指甲电子顺磁共振波谱信号的剂量学性质

王 亮 张海英 张文艺 崔松野 刘忠超 焦 玲

（北京协和医学院&中国医学科学院放射医学研究所 天津 300192)

核技术应用逐渐增加的同时，也给人类带来了潜在危害。1986年的切尔诺贝利核电站事故，以及2011年发生的福岛核电站事故都给人类、环境造成了很大的影响[1-2]。核辐射事件发生之后，如何快速有效地进行辐射剂量重建，是评估事故等级和进行医学救治的关键[3-4]。

由于照射后牙釉质内产生的自由基很稳定，而且其浓度与受照剂量呈线性关系，很多学者研究牙釉质电子顺磁共振(Electron paramagnetic resonance,EPR)剂量学[5-6]。但适于剂量重建的健康臼齿不容易获得，样品处理费时，从而制约了该方法的普及[7]。而指甲样品获取简单、对受测人员没有二次伤害、处理过程简便，因此指甲EPR剂量重建方法，引起学者们的关注[8-9]。该方法能够更快速进行剂量估算，为受照人员快速救治提供依据[10]。目前一些学者主要研究了本底信号(Background signal, BS)的组成以及受照指甲的EPR信号剂量响应[11-12]，而没有对指甲辐射诱导信号(Radiation-induced signal, RIS)稳定性进行系统详细的研究。指甲RIS的稳定性是其剂量学特性的一个重要方面。研究RIS信号随时间的变化，将为核辐射事故后不同时间使用指甲EPR进行剂量重建提供理论和实验数据，提高剂量估算的精度，保证正确快速的医学救治。本文主要对剪切后0-68 d指甲的未照射样品的EPR信号(即本底信号)、不同照射剂量引起的RIS信号以及RIS信号的剂量响应的稳定性进行了研究。

1 材料与方法

1.1 样品准备

实验共收集20例（男、女各10例）健康成人的指甲，年龄范围23-50岁。首先，用剪刀将每个人的指甲分别剪切成2-3mm长，1-2mm宽的样品，去除细小的指甲碎片[13]。再对指甲样品分别称重，每个人的样品尽量均分为 7份，每份质量在15-25 mg之间。然后把指甲浸泡在水中10 min后，用吸水纸拭干指甲上的水，在室温下放置5 min后将指甲装入密封袋中[14-15]。

1.2 样品照射

指甲样品处理完后，同一天使用Cs-137（加拿大原子能有限公司的Gammacell-40）辐射装置进行照射，剂量率为0.7 Gy·min-1。放射源是均匀照射，其照射剂量已经校准，通过手动选择照射剂量。对每个人的7份样品分别照射0、2、3、5、8、10和15 Gy，在照射之后不同时间进行EPR测量，照射当天作为第0天。

1.3 电子顺磁共振测量

实验中使用德国 Bruker公司生产的 X-band(100 kHz) A300型EPR谱仪，在照射后第0、1、2、4、6、8、12、20、28、38、48及68天对样品进行了测量。石英管的内径为 3mm，由于指甲样品具有各向异性，将每一份样品在3个不同角度进行测量，然后取其平均值。因每个样品的质量不同，需要对指甲的EPR信号强度进行质量归一化处理。用样品 EPR信号强度代表 EPR信号的峰峰值，RIS信号强度代表RIS信号的峰峰值。

2 结果

2.1 指甲EPR信号

从20个指甲样品中，随机选取一个样品，在照射0、10和15 Gy后第0天测量得到的EPR谱线如图1所示。图1还包括该样品照射5 Gy引起的RIS信号强度，由5 Gy EPR波谱信号减去同一时刻0 Gy EPR波谱信号后得到。从图1可以看出，样品受照剂量越大，其信号强度越高。15 Gy EPR信号强度是10 Gy 信号强度的1.3倍。

图1 指甲样品照射0、10、15 Gy后的EPR谱线及5 Gy RIS信号Fig.1 EPR spectra of fingernails after irradiation with 0, 10 and 15 Gy and RIS signal caused by 5 Gy

2.2 本底信号稳定性

随机抽取20个未照射样品中的某一个，该样品在第0、2和12天的EPR谱线强度如图2所示，从图2可以看出，未照射样品的信号强度随着时间的延长而增强，而信号宽度没有改变。

选取20个未照射样品中EPR信号强度随时间变化幅度最大和最小的两个样品，分别命名为1和5号，然后在其它18个样品中随机抽取3个，分别命名为2、3和4号。图3显示了这5个样品的EPR信号强度随时间的变化，数据点的误差为每个样品测量3个方向之间的标准差。图3表明，从第0天到第7天，5个未照射样品的信号强度逐渐增大；在第7天至第20天之间，3、4和5号样品的信号强度有所降低，而1、2号样品的信号强度继续增大；第20天以后，5个样品的信号强度都处于上升趋势，其中1和2号样品的信号强度在第46天达到饱和。

图4是20个未照射样品EPR信号的平均值随时间变化的拟合曲线，为 y=14-11e(-0.03x)，相关性是0.96。如图4所示，拟合曲线在68 d内为逐渐上升的趋势。

图2 未照射样品在第0、2和12天EPR谱线强度Fig.2 EPR spectral intensity of a non-irradiated sample on the 0, 2nd and 12th day

图3 1-5号未照射样品的EPR信号强度与时间的关系Fig.3 EPR signal intensity of 1-5 non-irradiated samples at different time

图4 20个未照射样品在不同时间的EPR信号强度的平均值拟合曲线Fig.4 Mean fitting curve of EPR signal intensity for 20 non-irradiated samples at different time

2.3 RIS信号稳定性

医疗中，急性放射病在1-2天内的临床表现为恶心和食欲减退、照射剂量可能大于1 Gy；有呕吐者可能大于2 Gy；如发生多次呕吐可能大于4 Gy；如很早出现上吐下泻，则可能受到大于6 Gy的照射。对于受照剂量越低的患者，其实行医疗救治后的生存率越高，因此，实际应用中，能够检测到指甲的照射剂量越低越好。而研究中发现，2、3 Gy辐射剂量引起的RIS信号容易被本底信号所掩盖，综合分析之后，以实验研究中指甲照射剂量 5 Gy引起的RIS信号为代表，研究RIS信号稳定性，比较有实际意义。

在20个样品照射后一定时期，照射5 Gy后获得的 EPR信号减去这个样品在同一时间的本底信号，得到这个时间的5 Gy RIS信号。选取RIS信号强度随时间变化幅度最大和最小的两个样品，分别命名为a样品、e样品，然后在其它18个样品中随机抽取3个样品，分别命名为b、c和d样品。图5显示了这5个样品的RIS信号强度随时间的变化，数据点的误差为每个样品测量三个方向之间的标准差。图5中表明了从第0天到第27天，5个样品的RIS信号强度逐渐降低，a和b号样品的RIS信号强度虽有波动，但总体呈下降趋势；第27天以后，a号样品RIS信号幅度变化最大，信号强度先是逐渐增高然后降低；其他样品信号强度依然呈下降趋势。

图5 a-e样品照射5 Gy后的RIS信号强度与时间的关系Fig.5 RIS signal intensity of a-e samples after irradiation with 5 Gy at different time

图6 是20个样品照射5 Gy后的RIS信号强度的平均值随时间变化的拟合曲线，拟合方程为y=3.22e(-x/4.39)-0.44，相关性0.85。由图6可以看出，拟合曲线在前10天衰减幅度较大。

图6 20个样品照射5 Gy后在不同时间的RIS信号强度的平均值拟合曲线Fig.6 Mean fitting curve of RIS signal intensity for 20 samples after irradiation with 5 Gy at different time

2.4 剂量响应的稳定性

图7 为20个样品RIS信号强度平均值在第0、1、2、4和8天的剂量响应及其拟合曲线。如图7中所示5条拟合曲线都符合y= A1e(-x/t1)+y0函数，RIS信号强度随着照射剂量逐渐增加。表1为20个样品RIS信号强度平均值在第0、1、2、4和8天剂量响应的拟合参数。

图7 20个样品RIS信号强度平均值在第0、1、2、4和8天剂量响应的拟合曲线Fig.7 Dose-response curve fitting of mean RIS signal intensity for 20 samples on the 0, 1st, 2nd, 4th and 8th day

表1 20个样品RIS信号强度平均值在第0、1、2、4和8天剂量响应的拟合参数Table 1 Dose-response fitting parameters of mean RIS signal intensity for 20 samples on the 0, 1st, 2nd, 4th and 8th day

3 讨论

如图2所示，未照射样品的EPR谱线强度随时间而增大，但信号宽度基本没有变化，说明其自由基种类没有发生改变。Trompier[11]和Reyes等[13]的研究发现，未受照指甲EPR图谱中，主要由机械剪切等引起的机械诱导信号 1 (Mechanically-induced signals1, MIS1)和固有的机械诱导信号2 (Mechanically-induced signals2, MIS2)两种信号。MIS2表现为单峰，g=2.004，信号比较稳定，水洗可消弱其影响；MIS1表现为双峰，其本质上是由 4个信号叠加后形成，可经过水洗消除。如图1和图2所示，水洗处理后的未照射样品信号为单峰，其g=2.004，所以应为MIS2信号。随着时间的增加，指甲内部水分逐渐减少，指甲结构中可能发生螺旋形的结构塑性变形，引起MIS2信号增加，所以导致图3中5个样品表现出先增高后降低，随后再增高最后达到饱和的现象。在此基础上，对20个样品的EPR信号强度随时间变化趋势进行拟合，如图4所示，拟合函数符合放射性物质衰减规律的形式，由此可知，该函数存在固定的增长周期，信号强度增长50%的时间为23 d，通过这个时间可以进一步的了解信号达到饱和的时间。从图3和图4中可以了解到20个样品的个体差异：通过计算得出20个未照射样品在第0、1、2、4和6天，同一天个体EPR信号强度相对标准偏差分别为 42%、31%、41%、25%和31%。由于个体差异比较大，需要在后续研究中扩大样品数量，建立本底信号稳定性数据库。

Trompier等[11]的研究发现，指甲受到低剂量照射后，RIS信号主要为g=2.005的信号（命名为Signal1）和g=2.004的信号（命名为Signal2）叠加而成。对于 Signal1的自由基种类，已经给出明确的结构[16]，而 Signal2的自由基种类到目前为止没有确定。Trompier等[11]发现 Signal2与 MIS2的g值相同，认为signal2和MIS2变化特征可能相似。同时指出了signal2随剂量变化的曲线：低剂量照射后Signal2确实表现为逐渐增大，其幅度没有MIS2增加的快。前面研究本底信号(MIS2)发现，本底信号变化趋势为逐渐增大最后达到饱和；由于 MIS2与Signal2特征相似，Signal2极有可能是先逐渐增加最后达到饱和，而 Signal1为逐渐降低最后达到饱和，同时Signal1降低的幅度比Signal2增加的幅度要大，使得整体为逐渐降低的趋势。如图6所示，20个样品照射5Gy后在不同时间的RIS信号强度的平均值拟合曲线，作为Signal1和Signal2叠加后的RIS信号的变化。图6表明，拟合函数符合放射性物质衰减规律的形式，由此可知，该函数存在固定的半衰期，信号强度衰减50%的时间为3 d，通过这个时间可以进一步的了解RIS信号强度达到饱和的时间。由图5中可以了解到20个样品的个体差异：通过计算得出20个照射5Gy样品在第0、1、2、4和6天，同一天个体RIS信号强度相对标准偏差分别为59%、69%、192%、112%和220%。增加照射剂量数据点和扩大样品数量能够确保下面研究剂量响应稳定性的精确度，尽可能的降低其不确定性。

Reyes等[13]认为水处理后指甲的剂量响应曲线是符合指数变化趋势的，在此基础上，采用 y=A1e(-x/t1)+y0指数函数进行拟合，如表1可知，在第0、1、2、4、8天剂量响应拟合曲线相关系数分别为0.73、0.99、0.99、0.91和0.9。研究发现剂量响应拟合曲线随着时间的增加，RIS信号幅度整体都有所降低，如图7所示。分析认为，RIS信号稳定性变化会导致剂量响应的改变，而RIS信号的稳定性是与本底信号稳定性相关联。在了解本底信号稳定性的前提下，才能研究RIS信号稳定性，进而能够掌握剂量响应的稳定性。剂量响应曲线具有其实际意义，通过EPR波谱仪测量受照指甲的信号强度，扣除本底数据得到RIS信号强度，在明确受照人员受照天数之后，可以使用剂量响应曲线进行快速的查找，进而可以给出受照人员的受照剂量，实现快速筛选的目的。下一步将更深入的研究，修正剂量响应拟合函数，确定具体时间范围内对应的剂量响应函数，达到能在实际中应用的目的。

在最佳的条件下，指甲EPR最低探测剂量，理论上可达到1 Gy。在实验操作中，最小探测剂量可能更高[17]。后续需要进一步研究以提高指甲EPR探测剂量灵敏度，确定能够检测的最小探测剂量值。同时要了解到当前研究是采用剪切指甲之后进行照射，然后处理信号，估算剂量。如果发生核辐射事故，受害者先受到辐射，然后剪切指甲，通过对指甲处理后再去测量信号，所以，需要深入细致的探讨这两种程序之间的区别，提高指甲EPR剂量估算方法的使用范围，为快速医学救治服务。

4 总结

实验研究在第10天以后指甲RIS信号比较稳定，指甲RIS信号可以进行剂量重建。同时在指甲RIS信号稳定性研究的基础上，研究了RIS剂量响应的稳定性。通过实验发现，指甲能够快速、有效的估计出辐射剂量，能够为辐照事故后人员的快速筛选提供一个方法，进而能够及时有效的给患者提供有效的医疗救治[10]。

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