医源性电离辐射剂量率估算与生物医学防护研究

董亚军，程强力

1.南华大学附属第二医院，湖南 衡阳 421001; 2.南华大学附属第一医院，湖南 衡阳 421001

1 引言

一直以来，人们普遍重视核辐射引发的一系列影响，忽略了医源性电离辐射带来的伤害[1]。随着科技的迅猛发展，核技术和辐射技术被普遍应用于各个医学领域，在各项医学勘测诊治过程中常需使用多种放射技术与设备[2-4]。医学影像是一种以非侵入方式取得人体内部组织影像的处理过程，这些又称为医学成像或影像医学。大部分设置相关的仪器设备，并编制有专门的护理师、放射技师以及医师，负责仪器设备的操作、影像的解释与诊断。影像一般通过投影来进行成像，例如X线片就是X线在穿过人体的时候，由于骨头的遮挡留下了影子形成了X线片。医学上，习惯将X线片、CT和MRI等称为影像。放射医师提高CT检查一次性成功率可有效降低伤员电离辐射暴露[5]，在放射治疗的过程中，不同种类的辐射光束会在清楚坏死细胞的同时对身体其他组织造成直接损伤，严重的甚至会造成癌症[6]。医学影像拍摄过程中，遭受的辐射剂量可能诱发癌症[7]。为提高传统辐射剂量率估算的效率及准确度，徐守龙等[8]与朱静芬等[9]分别在CCD、CMOS分析γ射线电离辐射与γ-H2AX免疫荧光评价CT辐射两个方面对辐射剂量率展开了估算，但估算结果无法满足实际应用中的要求，还需更进一步展开研究。医源性电离辐射已经成为人们遭受辐射的主要人工源头，越来越多的专家与学者开始注意起医源性电离辐射造成的伤害以及生物医学防护的措施。通过生物医学防护的措施可以有效防止医源性电离辐射引发的二次伤害[10]，以深入研究不同部位遭受辐射造成的伤害特征、其出现的分子基础、辐射伤害的形成与传播等为前提，结合适宜的作用步骤与靶点可以令生物医学防护的措施与期望结果更靠近[11,12]。本文从生物医学防护的特点、危害、辐射效应的分子和调节等方面，对目前生物医学防护的最佳效果进行了概述。

2 医源性电离辐射剂量率估算

2.1 材料与方法

2.1.1仪器设备

(1)全自动低本底多道γ能谱仪。所属类别：放射性核辐射检验器具；作用：测量现场能谱；生产商：湖北方圆环保科技有限公司；型号：FYFS-2002E。

(2)ORTEC便携式高纯伽马能谱仪核素甄别器。生产商：北京泰坤工业设备有限公司；晶体探测型号：同轴P型高纯锗；探测效率：40%；能量分辨率：2.2 keV(60Co，1332 keV)。

(3)XH-2020便携式环境级Xγ辐射检测仪。作用：测量现场能谱点位的空气比释动能率；生产商：北京中恒日鑫科技有限公司；型号：6150AD5/h型；要求：γ剂量率仪处于检定有效期内；分辨率：0.01 μSv/h；测量范围：剂量率：0.001～1500 μSv/h，累计剂量：0.001～9999 mSv；使用环境：-10～50 ℃，相对湿度(在40 ℃温度下)98%。

(4)高纯锗HPGe伽马能谱仪。生产商：卡迪诺科技(北京)有限公司；型号：ORTEC Detective-DX-100T型。

2.1.2医源性电离辐射剂量率估算

2.1.2.1 电离辐射剂量率计算

医源性电离辐射剂量率估算描述的是人体遭受辐射时所得到的剂量学参数[13]。当人体遭受辐射时，其辐射的区域为不规则状，基于此无法将人体整体辐射的平均剂量和中线剂量用于该种情况的估算，所以提出一种人体干细胞的存活模型，以期估算医源性电离辐射剂量率，其具体计算过程如下：

若被辐射区域剂量隶属于人体遭受辐射后患有相关放射病的区域内，则其全身剂量取决于人体遭受辐射后其整体造血的干细胞活存状况，与其有关的敏感因素包括：整体所含红骨髓量、目标位置遭受辐射后的剂量以及干细胞剂量存活状况[14]。根据中华人民共和国国家职业卫生标准《职业性外照射个人监测规范》(GBZ128-2016)规定的介入放射人员全身有效剂量的估算方法(见式1)进行估算。有效辐射剂量估算结果依据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871-2002)的参考值进行评价，连续5年内，观察者年平均有效剂量≤20 mSv；任何一年观察者的全身有效剂量≤50 mSv。

Eo=0.5Hw+0.025HN

(1)

式中，医源性电离外照射有效剂量用Eo表示，单位为mSv；铅衣内腰部性腺水平测得的个体剂量当量用Hw表示，铅衣外颈部甲状腺水平测得的个体剂量当量用HN表示。

2.1.2.2 电离辐射剂量率计算实验

为了对医源性电离辐射剂量率进行有效估算，需要对各个环节进行细化处理，首先，需要进行血液标本采集：一般当人体血细胞进行医源性电离辐射时，细胞的DNA受到电离辐射的损伤，在一定辐射剂量率范围内的损伤时，人体细胞具有自愈能力，通过时间长短来分为早期修复与晚期修复过程。有研究[15,16]发现,细胞的有效修复基本在2 h内，当超过2 h后大部分损伤的DNA不再具有修复能力。因此，需要在术后1 h采集护士静脉血，观察DNA损伤情况。在无菌条件下，选取PCI术前及术后1 h以内，取每名随台护士外周静脉血10 mL，加肝素抗凝后分装于离心管内，同时密封储存于4 ℃冰箱。实验与分析过程如下:

(1)使用梯度密度离心法分离淋巴细胞。将血样沿离心管轻加在等体积的淋巴细胞分离液中，12000 r/min离心5 min后取中间层，加入4mL PBS后以3000 r/min离心5 min，弃上清后洗涤3次。调整细胞密度为2×104个/mL后置于4 ℃冰箱备用。

(2)实验采用磨砂载玻片。铺胶的方法分为单层制胶法、双层制胶法或三层制胶法，本实验采用双层制胶法。电泳槽内均匀的铺上100 μL正常熔点琼脂糖凝胶，4 ℃固化，1∶3混匀淋巴细胞悬液与低熔点琼脂糖凝胶后取100 μL铺于正常熔点琼脂糖凝胶上，再次4 ℃固化。

(3)取下盖玻片后，载玻片立即在预冷的裂解液中浸泡，4 ℃放置8 h使细胞充分裂解，但避免时间过长裂解液出现沉淀。裂解液配法：5 mol/L NaCl，1%肌氨酸钠，100 mmol/L Na2EDTA，10 mmol/L Tris-HCl，调pH至10，临用前再加入1%Triton X-100及10%DMSO，现用现配。

(4)结束裂解以后，取出载玻片，用ddH2O冲洗载玻片后放置于水平电泳槽中，加入预冷的电泳液，配法：1 mol/L Na2EDTA，300 mmol/L NaOH，pH 13。静置30 min，DNA解螺旋后，以25 V 300 mA电泳25 min。电泳完成后取出载玻片，置于pH 7.5的0.4 mol/L Tris溶液内中和，每次5 min，共3次。

(5)每张载玻片上加20 μL的荧光染色剂溴化乙锭(EB)，荧光显微镜下观察(400倍)，激发波长510～550 nm，发射波长590 nm。每个样本随机分析60个细胞。观察指标为尾部DNA含量和尾矩。

2.1.3质量保证与统计学方法

在不同的测量位置对空气比释动能率进行实际监测，利用γ能谱仪对其展开深入研究，以所得研究结果为无效刻度估算结果的检验标准。使用SPSS统计软件对比验证实际监测到的吸收剂量与公式计算结果，通过对比验证所得判断假设的辐射情况是否与实际相同。

2.2 实验结果分析

以检验本文提出的医源性电离辐射剂量率估算方法为目的，在MATLAB仿真软件中展开相关实验，实验采用系统配置为Windows7、运行内存大于2 GB的计算机，分析不同医源性电离辐射剂量率估算方法的误差，实验结果如下。

实验选取文献[8](结合CCD与CMOS的辐射剂量率估算方法)及文献[9]的方法(利用γ-H2AX免疫荧光进行分析的剂量率估算方法)为本文方法的对比方法，分别计算3种方法的估算误差。对比结果如图1所示。

通过图1可以得知，跟随实验次数的增加，3种剂量率估算方法的误差变化不同，其中本文方法的误差最小，近似于零，文献[9]方法的误差最高，且在变化过程中多次出现峰值，误差值较大，综上所述，本文方法的估算误差得到有效控制有所减少，估算结果的准确程度得到提升。

为验证本文方法的估算率结果的准确性，将实验设置为四组剂量组，以实际测量情况所得数值为对照组，基于核辐射含元素量与相关公式，估算某医院20个患者在医源性电离辐射的影响下，其器官(红骨髓、结肠壁、甲状腺)剂量及其对照组。结果见表1。通过表1可知，低、中、高三组剂量组的器官剂量均明显高于对照组，其中以低剂量组的器官剂量最高，说明估算结果与剂量分组的吻合程度较低，原因是医源性电离辐射的辐射形式不同，存在内辐射，无法精准地对其进行检测，3个器官中以甲状腺的剂量值为最高，说明甲状腺是3个器官中最容易受到辐射损伤的器官，需要及时采取有效的防护措施。

表1 器官年吸收剂量

3 医源性电离辐射的医学防护措施

医源性电离辐射的生物效应可以通过生物医学技术进行干预，实现其在一定辐射剂量区间内的控制。基于出现辐射的原理、过程以及结果掌握影响其的各项因素和特征，通过各种措施干预适宜步骤，实现最优秀的医学防护，具体防护措施如下：

(1)清除自由基：细胞通常都蕴含具有一定水平的清除剂专用于清除自由基，其可以在细胞出现应激的情况下对其进行引诱产生。通过部分化合物(以氨磷汀为代表)可以在表现出不同程度的自由基清除程序内源性的同时消除具有外源性的自由基，具有较好的辐射防护效果，可应用于临床。

(2)降低组织氧消耗：利用对距离组织较远位置的捆扎可以降低其所具有的氧张力，以便减小组织遭受的辐射损伤；通过羟色胺物质能够减少组织对氧的消耗，减缓氧化程度，实现其对于辐射损伤的防护效果；采用氨磷汀消除自由基，同时减少氧气损耗，实现辐射损伤的防护。除此之外，还可以采用具有减缓细胞氧气损耗的蛋白因子实现辐射防护，该物质可以在氧张力要求为正常的情况下重复蛋白酶分解的步骤使其保持浓度一直处于较低层次，在乏氧情况下不被分解而是不断累计，引发对乏氧反应下海量蛋白基因的直观描述。以降低活性氧引起的细胞损伤为目的，要求在平稳细胞中包含的乏氧诱导因素的同时提升其活力并减少氧气损耗。除此之外，还可以采用部分能够模仿缺氧行为的化合物或者能够控制分解的物质，在减少细胞与周边环境所含氧张力与控制物质分解实现辐射损伤的间接防护二者中选择。

(3)抑制和阻断继发病理效应因子的活性和传播途径：针对医源性电离辐射可以选择将蛋白因子上调，通过减弱对这些蛋白质的描述有效实现组织纤维化的防护，也可以选择控制细胞因子的描述，有效减弱炎性细胞转移与跨越内皮的功能。利用受体拮抗剂可以阻断炎症的迁移，减少炎性细胞在组织内的浸润。通过他汀类物质能够在描述单核趋化因素的同时抑制其与其他物质的结合，以实现长效的抗菌消炎，提高免疫功能，同时也可利用对胶原蛋白累计调整过程中的细胞分泌控制实现细胞的抗纤维化，减少辐射损伤。

4 结论

本文研究医源性电离辐射剂量率估算与生物医学防护方法，以可供剂量为基础估算使用的参数信息，同时给出相应生物医学防护措施。实验结果表明，该方法可以有效减少计算误差，提高估算结果的准确程度和估算效率。在生物医学防护方面，通过对细胞的维护等其他医学手段可以在一定程度减轻医源性电离辐射带来的生物损伤，但是所有的生物医学防护措施都只具有缓解和减少患者在治疗过程中经受大剂量医源性电离辐射引起的副作用和防护低剂量医源性电离辐射导致的生物损伤，其他的直接照射导致的辐射损伤仅能通过减少照射、距离拉长等物理手段实现防护。