核医学微剂量估算系统
放射性核素已广泛应用于核医学诊断和治疗的各个方面,为医学研究开辟了新途径,对认识生命现象的本质,揭示疾病的病因及药物作用机理,特别是对肿瘤的诊断和治疗方面具有重要的意义。与其他医学方法一样,核医学中使用放射性核素的疗效和风险必须得到评估。辐射吸收剂量就是核医学和放射医学中用来量化人体所受辐射大小,评估诊断风险,预测治疗效果的基本参数之一。辐射对机体的作用是以细胞损伤的形式表现出来,细胞的放射损伤是机体辐射损伤的根本原因。因而辐射在单个细胞或细胞组分中的剂量沉积,以及由此产生的辐射生物效应越来越受到人们的重视。为了对核医学中使用的放射性核素在细胞、亚细胞水平的微小靶区内的剂量沉积规律进行理论研究,我们首先使用快速冰冻超薄切片放射自显影技术观察了放射性核素在细胞水平上的分布。结果发现放射性核素在细胞水平上的分布是不均匀的。随后,我们基于放射自显影实验结果,使用Visual Basic编程语言,建立了一套核医学微剂量估算系统。该系统一方面改进了MIRD微剂量学解析公式,不仅可以快速计算放射性核素在细胞水平均匀分布时不同条件下的细胞S因子,也能计算放射性核素几种理论非均匀微观分布时(线性递增、线性递减、指数递增和指数递减)不同条件下的细胞S因子;另一方面基于Monte Carlo单事件模拟,我们可以得到不同条件下靶区比能的概率分布,这能更有效的帮助我们理解放射性核素衰变产生的辐射与靶区相互作用发生剂量沉积的随机性本质。我们计算了核医学临床实践和理论研究中所使用的大多数放射性核素在不同靶源组合、不同细胞几何条件、不同分布条件下的细胞S因子和比能分布结果。通过比较放射性核素的衰变能谱数据、辐射类型、在源区内的分布类型、细胞几何条件、靶区填充物质等因素对单位累积活度在靶区平均吸收剂量和单次辐射在靶区内比能沉积概率分布的影响,我们发现:在微剂量学计算中,所研究的各种填充物质对靶区微剂量结果参数的影响不大。使用填充单位密度的液态水的细胞模型,不仅便于进行计算,所得结果也能较好的反映组织中细胞的剂量沉积情况。其次,采用详细能谱对提高细胞S因子或比能分布计算的准确性具有重要意义。在微剂量计算中,β连续能谱的平均值并不能很好的近似β连续能谱;N层和O层跃迁产生的大量低能俄歇电子对靶区的剂量贡献同样不能忽视。放射性核素的辐射类型也同样显著影响靶区内的吸收剂量沉积。高传能线密度的α核素在细胞靶区内的自吸收剂量贡献远远大于俄歇电子核素,更大于低传能线密度的β核素。但α粒子和俄歇电子较短的射程限制了α核素和俄歇电子核素对周围细胞的交互作用。这提示α核素和俄歇电子核素较为适合用于弥散型小细胞肿瘤的放射免疫治疗。它一方面能在靶细胞内产生较高的剂量沉积和较强的细胞杀伤效应,同时对周围正常细胞的损伤较小。而β核素较为适用于实体瘤的治疗。虽然其传能线密度较低,但β射线较长的射程能保证尺寸较大的实体瘤内部同样能受到相当剂量的照射。另外,在微剂量计算中,辐射在靶区内单位路径能量沉积沿粒子行进距离的变化对细胞自吸收剂量的影响不大。细胞靶区的大小主要通过改变靶区体积和质量,并改变粒子在靶区内运动的平均弦长来影响靶区内的剂量沉积。放射性核素在源区内的分布类型也主要通过改变粒子在靶区内的平均运动弦长显著影响靶区内的吸收剂量沉积。放射性核素越浓聚在细胞中心周围,靶区内的自吸收剂量越大。对于衰变链中含有放射性子核的放射性核素,用细胞剂量转换因子来描述靶区内细胞剂量的沉积更为合适。一般来说,对于血液循环系统等放射性核素廓清较快的系统,靶区剂量主要为放射性母核贡献;对于实体瘤,应选择较大的截止时间,充分考虑衰变链中放射性子核对靶区的剂量贡献。从利用Monte Carlo单事件模拟方法估算得到的靶区内比能概率分布结果中我们发现,放射性核素衰变产生的辐射与靶区相互作用的高度随机性使得靶区内比能存在一个很宽的概率分布。低于平均值的比能出现的概率较大,特别是对于β核素和俄歇电子核素。这说明靶细胞受到的照射剂量很可能小于理论计算得到的平均值。因而在临床实际中,为了使靶区达到一定剂量的照射,可适当提高细胞内的放射性核素的浓度。通过对两种方法所得结果及文献报道结果的比较,我们发现,该系统计算结果准确。同时操作简便,界面友好,容错功能强大,计算迅速。
