与食入和注射两种摄入方式相比，吸入方式引起计算结果差异较大;新模型中肝脏及肾脏中的滞留量计算结果有所不同，但变化趋势相似。

关键词：碘周身模型;滞留量;排泄量;ICRP 137 号出版物

中图分类号：TL72 文献标识码：A

碘的各类同位素较为频繁出现的场所大多与核工业及医学领域相关[1-5] ，相关的工作人员或患者在被动或主动摄入碘的同位素后有必要及时对其进行内照射剂量监测。待积有效剂量是辐射防护中的一个重要评估量，可以通过计算摄入量，再乘以剂量转换系数得到，而摄入量计算的一个核心环节就是求得核素在组织或器官中的滞留量。目前用于求解滞留量的生物动力学模型主要由国际放射防护委员会（ICRP） 发布，近些年ICRP 也逐渐在新的出版物中对生物动力学模型进行了相应的调整。ICRP 在100 号出版物中发布了新的消化道模型[6] ;在130 号出版物中修订了新的呼吸道模型[7] ;在137 号出版物中发布了新的碘周身模型（systematic model）[8] 。目前国内尚无针对碘的新、旧周身模型差异进行细致的对比研究，且许多内照射剂量估算软件也都采用旧模型进行计算[9-11] 。为了更好地进行核素代谢行为研究和内照射剂量评价，有必要对新旧模型的差异进行计算对比。

通常摄入放射性碘后的监测以甲状腺为主，但若监测对象甲状腺阻塞或患有甲状腺相关疾病时，监测结果可能无法准确反应实际的摄入量，此时就需要配合尿液进行监测。本文将基于新模型（新的呼吸道模型、新的消化道模型、新的周身模型）及旧模型（旧的呼吸道模型、旧的胃肠道模型、旧的碘周身模型），以ICRP 参考人为例，采用矩阵计算方法，计算通过不同摄入方式（吸入、食入、静脉注射）摄入1 Bq 的125 I、129 I、131 I 在甲状腺中的滞留量及日排尿中的排泄量，并对比新旧模型的计算结果差异。

新的碘周身模型划分了旧模型没有的肝脏及肾脏的隔室（compartment），可见肝脏及肾脏对于碘在人体中的代谢过程而言十分重要，故本文基于新模型也计算了通过不同摄入方式进入人体的碘的不同同位素在肝脏及肾脏中的滞留量变化趋势，为相关的工作人员提供参考。碘吸入肺部后会在各隔室沉积，沉积份额与吸入颗粒物的空气动力学直径（AMAD） 相关，职业工作人员的缺省值（default value） 为5 μm，故本文以5 μm 为例。沉积物会溶解到血液中或转移到消化道中参与全身循环，向血液及消化道的转移过程会受到吸入颗粒的类型及状态影响，ICRP 137 号出版物中描述了不同类型颗粒物的转移类型（F、M、S），目前国家标准GB 18871—2002[12] 中默认碘的所有同位素的转移类型都为F 型，故本文以F 型为例。

1 ICRP 新舊生物动力学模型差异简介

1. 1 碘周身模型

碘的周身模型如图1 所示，A 部分为旧模型，B 部分为新模型（包含消化道模型部分）。相较于旧模型的简单三室模型，新周身模型更加复杂。旧周身模型将碘的转移隔室仅划分为血液、甲状腺和身体其余部分，新周身模型则详细地列出了碘在各器官组织的转移情况，包括肝脏和肾脏，而且对有机碘及无机碘进行了更为细致的讨论。碘通常以无机碘的形式被摄入，主要有三种摄入模式：吸入后经肺部溶解到血液中;食入后经消化道吸收转移到血液中;静脉注射后直接进入到血液中。经血液输运到甲状腺后的碘离子在细胞-胶体界面发生氧化反应后与酪氨酸的特定残基结合形成单碘酪氨酸或二碘酪氨酸，实现无机碘到有机碘的转化。大部分有机碘会富集在甲状腺，少部分会与无机碘一起参与全身的系统循环，主要有四条循环路径：（1）通过唾液腺与胃壁将其和消化道系统耦合到一起，其中一部分碘会再次吸收到血液中参与循环，另一部分通过粪便排出体外;（2）通过肾脏及肝脏进行富集或转移;（3）通过膀胱经尿液排出体外;（4）和其余的组织、器官之间的循环。需要注意的是，除了碘排出体内的两条路径外，其余的循环路径都对有机碘、无机碘进行了分开讨论。更为详细的介绍可以参见ICRP 137号出版物[8] 及Leggett [13] 对碘周身模型的研究。

1. 2 呼吸道模型

呼吸道模型如图2 所示，A 部分为呼吸道旧模型，B 部分为呼吸道新模型。新的呼吸道模型与旧模型的主要差异如下：（1） 胸内区由10 个隔室变为7 个隔室;（2）调整胸内区的个别转移速率常数;（3）新增胸外ET1 区向ET2 区的转移途径;（4）将ET2 区转移的目标隔室由胃肠道变更为食道。各隔室初始沉积量以及向血液转移的过程也进行了相应调整，详细介绍可以参见ICRP 130 号出版物[7] 。

1. 3 消化道模型

如图3 所示，A 部分为旧胃肠道模型，B 部分为新消化道模型。新的消化道模型与旧模型的主要差异如下：（1） 添加口腔和食道隔室，并将其分 为快速和慢速两个隔室;（2） 明确呼吸道向食道转移的隔室为慢组分隔室;（3） 将原先的两个大肠隔室分为左结肠、右结肠和乙状结肠三个部分，并调整了转移速率常数的值。详细介绍可以参见ICRP 100 号出版物[6] 、130 号出版物[7] 及30 号出版物[14] 第一部分。

2 滞留量计算

2. 1 计算原理

核素在隔室之间的转移可以使用一阶线性微分方程来描述。如图4 所示，隔室j 的含量变化由两个过程决定，i 库向j 库的转移及j 库向k 库的转移。于是隔室j 的滞留量qj 可以描述为式（1）：

3 计算结果比较

3. 1 吸入后在甲状腺中的滞留量与日排尿中排泄量变化及对比

图8（a）、8（c）描述了吸入碘的不同同位素后在甲状腺中的滞留量变化趋势图。计算结果显示，在甲状腺中新模型的滞留量均大于旧模型[16] ;新旧模型的平均相对偏差最低约为27%，且随着时间增大而变大， 在第100 天时达到约57%，在第1 000 天时达到约175%。图8（ b）、8（d）描述了吸入碘的不同同位素后在日排尿中的排泄量变化趋势图。计算结果显示，在日排尿中排泄量先是随时间增大而减小，在摄入第四天后会有一个缓慢增加而后再减小的过程，半衰期长的同位素此过程会更明显，持续时间更长;新旧模型的平均相对偏差在摄入后前6 天左右会有急剧增加和下降的过程，最大值约717%，然后随着时间增大而减小，在大约第83 天时降低到29%，之后又随着时间增大而缓慢变大，在第100 天时约为30%，在第1 000 天时达到约127%。

3. 2 食入后在甲状腺及日排尿中的滞留量变化及对比

计算食入后的滞留量需要考虑胃肠道模型和周身模型，需要注意的是，旧模型食入后直接进入胃部，而新模型首先需要经过口腔及食道才能到达胃部。碘经过胃肠道吸收后进入到血液里面参与全身系统循环。

图9 为食入碘的不同同位素后在甲状腺（a，c）中的滞留量及日排尿（b，d）中的排泄量变化趋势图。在甲状腺中：滞留量新模型的计算结果大于旧模型;摄入后前两天有一个富集过程，而后随着时间增大而下降，半衰期长的同位素富集更明显，下降时间更长;新旧模型的平均相对偏差先下降然后上升，第1 天约为4%，在第3 天达到极低值约为2%，第100 天约为11%，第1 000 天约为95%。日排尿中：排泄量在摄入后前几天迅速下降;在第5 天之后有一个富集过程，半衰期长的同位素富集更明显，下降时间更长，第5 天之后的排泄量都低于10-3 Bq;摄入后第1 天、第5 到第36 天、第244 到1 000 天新模型的计算值大于旧模型，第2 到第4 天、第37 到243 天新模型计算值小于旧模型;新旧模型的平均相对偏差前1 000 天内随时间增大而波动，在第3 天时约为-40%，在第6 天约为36%，在第83 天约为-8%，第1 000 天时达到约60%。

3. 3 静脉注射后在甲状腺及日排尿中的滞留量变化及对比

静脉注射相较于吸入或食入方式而言，碘无需经过吸收过程，而是直接通过血液参与全身循环。图10 为注射碘的不同同位素后在甲状腺（a，c）中的滞留量及日排尿（b，d）中的排泄量变化趋势图，其变化趋势与食入的情况类似。在甲状腺中：新模型的滞留量计算结果大于旧模型;滞留量前两天有一个富集过程，然后下降，长寿同位素的富集过程会更明显，下降时间更长;新旧模型平均相对偏差先下降，然后随着时间增大而上升，在第3 天最小值约为2%，第100 天约为8%，第1 000天约为39%。在日排尿中：排泄量在摄入后前几天迅速下降;在第5 天之后有一个富集过程，长寿同位素富集更明显，下降时间更长，第5 天之后的滞留量都低于10-3 Bq;摄入后第1 天、第5 到第20天新模型的计算值大于旧模型，第2 到第4 天、第21 到1 000 天新模型计算值小于旧模型;新旧模型的平均相对偏差前1 000 天内随时间增大而波动，在第3 天时约为-42%，在第6 天约为30%，第98 天约为-26%，第1 000 天约为-5%。

3. 4 新模型计算在肝脏及肾脏中的滞留量变化趋势

图11 为通过不同方式摄入碘的不同同位素后在肾脏（a，c） 及肝脏（b，d） 中的滞留量变化趋势图。两者的变化趋势相似，都有一个先下降，然后富集后又下降的过程，半衰期长的同位素富集作用更明显，达到富集峰值需要更多的时间，且下降时间更长，滞留量也更多;肝脏中的125 I 与129 I 的滞留量富集峰值会超过摄入后第一天的计算值，而肾脏中的则不会。对同种同位素而言，在摄入相同时间点，肝脏中的滞留量食入后最多，其次是吸入，注射后滞留量最小;肾脏中的滞留量食入后最多，其次是注射，吸入后的滞留量最小。

4 结论

本文首先介紹了ICRP 公布的新旧碘周身模型，并根据相关出版物发布的生物动力学模型编写了用于计算125 I、129 I 与131 I 在甲状腺中滞留量及日排尿中排泄量的C++代码，通过与ICRP 137 号出版物给出的结果进行对比，验证了本文计算方法及结果的正确性，然后分析对比了摄入后1 000天内新旧模型的计算差异。此外，考虑到新模型划分了旧模型中没有的肝脏及肾脏隔室，本文也计算了碘同位素摄入1 000 天后在肝脏及肾脏中的滞留量变化。得到如下结论：

（1）在甲状腺及日排尿中新旧模型的滞留量与排泄量变化趋势一致。甲状腺中：吸入后碘的滞留量有一个富集过程，然后下降;食入和注射后甲状腺中滞留量随着时间增大而减小。日排尿中：吸入、食入和注射后排泄量会经过急速下降、富集、缓慢下降三个过程，长寿命同位素的富集过 程更明显，下降时间更长。

（2）吸入后甲状腺及日排尿中新模型的计算值大于旧模型，日排尿中新旧模型的平均相对偏差在摄入后前6 天会有一个急剧增加和下降的过程，最大值约为717%。食入和注射后新旧模型的计算结果差异变化趋势相似：甲状腺中的滞留量计算结果新模型高于旧模型，日排尿中新旧模型的平均相对偏差随时间增大而波动。

（3）新模型中肝脏及肾脏中的滞留量变化趋势相似，都会经过下降、富集、再下降的过程，长寿命同位素的富集过程更明显，达到峰值的时间更长，下降过程更慢，滞留量更高。

参考文献：

[ 1 ] 严爱兰，翁焕新，李锋. 土壤碘环境地球化学迁移的125 I 示踪[J]. 同位素，2009，22（3）：139-144.

[ 2 ] 江旭，杨继金，李慧. 碘-125 粒子植入近程放疗在肝胆胰恶性肿瘤中的应用[J]. 临床肝胆病杂志，2016，32（12）：2300-2304.

[ 3 ] 钮云龙，刘义保，王爱星，等. 我国核电站乏燃料中碘-129 和铯-137 累积量预测[J]. 能源研究与管理，2013（2）：37-40.

[ 4 ] 周朋. 影响碘131 治疗甲状腺功能亢进症效果的相关因素[J]. 现代医学与健康研究电子杂志，2022，6（13）：117-119.

[ 5 ] 范柄辰，吴忠良，屈迪，等. 压水堆核电厂燃料包壳破损的定性分析[J]. 能源与节能，2018（7）：70-72.

[ 6 ] ICRP. Human alimentary tract model for radiological protection[R]. ICRP Publication 100. 2006.

[ 7 ] ICRP. Occupational intakes of radionuclides： Part 1[R]. ICRP Publication 130. 2015.

[ 8 ] ICRP. Occupational intakes of radionuclides： Part 3[R]. ICRP Publication 137. 2017.

[ 9 ] 王冠杰. 核與辐射突发事件放射性物质内污染所致有效剂量快速估算及软件研制[D]. 苏州大学，2014.

[10] 陈宝维， 安永锋， 马如维， 等. 与 1990 年 ICRP 推荐接轨的内照射剂量估算方法研究及其软件的开发[J]. 核动力工程， 2004， 25（5）： 470-474.

[11] 向剑，张良安，丁艳秋，等. 辐射防护内照射剂量估算软件的开发[J]. 中华放射医学与防护杂志，2008，28（5）：533-535.

[12] 核工业标准化研究所. 电离辐射防护与辐射源安全基本标准：GB 18871—2002[S]. 北京：中国标准出版社，2002.

[13] Leggett R W. A physiological systems model for iodine for use in radiation protection[J]. Radiation Research， 2010， 174（4）： 496-516.

[14] ICRP. Limits for intakes of radionuclides by workers[R]. ICRP Publication 30 （Part 1）. 1979.

[15] James A C. A microcomputer algorithm for solving first-order compartmental models involving recycling[J]. Health Phys，1989， 56（6）： 857-868.

[16] ICRP. Individual monitoring for internal exposure of workers （ preface and glossary missing） [ R]. ICRP Publication78. 1997.