开发一种用于测量放射性核素污染伤口的新系统和方法

《Radiation Measurements》：Development of a Novel System and Method for Measuring Radionuclide-Contaminated Wounds

放射性伤口污染检测系统研究：开发一种结合成像与γ射线光谱的非接触式检测装置，通过衰减系数差异分析实现污染物分布、深度及活性的定量评估，为临床剂量计算和治疗方案优化提供技术支撑。

　　

王伟|王玉建|李星龙|庞宏超|罗志平

中国原子能研究院，北京，102413

摘要

鉴于目前缺乏用于确定伤口中放射性污染物滞留和分布的设备和方法（这些污染物可能出现在乏燃料再处理和放射性同位素生产过程中），我们开发了一种新型的非接触式系统，该系统具有更高的分辨率、更紧凑的体积，并且易于临床应用。通过利用成像技术和γ射线光谱技术，该系统能够识别伤口中的残留核素、测量伤口中核素的深度和活性，并确定受伤区域放射性污染物的位置和分布。通过这一系统，我们建立了一种基于不同组织厚度下X/γ射线吸收衰减系数差异来估算受伤肢体中放射性污染物滞留深度和活性的方法。这种方法已被证明是简单可行的，且测量偏差在可接受范围内。我们的研究解决了伤口中放射性污染物测量及其分布快速重建的问题，从而推动了放射性污染物伤口测量技术的进步。它为评估伤口的局部剂量和摄入的有效剂量提供了有效的基础，也为受伤后的医疗方法选择提供了依据。

引言

在核燃料组件的制造、维护或回收（Ma Yuefeng等人，2004年）以及放射性同位素的生产（Chen Ling等人，2019年）过程中，经常会发生各种伤害（如穿刺、切割、爆炸和酸烧伤），导致放射性核素侵入人体。超过90%的放射性伤害事件发生在手臂和手部（主要是手指）（NCRP，2006年），通过穿刺和化学烧伤造成。与吸入和摄入相比，通过伤口进入人体的放射性核素会直接进入血液循环系统，并被输送到肝脏和骨骼等重要器官（Gong Yuefeng等人，2004年）。因此，即使摄入量相对较低，也可能导致较高的有效剂量。此外，不溶性放射性核素在伤口部位的长期滞留也可能引起局部剂量。因此，应在创伤发生后立即对放射性污染物伤口进行详细和准确的测量和治疗（Wang Wei等人，2018年）。

目前，伤口中放射性污染物的检测大致可分为两类：间接测量和直接测量（Hiroshi Y等人，2014年；Izumoto Y等人，2018年）。间接测量需要在采样后通过离线分析来确定伤口中的污染物类型和浓度，主要包括α粒子检测和X射线荧光分析等方法。虽然这些方法可以快速获得测量结果，但由于无法预测伤口内污染物的分布，其采样代表性较差。此外，采样过程可能会加剧受伤者的疼痛并增加二次感染的风险。直接测量（Singh I S等人，2015年；Genicot J L等人，1997年；Genicot J L等人，1995年）直接检测伤口部位残留放射性核素发出的射线。借助有效的测量技术，这种方法可以提供关于这些核素活性和深度的信息，主要包括α/β射线测量和X/γ射线测量，这两种都是非接触式的在线测量技术，以其简单性和直接性而著称。这些技术无需进行伤口采样，从而减少了感染风险。特别是X/γ射线测量利用了伤口部位残留放射性核素发出的γ/X射线的强穿透能力，能够检测到深层伤口中的放射性核素信息。近年来，基于HPGe、NaI、CsI和YAP:Ce等探测器的各种放射性污染物伤口测量系统（Tomá? S等人，2022年；SPIR-ID先进手持式检测和识别系统）得到了快速发展，这些系统扩展了伤口放射性测量和放射性核素识别的能量范围，显著提高了测量效果。

目前，伤口中放射性污染物的测量技术仅限于识别放射性核素的类型和确定表面污染活性水平。对于需要进一步专业医疗干预（如手术切除）的较大、较深的伤口，迫切需要及时准确地确定和量化伤口内放射性污染物的分布。目前缺乏有效的方法来确定和测量伤口内污染物的分布，也没有实用的解决方案或专用设备。一种常见的测量方法是依次使用两个或更多不同尺寸的探测器：首先使用大尺寸、低分辨率的探测器大致确定污染范围，然后使用小尺寸、高灵敏度的探测器进行扫描，以确定最大污染区域，以便进行后续的活性测量。最大污染区域的识别主要依赖于观察探测器的计数率变化。这种方法在绘制伤口内污染物分布图方面效率低下，复杂、耗时、劳动强度大，且容易受到人为测量误差的影响。准确评估伤口中污染物的滞留和分布对于放射性污染物伤口的检测技术来说是一个重大挑战。

本研究介绍了一种新型系统和方法，用于测量放射性污染物伤口，具有更高的分辨率、更紧凑的体积，并且易于临床应用。该系统利用编码孔径成像原理评估伤口中放射性污染物的分布，并利用X/γ射线光谱技术直接量化这些核素的滞留情况。这种方法有助于全面了解放射性污染物伤口的特征，克服了现有技术的局限性，提高了该技术的实际应用价值。

部分摘录

伤口中放射性污染物分布的测量

通过利用编码孔径成像原理（Fenimore E等人，1978年），可以测量伤口中放射性污染物的分布。编码孔径成像系统（Cie?lak J M等人，2016年）通常包括位置敏感的探测器和准直器，这些探测器和准直器由重金属制成，并以特定方式编码。成像过程包括编码过程和图像重建过程。

成像功能测试

为了测试放射性污染物伤口测量系统的成像功能，将三个²⁴¹Am点源（两个为3.0×10⁴ Bq，一个为2.59×10⁴ Bq）放置在软组织等效材料（密度ρ=1.08g/cm³，H10%，C12.5%，N3.50%，O74%）的表面，厚度分别为15毫米、25毫米和30毫米。每次测量确保获取7000个有效计数，使用MLEM算法进行图像重建。系统响应矩阵a_ij是通过仿真获得的。

结论

目前，还没有成熟的设备或方法能够充分确定伤口中放射性污染物的滞留和分布。通过结合成像和γ射线光谱技术，我们开发了一种新型的非接触式系统，用于测量放射性污染物伤口，该系统具有更高的分辨率、更紧凑的体积，并且易于临床应用。该系统能够识别伤口中的残留核素、测量核素的深度和活性，并确定

CRediT作者贡献声明

李星龙：验证、概念构思。庞宏超：项目管理、资金获取、概念构思。罗志平：项目管理、资金获取、概念构思。王伟：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、数据管理、概念构思。王玉建：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、数据管理

未引用参考文献

Accorsi, 2001; Chen等人，2019; Fenimore, 1978; Gong和Ye, 2004; Genicot和Alzetta, 1997; Sun, 2019; Shepp和Vardi, 1982; Joshi, 2014; Hanping等人，2017; Ma等人，2016; Mu和Liu, 2006; NCRP报告No156, 2006; Wang等人，2018.

知情同意

本文不包含任何涉及人类受试者的研究。

利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

数据可用性声明

与本文相关的研究数据包含在文章中。

伦理批准

无需伦理批准。

资助

本研究未获得任何特定资助。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。