活体氡子体α潜能暴露量测量方法和系统

摘要

本发明提供了一种活体氡子体α潜能暴露量测量方法和系统。活体氡子体α潜能暴露量测量方法包括：在低本底环境中测量活体Pb‑210的γ测量谱；构建活体相关部位的数字体模；对数字体模进行刻度；基于刻度后的数字体模和γ测量谱获得Pb‑210总累积活度；基于Pb‑210总累积活度获得氡子体α潜能暴露量。活体氡子体α潜能暴露量测量系统包括：活体Pb‑210测量装置；体模构建和刻度装置；数据处理装置。通过本发明的活体氡子体α潜能暴露量测量方法和系统，能够得到活体内氡子体α潜能暴露量，结合氡摄入量与患肺癌概率的关系，获得高氡暴露活体患肺癌风险概率及回顾性健康评价。

说明书

技术领域

本发明涉及辐射防护和探测领域，尤其涉及一种活体氡子体α潜能暴露量测量方法和系统。

背景技术

世界卫生组织国际癌症研究机构公布的2018年全球癌症统计数据显示，肺癌占所有癌症发病率之首约为18.4％，并且肺癌病例年增长率也是最高11.6％。同时，联合国原子辐射效应科学委员会也公布了“氡及其子体(以下简称氡)”是导致肺癌发生最主要的诱因之一，氡不但被列为一类致癌物质，还是仅次于吸烟导致肺癌的第二大诱因。因此，国际辐射防护委员会明确指出需要严格控制人体氡的摄入量。

目前，氡子体α潜能暴露量(potential alpha energy exposure，PAEE)是高氡暴露人群进行患肺癌概率健康评价的重要参数。氡子体α潜能暴露量是指氡子体衰变到Pb-210(铅-210)所发射α粒子能量总和的累积量，可以依据人体内氡子体α潜能暴露量与国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection，ICRP)115号出版物推荐的终身超额绝对危险系数(lifetime excess absolute risk，LEAR)获得高氡暴露人的患肺癌风险概率，也可结合ICRP-137《Occupational Intakes ofRadionuclides:Part 3》(放射性核素的职业性摄入量：Part 3)推荐的剂量转换系数获得高氡暴露人的氡子体致有效剂量等。那么，获得高氡暴露人群的氡子体α潜能暴露量是亟需解决的技术问题。

传统的间接测量法，将测氡仪直接放置在暴露环境中，开展基于受照场所的氡子体浓度代替活体直接吸入的氡子体测量确定氡子体α潜能暴露量，会引入测量位置、环境、时间和个体间呼吸差异等大量误差和不确定度。此外，因为Rn-222(氡-222)的半衰期仅有3.82天，所以这种方法也不能针对长期在高氡环境下暴露的人群进行回顾性健康评价。因此，如果能通过活体直接测量的方式获得半衰期为22.2年Rn-222衰变产物Pb-210释放的γ信号，便可解决传统间接测量法受制于受照场所误差大，以及不能进行回顾性评价的技术瓶颈。但实现难度较大，主要在于活体内照射Pb-210构建方法研发及测量装置研制。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种活体氡子体α潜能暴露量测量方法和系统，以解决现有技术存在的误差大和测量场所受限等问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种活体氡子体α潜能暴露量测量方法，其特征在于，包括步骤：在低本底环境中测量活体Pb-210的γ测量谱；构建活体相关部位的数字体模；对数字体模进行刻度；基于刻度后的数字体模和γ测量谱获得Pb-210总累积活度；基于Pb-210总累积活度获得氡子体α潜能暴露量。

优选地，测量γ测量谱的步骤包括构建活体自身本底扣除模型从而降低本底计数。

优选地，活体相关部位包括头骨和肺部。

优选地，构建头骨数字体模的步骤包括先构建头骨物理体模，再基于头骨物理体模构建Pb-210源最优化布点及封装，然后建立相应数字体模。

优选地，对肺部数字体模进行刻度的步骤包括通过峰谷比变化获得肺部等效胸壁厚度。

优选地，获得氡子体α潜能暴露量的步骤包括通过对Pb-210总累积活度进行来源分析获得吸入氡子体衰变致Pb-210累积活度，再基于生物代谢模型，从而获得活体氡子体α潜能暴露量。

根据本发明的第二方面，提供了一种活体氡子体α潜能暴露量测量系统，其特征在于，包括：活体Pb-210测量装置，用于测量Pb-210的γ测量谱；体模构建和刻度装置，用于生成活体相关部位的数字体模并进行刻度；数据处理装置，用于基于γ测量谱和刻度后的数字体模获得Pb-210总累积活度，进而获得氡子体α潜能暴露量。

优选地，活体Pb-210测量装置还用于构建活体自身本底扣除模型从而降低本底计数。

优选地，活体相关部位包括头骨和肺部。

优选地，体模构建和刻度装置用于先构建头骨物理体模，再基于头骨物理体模构建Pb-210源最优化布点及封装，然后建立相应数字体模。

优选地，体模构建和刻度装置用于通过峰谷比变化获得肺部等效胸壁厚度。

与现有技术相比，根据本发明的技术方案，基于活体Pb-210装置和数字体模能够快速、准确的直接对活体的α潜能暴露量进行评估，能够基于地下实验室极低本底优势，打破地平面高本底限制该领域发展的僵局，探索直接测量确定氡子体α潜能暴露量新模式，构建低本底、高探测效率直接测量方法和装置探测极低活度Pb-210释放的微弱γ射线技术途径，实现国内外无法对典型高氡暴露人群体内极低活度3Bq测量的突破，最终获得氡摄入量与高氡人群患肺癌概率的对应关系。这些成果不但能够直观的给出高氡人群患肺癌概率及回顾性健康评价，还能为颠覆性的更新国内外重要经典标准、规范ICRP-115《Lung CancerRisk from Radon and Progeny and Statement on Radon》(氡及其子体的肺癌危险与关于氡的声明)、GB/T16146《室内氡及其子体控制要求》和GBZ/T270《矿工氡子体累计暴露量估算规范》提供重要科学实验依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的活体氡子体α潜能暴露量测量方法的流程图；

图2示出了根据本发明实施例的活体氡子体α潜能暴露量测量系统的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的高氡人群患肺癌概率构建方法及测量装置总体技术路线示意图；

图4示出了根据本发明实施例的降氡过渡门设计示意图；

图5示出了根据本发明实施例的探测器数目优化设计初步敏感性分析示意图；

图6示出了根据本发明实施例的氡摄入量与志愿者样本分布关系示意图；

图7示出了根据本发明实施例的实验数据D与ICRP估算数据D’推荐的氡摄入量与患肺癌概率的关系比对示意图。

在这些附图中，使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“在一个实施例中”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同实施例。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

图1示意性示出根据本发明一个实施例的活体氡子体α潜能暴露量测量方法。该方法可以在地下实验室实施，也可以部分经由网络在异地实施。

步骤S102中，在低本底环境中测量活体Pb-210的γ测量谱。优选地，测量γ测量谱的步骤包括构建活体自身本底扣除模型从而降低本底计数。

步骤S104中，构建活体相关部位的数字体模。优选地，活体相关部位包括头骨和肺部。构建头骨数字体模的步骤包括先构建头骨物理体模，再基于头骨物理体模构建Pb-210源最优化布点及封装，然后建立相应数字体模。

步骤S106中，对数字体模进行刻度。优选地，对肺部数字体模进行刻度的步骤包括通过峰谷比变化获得肺部等效胸壁厚度。本领域技术人员能够清楚理解，上述步骤的实施顺序可以按照需要进行调整。

步骤S108中，基于刻度后的数字体模和γ测量谱获得Pb-210总累积活度。

步骤S110中，基于Pb-210总累积活度获得氡子体α潜能暴露量。优选地，先通过对Pb-210总累积活度进行来源分析获得吸入氡子体衰变致Pb-210累积活度，再基于生物代谢模型，从而获得活体氡子体α潜能暴露量。

图2示出根据本发明一个实施例的活体氡子体α潜能暴露量测量系统。该系统包括：活体Pb-210测量装置22；体模构建和刻度装置24；数据处理装置26。

活体Pb-210测量装置22用于测量Pb-210的γ测量谱。优选地，活体Pb-210测量装置还用于构建活体自身本底扣除模型从而降低本底计数。

体模构建和刻度装置24用于生成活体相关部位的数字体模并进行刻度。优选地，活体相关部位包括头骨和肺部。优选地，体模构建和刻度装置24用于先构建头骨物理体模，再基于头骨物理体模构建Pb-210源最优化布点及封装，然后建立相应数字体模。优选地，体模构建和刻度装置24用于通过峰谷比变化获得肺部等效胸壁厚度。

数据处理装置26用于基于活体Pb-210测量装置22获得的γ测量谱和体模构建和刻度装置24刻度后的数字体模获得Pb-210总累积活度，进而获得氡子体α潜能暴露量。

下面详细说明根据本发明的新型高氡人群患肺癌概率构建方法及测量装置的工作机理。

本发明高氡人群患肺癌概率构建方法及测量装置的总体技术路线如图3所示。

首先确定活体内Pb-210沉积部位，然后针对该沉积部位设置极低本底高探测效率活体内照射极低活度Pb-210直接测量装置。

为实现直接测量系统最小可探测活度MDA(minimum detectable activity)值3Bq的目标，根据Currie定义，MDA在95％置信度时定义如公式(1)所示，即当发射几率P

其中，N

(1)降低本底计数N

(2)提高探测效率η↑：即提高系统有效探测面积，采用两种方式。首先，优化设计探测器数目，针对目标Pb-210的46.5keV能区，选择高能量分辨率、探测效率的宽能型高纯锗探测器(BE-HPGe)，利用公式(1)进行敏感性分析，模拟结果表明，如图5所示，约4个直径为85mm的BE-HPGe可达到1.8Bq最接近目标值2Bq的设计；还可以利用更大面积的HPGe探测器，进一步提高探测器的有效面积；此外，基于Geant4程序进行探测器在等值面的方位优化设计，进一步提高γ注量率。

最终研制一套放置于地下实验室的极低本底、高探测效率活体极低活度Pb-210直接测量装置，获得极微弱γ测量谱，该装置主要由6部分组成：屏蔽室、探测系统、机械系统、通风系统、测量床以及数据处理系统。

设置了极低本底、高探测效率活体内照射极低活度Pb-210直接测量装置之后，需要设置活体极低活度Pb-210直接测量系统准确刻度用体模。

系统刻度是影响活体直接测量准确性的重要因素，需要基于γ测量装置获得的极微弱γ测量谱进行系统准确刻度，如图3所示，主要包括两方面内容：体模研制和刻度方法，具体方案如下：

(1)体模研制：利用3D打印、材料融合等技术实现与头骨关键特征参数如尺寸、材料等准确匹配。采用Geant4程序精细模拟头骨模型尺寸，达到与实际人头结构和尺寸几乎一致，以保证模拟的准确性。然后采用聚乙烯、环氧树脂、聚氨酯为基质配比调试添加剂，构建骨、软组织、大脑组织等效材料实现头骨物理体模；同时基于成熟的物理体模，分别构建Pb-210源最优化布点及封装，在此基础上利用CT技术建立相应数字体模。

(2)刻度方法：头骨软组织覆盖薄，不需特殊考虑刻度方法，但肺部刻度存在胸壁厚度差异严重影响实际探测效率准确性问题，需特殊方法刻度。相比传统医学影像等间接方法引入额外噪声，采用峰谷比法，直接通过峰谷比变化反映核素深度分布，如公式(2)所示，绘制不同等效胸壁厚度与实际探测效率关联曲线，再结合γ测量装置获得的γ计数，最终分别获得头骨和肺部的Pb-210总累积活度。

其中，假设肺部源为半径l、高度t的均匀体源，体源中体素单元与探测器中心轴夹角为θ，体源下边缘与上边缘与探测器中心轴夹角分别为θ

设置了活体极低活度Pb-210直接测量系统准确刻度用体模之后，需要进行活体Pb-210来源分析及构建氡子体α潜能暴露量模型。

构建氡子体α潜能暴露量的唯一来源是吸入氡子体衰变致Pb-210累积活度，但直接测量获得的活体内Pb-210总活度来源极复杂，需先针对体模设置获得的头骨Pb-210总累积活度开展来源分析，获得吸入氡子体衰变致Pb-210累积活度后再构建氡子体α潜能暴露量，如图3所示，具体方案如下：

(1)来源分析：通过文献调研，活体内Pb-210来源极其复杂，以下仅给出采用最可行的方案之一，假设来源主要包括四方面：a)吸入氡子体衰变致Pb-210，即吸入氡子体在呼吸道直接衰变成Pb-210被血液吸收后最终沉积于骨骼的活度(A

其中，f

(2)构建模型：基于(1)获得的吸入氡子体衰变致Pb-210累积活度，具体计划采用ICRP-130《Occupational Intakes of Radionuclides:Part 1》(放射性核素的职业性摄入量：Part 1)、ICRP-67推荐的最新生物动力学模型，基于从Pb-210最终沉积部位骨骼重构至血液、血液再重构至呼吸道模型及输运机理，最终获得氡子体α潜能暴露量。

进行了活体Pb-210来源分析及构建了氡子体α潜能暴露量模型之后，可以将氡摄入量应用于患肺癌概率分布计算。

基于氡子体α潜能暴露量模型获得的氡子体α潜能暴露量，构建患肺癌概率分布实验数据进行回顾性健康评价，同时与估算数据进行比对分析，建立ICRP-115、GB/T16146和GBZ/T270的更新方案，如图3所示，具体方案如下：

(1)患肺癌概率分布实验数据D：首先，基于氡子体α潜能暴露量模型获得的氡子体α潜能暴露量，利用UNSCEAR-1993推荐值及氡衰变链α分支比得到氡摄入量；然后，募集具有不同高氡人群特征的志愿者，将其分为患肺癌和未患肺癌两类，并详细记录高氡暴露工作时长、有无吸烟史等关键信息，再依据前述步骤分别获得摄入量，构建氡摄入量与志愿者样本分布关系，如图6所示，理论计算预测氡摄入量与志愿者样本服从正态分布，且患肺癌人员分布的均值和方差高于未患肺癌人员分布；最后，分析志愿者样本分布数据，假设未患肺癌与患肺癌人员分别占各自样本分布中的比例为a和b，那么氡摄入量诱发患肺癌概率分布实验数据为D＝b/(a+b)，进而最终实现回顾性健康评价。

(2)患肺癌概率分布估算数据D’：基于氡子体α潜能暴露量模型获得氡子体α潜能暴露量(PAEE)，利用ICRP-115推荐的终身超额绝对危险系数(LEAR)，14×10

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。