輻射劑量在體測量電子順磁共振諧振腔研究.pdf

1、核與輻射突發(fā)事件發(fā)生后，快速判斷人員受照劑量并對(duì)其進(jìn)行傷情分類是事故救援和臨床診斷的關(guān)鍵，也是目前放射醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問題。利用電子順磁共振(Electron Paramagnetic Resonance，EPR)技術(shù)，對(duì)人牙齒實(shí)施在體測量，是目前可實(shí)現(xiàn)在體、快速劑量測量的理想方法之一，研制可在口腔內(nèi)使用的在體測量專用EPR探頭是亟待解決的核心問題。
　　常規(guī)電子順磁共振牙齒劑量測量只能開展回顧性劑量評(píng)估，難以在事故后早

2、期快速給出劑量，且取樣方法有損傷，因此適用性受限。根據(jù)EPR原理，微波諧振腔是實(shí)施在體測量和提高譜儀探測靈敏度的核心部件，直接決定了在體測量的實(shí)施方式和可行性。本工作以特殊結(jié)構(gòu)的開口式諧振腔研究為重點(diǎn)，設(shè)計(jì)了人牙齒在體測量實(shí)施方案及新型開口式X波段微波諧振腔，腔體采用X波段閉合金屬腔結(jié)構(gòu)，諧振腔金屬壁上設(shè)置有樣品探測口。微波磁場分量可以從諧振腔內(nèi)泄漏進(jìn)入探測口區(qū)域，同時(shí)掃描磁場裝置和調(diào)制磁場發(fā)生裝置在探測口處產(chǎn)生特定范圍掃描磁場和調(diào)制磁

3、場。實(shí)施在體測量時(shí)，諧振腔作為探頭伸入人口腔中，人前牙尖端咬入諧振腔探測口，獲得電子順磁共振條件，從而獲得牙齒中輻射誘發(fā)的EPR波譜，進(jìn)行牙齒劑量分析。
　　主要研究工作內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　1、設(shè)計(jì)了三種模式X波段在體測量專用EPR諧振腔。選取了TE101型矩形諧振腔、TE111和TM010型圓柱形諧振腔三種特殊微波場模式和腔體結(jié)構(gòu)。三種微波場模式具有以下特點(diǎn):在諧振腔外周腔壁位置，均存在微波磁場分量集中區(qū)域，同時(shí)此區(qū)域避

4、開微波電場分量集中位置。通過在此區(qū)域設(shè)置樣品探測口，可使較強(qiáng)的微波磁場分量泄露進(jìn)入樣品探測口，同時(shí)不造成顯著的微波能量損耗。通過數(shù)值計(jì)算、有限元仿真，形成了具體的設(shè)計(jì)方案。
　　2、試制加工了系列不同結(jié)構(gòu)的諧振腔體。對(duì)影響諧振腔性能的如下因素進(jìn)行了加工工藝比較和優(yōu)化，包括:腔體微波場型、腔體體積、探測口幾何設(shè)計(jì)、耦合方式、調(diào)制磁場施加方法等。各腔體主要特征為:TE101型矩形諧振腔尺寸為22.8×10.1×21.4 mm，探測口位

5、于矩形窄邊中心位置;TE111型圓柱形諧振腔直徑為22.0(27.0) mm，長度為28.2(21.2) mm，探測口位于腔體圓柱面中心或者位于柱面與底面交接處位置;TM010型圓柱形諧振腔直徑24.0 mm，長12.0 mm，探測口貫穿腔體側(cè)面窄邊中心位置。
　　3、開展了不同諧振腔的性能實(shí)驗(yàn)與比較。分別進(jìn)行了物理參數(shù)測量、DPPH樣品測量和整體牙齒樣品測量實(shí)驗(yàn)。物理參數(shù)測量獲得了諧振腔幾何尺寸、諧振頻率、諧振品質(zhì)因數(shù)、耦合狀態(tài)

6、等特性。通過DPPH樣品測量，驗(yàn)證了諧振腔的工作頻率，獲得了諧振腔的功率特性和調(diào)制特性。整體牙齒樣品實(shí)驗(yàn)評(píng)估了諧振腔在體測量的可行性。結(jié)果表明:三類諧振腔諧振頻率范圍為9.50～9.60 GHz，有載諧振品質(zhì)因數(shù)為2500～3500，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。微波功率在0.1～200 mW范圍變化和調(diào)制磁場在0.1～1 mT范圍變化的情況下，諧振腔均能正常工作并獲得較弱的樣品信號(hào)，三種腔體綜合性能均適用于在體測量牙齒。不同種類諧振腔對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，

7、三種諧振腔性能各具特點(diǎn):(1) TE1n型圓柱形諧振腔諧振品質(zhì)因數(shù)高，便于口腔內(nèi)牙齒咬入，調(diào)制磁場施加方便，但體積較大，存在同頻率簡并模式;(2) TM010型圓柱形諧振腔結(jié)構(gòu)新穎，微波電磁場場結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，但諧振腔機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需多次調(diào)整耦合匹配;(3) TE101型矩形諧振腔結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，方便伸入口腔，微波電磁場泄露效率高，綜合靈敏度較高，但功率容量相對(duì)較低。
　　4、整體牙齒測量。利用完整人牙齒樣品，均勻分組后在0～8

8、 Gy范圍照射，將牙齒固定于牙床模型模擬在體測量，對(duì)測量的EPR譜線進(jìn)行信噪比分析并對(duì)樣品體積和質(zhì)量做歸一化處理，獲得了輻射誘發(fā)信號(hào)信噪比與照射劑量關(guān)系曲線。劑量響應(yīng)呈良好的線性關(guān)系，線性回歸相關(guān)系數(shù)為r=0.9884，在30秒的掃描時(shí)間內(nèi)，探測下限不高于1Gy，基本滿足了事故劑量評(píng)估的要求。
　　5、動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了在體測量的可行性。對(duì)照射后大鼠和猴進(jìn)行了在體測量實(shí)驗(yàn)，獲得5～20 Gy照射后大鼠牙齒中的輻射誘發(fā)的信號(hào)和

9、2Gy照射后猴牙齒中的輻射誘發(fā)信號(hào)。為進(jìn)一步驗(yàn)證在體測量可行性，直接在體測量了人牙齒。結(jié)果表明，口腔中的水未造成顯著的微波損耗和系統(tǒng)匹配調(diào)節(jié)的困難;心跳、呼吸等生理過程一定程度上增加了譜線背景噪音，但通過調(diào)整掃描時(shí)間和分次疊加掃描等措施可以克服這種影響，而且在人身體微顫的條件下，仍可開展實(shí)驗(yàn)。在體測量和離體測量相比，信號(hào)信噪比下降在20％以內(nèi)。
　　結(jié)論：本研究以在體測量專用X波段諧振腔研究為核心，提出了X波段在體EPR測量實(shí)施方

10、案。通過選擇諧振模式、數(shù)值計(jì)算、仿真模擬等方法，設(shè)計(jì)了三種微波模式具有不同開口結(jié)構(gòu)的諧振腔，提出的腔外調(diào)制磁場施加方案，顯著提高了調(diào)制磁場效率，減小了腔體體積和加工的復(fù)雜性，從根本上解決了腔內(nèi)調(diào)制裝置帶來的諧振腔品質(zhì)因數(shù)低和探測靈敏度低的問題;研制的TM010圓柱諧振腔和TE101型矩形腔具有穩(wěn)定的微波模式和較高靈敏度，在EPR領(lǐng)域之前未見相關(guān)應(yīng)用報(bào)道，具有創(chuàng)新性;其中，TE101型矩形腔結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，體積小巧，探測口結(jié)構(gòu)和腔體體

11、積可根據(jù)在體測量需求靈活變化，能夠充分適應(yīng)在體測量需求。通過測量腔體的物理參數(shù)、DPPH樣品實(shí)驗(yàn)和照射后牙齒測量實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了諧振腔的各項(xiàng)性能，獲得了整體牙齒的劑量響應(yīng)關(guān)系;通過動(dòng)物和人在體測量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了在體測量方案的可行性和腔體的實(shí)用性。利用目前研制的諧振腔，在口腔中水、呼吸、心跳和身體微顫等特殊條件下，仍能能夠?qū)嵤┰隗w測量，獲得信噪比較好的牙齒EPR信號(hào)，已基本達(dá)到利用在體EPR技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體劑量評(píng)估和核與輻射突發(fā)事件中傷員早期分類的