指甲EPR測量方法

田 燁 吳 可

(軍事科學院軍事醫學研究院輻射醫學研究所， 北京， 100850)

0 引言

核與輻射事件往往會導致大量人員受到輻射損傷，救治的關鍵是對受照者進行快速劑量評估和早期分類，為臨床治療提供依據[1]。常見的輻照劑量估算方法主要包括物理方法、生物學方法和生物物理方法。

(1) 物理方法。

通過輻射場重建和數值模擬計算方法，結合人員在輻射場中的活動資料，獲得有關吸收劑量的計算結果。該方法優勢在于快速，易于獲得宏觀整體評價結果。但受限于源項和人員具體活動資料難以完整，因此，對個體情況評估時比較困難。

(2) 生物學方法。

包括染色體畸變、微核、血象變化、生物標志物和臨床指征等，其中外周血淋巴細胞染色體突變率為生物學方法的典型代表。其優勢在于結果準確、可針對個體，但是劑量范圍較窄，實驗室硬件條件要求較高，獲得結果所需時間比較長。

(3) 生物物理方法。

利用物理方法對生物指標的特異性改變進行定量檢測，如，利用電子順磁共振(EPR)技術測量骨骼、牙齒、指甲等組織中的輻射誘發自由基[2]。此方法檢測時間較短，劑量信息保存時間長，儀器操作相對簡單，劑量范圍寬，可重復測量，尤其適合于現場快速早期劑量評估和傷員分類。

近年來，基于采樣可行性和劑量響應的考慮，在體的牙齒和指甲EPR檢測技術成為生物物理方法研究的重點。與在體測量牙齒相比，指甲EPR測量具有以下優點：①指甲不斷代謝更新，避免了過往受照史的影響；②測量過程更加簡便，且無創；③測量技術上更容易實現。目前指甲EPR在體測量的劑量檢測下限值約為1.4 Gy[3]，已接近傷員早期快速分類的需求。

本文介紹指甲EPR波譜信號特征，對比離體測量和在體測量指甲EPR方法特點，重點介紹在體測量方法及其在輻射劑量評估領域的應用優勢。

1 指甲EPR波譜特征

指甲主要成分是α角螺旋蛋白，在電離輻射、機械力作用的應激條件下會產生新的自由基，通過EPR技術可以檢測到指甲中自由基團的信號，形成多種EPR波譜信號。EPR波譜信號包括指甲本底信號(BKG)、剪切產生的機械誘發信號(MIS)、γ輻射誘發信號(RIS)。

γ輻射誘發信號可細分為5種不同組分，即RIS1、RIS2、RIS3、RIS4、RIS5。RIS1、RIS3、RIS4僅在大劑量(約1 000 Gy)下產生，對輻射事故人員分類不具有應用價值。低劑量下產生的RIS2、RIS5是指甲EPR測量的目標信號。RIS2具有更好的穩定性，即受時間、溫度影響小，且水洗或浸泡不會消除該信號，是最具有應用價值的信號。由于MIS、BKG與RIS相互重疊，影響了劑量響應評估過程，因此將RIS2、RIS5從EPR波譜信號中分離是指甲EPR測量的重點[4]。

指甲剪切時機械力誘發產生了多種EPR信號，包括MIS1、MIS2、MIS3、MIS4。其中MIS2具有較好的穩定性，受時間、溫度影響小且不受水洗或浸泡影響[4]，這種穩定性被認為源自指甲固有特性，稱為背景信號[5]。BKG和MIS2均對輻射誘導信號RIS的信號分析與劑量重建有較大影響，影響了指甲EPR測量[6]。

指甲EPR波譜RIS、MIS、BKG的信號幅度隨時間、儲存濕度環境的差異出現不同的變化特性，而信號的穩定性對輻射事故后劑量重建過程十分重要。為此研究人員進行了大量實驗，以探究測量時間、樣品水分、周圍氣體環境以及個體差異等因素的影響[4，7～12]。

2 指甲EPR離體測量

Brady等[13]提出指甲作為生物物理劑量計應用的可能性。多次實驗證實了指甲中的輻射誘發信號(RIS)與照射劑量間存在線性關系[14～20]。

指甲EPR離體測量方法是將剪切收集的指甲樣品進行清洗、自然晾干(或烘干)、稱重等工序后進行EPR波譜采集，通過獲得其自由基信號重建樣品受照劑量。離體的指甲樣品通常在大氣環境中常溫保存，25 C°時RIS完全衰減需要100 d。為了保證測量結果的均一性，除了嚴格控制樣品的儲存環境、重量、處理流程外，指甲離體測量通常還使用加入自旋濃度確定的物質作為信號標準物的方法以歸一化樣品中自由基濃度的大小。

通過測量指甲的EPR信號評估劑量有一個關鍵問題，由于指甲被剪切產生的機械誘導信號MIS與γ照射產生的輻射誘導信號RIS重疊，嚴重影響了指甲EPR劑量測量的準確度。

為進行客觀的劑量重建，離體指甲EPR測量劑量評估方法的關鍵在于將RIS從波譜信息中分離出來。為此研究人員進行了大量工作并結合了不同信號的穩定特性建立了三種離體測量方法，即水處理法、波譜分析法和輻射疊加法[11,21,22]。

2.1 水處理法

利用MIS、BKG信號幅度受水分影響明顯，而RIS5信號幅度對水處理不敏感的特性去除干擾信號。

將指甲樣品用清水浸泡10 min也可以很好的去除全部MIS及BKG，而RIS5浸泡無法消除[4]。清水浸泡雖然能暫時去除背景信號，但指甲晾干或烘干后，BKG幅度逐漸恢復，這一現象導致了使用該方法會出現BKG幅度不穩定的問題。張騰達等[22]認為在使用清水浸泡消除機械信號后，應對指甲進行烘干處理，使BKG幅度恢復最大值，進而穩定，以減小測量誤差，他們對浸泡后的指甲在30 ℃、70 ℃、200 ℃下分別進行干燥，實驗結果表明，70 ℃烘干3 h可使指甲完全干燥，BKG穩定，且避免高溫影響RIS幅度。焦玲等推測水處理法可用于估測大于3 Gy的劑量值[10]。

2.2 波譜分析法

波譜分析法通過測量單峰幅度，從總單峰幅度中扣除MIS1信號幅度推算出的MIS2及樣品照射前測量出的BKG，從而得到RIS5。

He等[11]在干燥氮氣環境下，對指甲中MIS1、MIS2、MIS3進行7 d的幅度監測，發現寬頻MIS1與單峰機械誘導信號MIS2幅度之間存在較穩定的比例關系(標準誤差26%)，結論提出，可通過MIS1的測量，間接確定MIS2的幅度。隨后他們對60位捐贈者的指甲測量結果中的MIS1、MIS2信號進行相關性分析，相關系數為0.68, Swartz等[21]認為這種不穩定是導致該方法劑量下限無法達到輻射事故傷員分類需求的主要原因。

對于波譜分析法，指甲剪切后EPR波譜信號的穩定性非常關鍵，從指甲收集與剪切到測量過程中MIS受到周圍環境的影響而衰減可能破壞MIS1與MIS2之間的比例關系。根據指甲中EPR波譜信號穩定性特性，研究者在剪切收集后對指甲進行快速干燥并使用惰性氣體(如CO2、N2)保存，顯著減緩了指甲中信號的衰減，從而保持了MIS1與MIS2之間穩定的比例關系，使其相關系數由0.68增長到0.93。

2.3 輻射疊加法

對收集到的受輻射指甲進行至少兩次重復照射，并對再照射后的EPR信號進行線性擬合，通過其幅度變化率進行事故劑量的刻度[21]。這種方法需要在疊加照射的過程中，指甲的水分保持穩定并盡可能接近指甲在體時的狀態。

Marciniak等[7]在實驗中指出，指甲在進行多次輻射疊加后可能出現幅度飽和現象，當照射總劑量達40～60 Gy時，重復照射不再使EPR信號幅度增長反而出現下降。輻射疊加法需要嚴格的實驗室條件，無法實現現場檢測，難以實現事故后人員早期快速分類。

3 指甲EPR在體測量

由于指甲剪切后測量的波譜信號組成復雜，受剪切以及儲存環境的諸多因素影響大，樣品處理方法復雜，所以離體測量不能完全滿足核與輻射事件早期人員分類的需求。為徹底消除MIS影響，近年來研究人員對指甲在體EPR測量方法和技術展開了探索。

指甲在體EPR測量仍存在一些技術難點，如：專用微波諧振腔(器)的研制。與常規離體測量所使用的封閉式諧振腔不同，指甲在體EPR測量需要設計專用的諧振腔，通過微波泄露對在體樣本進行局部檢測，泄露的微波功率需足夠強以獲得足夠的靈敏度，同時又需要盡可能地避免指甲臨近的軟組織對泄露微波的吸收。目前主要有兩種指甲在體EPR測量專用諧振腔：探測口式諧振腔和表面諧振腔陣列。

3.1 探測口式諧振腔

Ikeya等[23]對矩形TE102諧振腔進行改造，在諧振腔腔壁開口，通過狹縫處泄漏微波對樣品進行EPR測量。

Swartz等[21]提出，在半球形TE011諧振腔腔壁中部適當位置開口，可得到兩倍于矩形TE102型諧振腔的微波功率，從而提高檢測性能。

Grinberg等[24]通過在探測口式諧振腔內安裝電介質，使微波的磁場分量與電場分量垂直分離以增強探測口處磁場強度，結果發現，TiO2、KTaO3、藍寶石等電介質均可放置于TE102或TE011諧振腔探測口內增強諧振腔探測性能。將KTaO3電介板安裝在TE102諧振腔矩形探測口內制作了KTaO3電介板DAR(KTaO3-DAR)。通過在X波段下對受137Cs照射的指甲樣品進行測量，結果表明，與傳統無電介板的探測口式諧振腔相比，KTaO3-DAR得到的相對信號強度顯著增強約15～20倍。他們用改進后的X波段背襯電介質探測口式諧振腔(DAR)，以具有穩定EPR信號的Kapton25、Kapton35薄膜(等效RIS劑量分別為12.5、35 Gy)為樣品，0.25 mm厚PC板為間隔物進行探測深度測量實驗，確定了使信號最優化的KTaO3-DAR探測口的模型。而后，研究人員將Kapton25、Kapton35薄膜粘貼于健康志愿者指甲表面進行在體測試，志愿者在測量前10～15 min洗手，使指甲中的BKG的影響基本消除。測量結果顯示，KTaO3-DAR探頭的檢測指甲的理論探測下限可達1.4 Gy。

3.2 表面諧振腔陣列

表面諧振腔陣列(SRA)是由多個相同共振元件通過CRC橋和脊骨連接構成的表面接觸式諧振腔[25]，脊骨連接處為零電位，使該處電場最小而磁場最大。在體測量時指甲周圍軟組織引起的微波介電損耗降低了探測效率。為減少微波損耗，指甲在體劑量測量需將探測深度限定在指甲厚度內，SRA諧振腔包含的CRC模塊目的在于通過改變CRC模塊的尺寸參數以控制對指甲的探測深度，避免指甲下肌肉、結締組織對微波的吸收。

He等[3]使用了陣列間距為1 mm的SRA諧振腔在X波段下進行了指甲在體EPR測量，但該實驗并未能取得良好信號。原因在于使用的SRA諧振腔陣列間距過小，導致探測深度過淺。

Sidabras等[26]設計了分別含有7、11個共振元件的SAR，使用L-α-丙氨酸和聚苯乙烯混合物制作了1.5 mm厚的指甲模型，并對其進行137Cs照射，再將其粘貼于聚丙烯酰胺凝膠制作的手指體模上形成全指模型。在X波段下，采用0.2 mm厚的PC板作為間隔物，使用該模型對分別含有7、11個共振元件的SAR進行探測深度的測量。結果顯示，對于含7、11個組件的SAR，90%的信號分別來自于0.75、0.5 mm以內。而后研究人員對指甲模型進行了7次不同累積劑量照射，使用SAR獲得了較為良好線性劑量響應。模擬計算顯示SAR諧振腔在負載丙氨酸-聚苯乙烯指甲模型的下，其質量因子(Q)約為200。研究人員認為SAR在X波段下探測下限低于2 Gy。

3.3 技術特點

指甲在體EPR測量方法有以下優勢：(1) 避免了剪切收集指甲樣品時MIS的產生，徹底避免了MIS2與目標信號RIS5重疊的問題；(2) 指甲中的水份含量較為穩定，避免了因樣品儲存和處理的不同導致的信號衰減、不穩定的問題；(3) 可以在現場快速給出檢測結果，滿足事故早期分類的要求，減少了指甲收集與儲存等流程帶來的誤差。

指甲在體EPR測量從原理上徹底避免了MIS信號難以分離的問題，有望進一步提升指甲作為電離輻射劑量計的檢測靈敏度，具有采樣簡單、現場快速、針對個體的優勢。研究人員設計了多種可專用于指甲在體EPR測量的諧振腔，目前來看，DAR是在傳統諧振腔基礎上進行優化，通過安裝電介板提高探測靈敏度，SAR使用了新穎的諧振陣列結構通過控制探測深度提高探測效率，二者都為在體EPR測量諧振腔的設計提供了新思路。指甲在體測量雖起步較晚，但模擬的在體測量實驗均取得較好的結果，理論探測下限基本達到急性放射性損傷的分類需求，且具有樣品前處理方法簡單快速、測量流程易于操作的潛力，顯示了在體指甲EPR測量方法良好的發展前景。

3.4 存在的問題

指甲EPR在體劑量測量目前仍然面臨著較多挑戰，多種相關研究工作正在展開，主要包括：

(1) 考察不同類型的照射下(如β及不同能量的γ、中子)，指甲劑量與全身劑量、人體各主要臟器有效劑量之間的轉換系數[27]。

(2) 研究紫外線與指甲EPR信號之間的關系，探索紫外線誘導信號與γ誘導信號的區別與聯系，以及紫外線誘導信號與指甲BKG之間的關系。

(3) 在W波段(94 GHz)下，使用脈沖EPR對經清水浸泡處理的指甲進行測量，利用高頻場優良的靈敏度和分辨率，進一步闡明長壽命RIS(經水處理依然穩定存在的信號成分)的性質。

(4) 研究指甲硬/軟化劑、染色劑對指甲EPR信號的影響。