牙齿剂量电子顺磁共振在体测量方法的实用性研究

发布时间：2020-11-02 23:37

　　 核与辐射突发事件发生后,对伤员进行快速的剂量评估是临床诊断和展开救援的关键。电子顺磁共振(Electron Paramagnetic Resonance,EPR)可以对牙齿中电离辐射产生的自由基进行特异性检测以评估辐射剂量。通常牙齿剂量EPR测量方法使用离体牙齿样品进行测量,离体测量受限于有创的采样方式,多应用于回顾性的剂量评估中。而在体测量方法可以不经采样,直接对人牙齿进行EPR测量来评估受照射剂量,因而被认为是一种较理想的事故现场快速剂量评估方法。本研究团队前期已经实现了用X波段EPR技术在体测量牙齿中辐射诱发的顺磁性信号,但是受到在体测量条件特殊性的影响,从EPR信号中获得准确的剂量信息却面临着一些因素的制约。主要包括受试者牙齿含水造成的介电损耗(尤其在X波段EPR更强烈)、牙齿体积与形态的个体差异、人体生理活动的干扰等。本工作主要针对这些在体测量特有的干扰因素开展研究,在详细研究了各种干扰因素的特性与规律的基础上,有针对性地提出了校正和改进方法,并付诸实验检验,使X波段EPR牙齿剂量在体测量技术向实用化更进了一步。主要研究内容和结果如下:1.针对牙齿表面水的影响,分别使用有限元仿真计算方法和不同厚度的水膜实验,分析了牙齿表面水厚度变化对在体测量的影响规律。结果表明,随着牙齿表面水的厚度增加,EPR在体测量谱仪的谐振腔探测灵敏度逐渐降低,严重影响测量状态。通过在谐振腔内设计、制作Mn~(2+)/CaO内置标准样品对测量状态进行跟踪,采用牙齿信号与内标信号的相对信号强度对测量结果进行校正,有效降低了牙齿表面水引起的测量误差,使牙齿信号强度的相对标准差由30.8%改善到17.9%。在此基础上,利用牙科橡皮障技术的物理隔离方法,将被测牙齿与口腔内的唾液隔离,防止了测量过程中唾液在测量区域的持续累积,有效改善了牙齿表面水介电损耗的影响。2.针对牙齿体积与形态个体差异的影响,兼顾现场应用条件的可行性,提出了一种根据牙齿几何形状和谐振腔探测灵敏度分布进行校正的计算方法。通过牙齿局部印模切片和数字图像采集、处理方法,实现了简捷而准确地重建被测牙齿的体积与空间形态;通过自由基点状样品实验,获得谐振腔探测灵敏度空间分布规律;通过体积元加权计算,建立了在测量有效区域内依据灵敏度分布的牙齿体积重建和剂量信号校正方法。利用整颗离体牙齿样品对该方法进行了实验验证,相同剂量组信号强度的相对标准偏差可下降54.8%,剂量响应线性相关系数可由0.731提高到0.986。显著降低了牙齿体积与形态个体差异造成的测量误差。3.针对各种生理活动的干扰因素,设计制作了专用固定装置,对谐振腔、调制线圈和磁场中心位置加以固定,并通过优化扫场装置与受试者的位置和姿态,以提高测量过程的稳定性,减少在体测量的中装置和被测者各种颤动引起的干扰;提出了利用波谱数据校正、多次快速扫描自动识别和筛选有效波谱的方法,解决谱线漂移以及因干扰过大而无法获得正常波谱的问题。4.综合考虑各影响因素及其校正方案,编制了一套牙齿剂量在体测量专用软件。该软件实现了在体测量所需的磁场扫描控制与波谱采集、储存和识别显示等基础功能;在此基础上实现对各影响因素的分析并根据其权重情况对剂量计算实施校正,人体在体测量实验验证表明该软件可有效地将在体测量实验控制与数据校正相结合,并可以避免人为因素对测量结果的过多干预。5.通过志愿者实施了牙齿剂量在体测量实验,初步验证了本研究结果的可行性和有效性。相较于离体测量,在体条件下测到的辐射诱发信号下降约40%,但利用本工作建立的方法,仍能有效维持在体测量过程,目前在体测量可测剂量下限约为2Gy。在体测量方法是目前牙齿EPR剂量重建的新方法,针对X波段EPR在体测量条件下的各种影响因素及其解决方法尚未充分研究。本工作在研究了X波段EPR在体测量的主要影响因素的特点和规律基础上,提出并建立了针对性的校正方法和改进措施。初步解决了在体条件下主要影响因素对剂量评估的影响,提高了牙齿剂量EPR在体测量方法的实用性。
【学位单位】：军事科学院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R445.2
【部分图文】：

即保持磁场不变、扫描微波频率，或者保持微波频率不变、扫描磁场。由于扫描微波频率技术上比较困难，所以目前主要采用后一种方式，这也是目前常见的EPR谱仪的工作方式。如图1.1所示，当微波频率不变，扫描磁场强度使得电子两个自旋状态的能量差 E不断调整，直至满足式（1.2），发生电子顺磁共振造成微波能量的吸收，通过对微波的检波从而获得EPR光谱。对于同一种自由基，在测量参数相同的情况下，被吸收的微波能量大小与样品中自由基的浓度成正比。对于不同的自由基，由于g因子为物质分子自身的特征

直接对受试者的牙齿进行测量，并且测量过程不再需要采样并且不会对受试者产生创伤。本研究中所采用的牙齿剂量EPR在体测量的实施方式如图1.2所示，与常规EPR谱仪相比，该在体测量EPR谱仪拥有较大的磁极间距以容纳头部（至少能容纳人的下巴牙床区域），并且采用在体测量专用的带有探测口式的谐振腔。测量时，受试者将门牙插入谐振腔探测口中，进行牙齿剂量的EPR在体检测。图 1.2 牙齿剂量 EPR 在体测量示意图对于核事故下剂量分类应用来说，EPR在体测量方法具有以下优点：（1）牙齿的辐射诱发信号在受照后即产生，因而可以在事故发生后立即开展测量，有利于为事故发生后需要立即进行的剂量分类提供参考。（2）在体测量过程不破坏样品剂量信息

2.1 EPR在体测量谱仪为了实现牙齿剂量的在体测量，需要对EPR谱仪重新设计并制定相应的在体测量方案。目前本课题组已初步搭建完成X波段牙齿剂量EPR在体测量谱仪，如图2.1所示。该谱仪由一中间有较大孔隙、可容纳受试者头部的U型双磁极头永磁铁提供静磁场，测量过程中受试者将门牙咬入特殊设计的谐振腔的探测口，通过对门牙尖部进行多次扫描测量其辐射诱发产生的EPR信号，根据测量得到的EPR信号强度估算其受照剂量。图 2.1 自主研制的 X 波段 EPR 在体测量谱仪2.1.1 EPR在体测量谱仪主要结构谱仪的主要结构如图2.2所示，主要由微波单元、扫描磁场单元、调制磁场单元、控制与数据处理单元组成，另各单元配有电源模块以供运行。在测量时，微波由微波单元中的微波桥提供和控制，射入加载样品的谐振腔中；然后扫描磁场单元开始运作，驱动扫场线圈在静磁场的基础上开始对指定磁场区域进行连续的扫描；扫描过程中，调制磁场模块通过谐振腔两侧的调制线圈对在谐振腔探测口位置施加一个小幅度交变磁场以对微波信号进行调制
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本文编号：2867753