指甲電子順磁共振譜圖基線修正方法與精度分析

趙徵鑫 張文藝 張立順 翟賀爭 張騰達(dá) 阮書州 蘇鍇駿 焦玲

300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所，天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

指甲電子順磁共振譜圖基線修正方法與精度分析

趙徵鑫 張文藝 張立順 翟賀爭 張騰達(dá) 阮書州 蘇鍇駿 焦玲

300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所，天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

目的 在指甲電子順磁共振劑量重建實(shí)驗(yàn)測(cè)量中風(fēng)速、溫度及濕度發(fā)生大范圍變化時(shí)波譜則會(huì)出現(xiàn)較大程度的基線漂移，進(jìn)而使得讀出的數(shù)值不能反映真實(shí)的自由基濃度，最終會(huì)降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。本研究將提出一種基線修正的方法以解決這個(gè)問題。方法 找尋發(fā)生漂移后的基線，然后選定波譜修正范圍和相應(yīng)的修正函數(shù)或?qū)⒃疾ㄗV還原成能量吸收譜，選擇點(diǎn)修正的方法對(duì)波譜進(jìn)行修正。結(jié)果 在同一樣品測(cè)量中，對(duì)發(fā)生基線漂移的波譜未加以修正得到的數(shù)值與未發(fā)生基線漂移時(shí)得到的數(shù)值在誤差允許范圍內(nèi)相等的概率僅為31%；而利用此方法修正后概率則達(dá)到91%，提高了近3倍。結(jié)論 在對(duì)波譜進(jìn)行讀數(shù)之前，應(yīng)使用此種修正方法對(duì)波譜進(jìn)行基線修正，以此來提高劑量估算的準(zhǔn)確度。

電子順磁共振； 波譜； 基線修正； 指甲； 基線漂移

Fund program：Youth Fund of Peking Union Medical College(3332015070,3332015101)

0 引 言

近年來，電子順磁共振（electron paramagnetic resonance,EPR）理論和技術(shù)得到迅速發(fā)展，在多個(gè)領(lǐng)域均取得重要成就，在輻射劑量重建方面尤為引人注目。EPR是檢測(cè)自由基最直接有效的方法。人體在短時(shí)間內(nèi)受到電離輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生自由基[1]，通過檢測(cè)組織中的自由基濃度即可確定放射損傷類型。自物質(zhì)的放射性這一特性被人類發(fā)現(xiàn)以來，放射性物質(zhì)和輻射技術(shù)就逐漸被人類應(yīng)用于醫(yī)療、能源等領(lǐng)域；然而在人類享受這些便利的同時(shí)也面臨一些威脅。由于目前的技術(shù)還不能完全處理核廢料，加之核與輻射事故時(shí)有發(fā)生，這些都會(huì)增加人類受到電離輻射的危險(xiǎn)系數(shù)。當(dāng)受到電離輻射時(shí)，快速、準(zhǔn)確的劑量估算就顯得尤為重要[2-3]。由于指甲受到電離輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生自由基，并通過EPR儀器可檢測(cè)到相應(yīng)的波譜[4-5]；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)研究中指甲樣本來源廣泛，且處理步驟較為簡單，因此引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-7]，并成為劑量評(píng)估的理想材料。

在指甲EPR劑量重建過程中，國內(nèi)外研究者采取了多種方法來減少實(shí)驗(yàn)誤差以此來提高劑量估算的準(zhǔn)確度。如，水分會(huì)影響EPR信號(hào)強(qiáng)度[8]，因此在樣本處理過程中需增加干燥的步驟；為解決直接讀取波譜峰峰值時(shí)帶來的誤差，研究者引入了自旋標(biāo)記物，使用波譜中樣品的峰峰值與自旋標(biāo)記物的峰峰值的比值進(jìn)行數(shù)值比較；由于X波段的EPR對(duì)質(zhì)量較小的樣本靈敏度較低而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的數(shù)值不準(zhǔn)確，對(duì)此研究者使用Q波段[9]的EPR以克服上述缺點(diǎn)等。這些措施可顯著提高劑量重建過程中劑量估算的準(zhǔn)確度，但仍有一些誤差在實(shí)驗(yàn)過程中被忽略。因在實(shí)驗(yàn)中無法保證實(shí)驗(yàn)條件不發(fā)生任何改變，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中的溫度、濕度和風(fēng)速等發(fā)生大范圍改變時(shí)就會(huì)導(dǎo)致波譜發(fā)生基線漂移。如將發(fā)生漂移后的波譜進(jìn)行舍棄，結(jié)果就會(huì)人為地增加實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，費(fèi)時(shí)且費(fèi)力。如對(duì)漂移后的波譜直接進(jìn)行讀數(shù)，則得到的數(shù)值根本就不可信，也無法達(dá)到高精度劑量估算、分類驗(yàn)傷和快速救治的目的。鑒于此，本研究將在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)這一問題提出波譜基線的修正方法，為以后的研究提供參考。此方法最終可使讀出來的數(shù)值更可靠，也使通過數(shù)值估算輻射劑量的研究更可信。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

指甲樣品來自于中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所和中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所的男女志愿者，年齡范圍為20～61歲，平均年齡為（41.0± 22.3）歲。所有樣本在剪切之后需立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并保證實(shí)驗(yàn)樣本在24 h內(nèi)測(cè)量完成。

本實(shí)驗(yàn)所采用的儀器為A300 X波段電子自旋共振波譜儀（德國布魯克公司），實(shí)驗(yàn)溫度為25℃、濕度為35%；中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為353 mT，微波功率為1.01 mW，調(diào)制頻率為100 kHz，掃描次數(shù)為20，時(shí)間常數(shù)為81.92 ms，掃場(chǎng)寬度為18 mT，調(diào)制幅度為0.5 mT，掃場(chǎng)時(shí)間為10.24 s。

1.2 方法

1.2.1 分組及樣品制備

將指甲剪成長寬均為2 mm左右的小方塊并隨機(jī)分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3組，每組樣品的質(zhì)量為18 mg左右。將指甲樣品放到純凈水里浸泡10 min后擦干指甲表面的水并在空氣中放置5 min，再將指甲置于70℃下干燥3 h后放到諧振腔里進(jìn)行測(cè)量。每份樣品測(cè)量3次，每組樣品均測(cè)100例。需嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)溫度、濕度及風(fēng)速，以確保實(shí)驗(yàn)過程中3組樣品在幾乎不發(fā)生任何變化時(shí)得到波譜；利用圖1或圖2所示的基線修正方法進(jìn)行基線修正；然后將直接讀取波譜時(shí)得到的峰峰值與基線修正之后得到的峰峰值進(jìn)行比較。如兩者之間的差值小于1%時(shí)再將波譜的峰峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以排除測(cè)量儀器本身的漂移造成的波譜漂移。

1.2.2 波譜的測(cè)定

Ⅰ組樣品在3次測(cè)量過程中3個(gè)影響因素幾乎未發(fā)生任何改變，再加上利用上述步驟篩檢，所以可認(rèn)為3次測(cè)量得到的波譜均未發(fā)生基線漂移；同理，Ⅱ組樣品在3次測(cè)量中的前兩次測(cè)量過程3個(gè)影響因素幾乎不發(fā)生任何變化，而第3次測(cè)量則發(fā)生大幅度變動(dòng)，即可認(rèn)為篩檢后得到的波譜有一個(gè)發(fā)生了基線漂移而另外兩個(gè)未發(fā)生基線漂移；Ⅲ組樣品在3次測(cè)量過程中的第一次測(cè)量3個(gè)影響因素幾乎不發(fā)生任何變化，而后兩次測(cè)量過程中3個(gè)影響因素均發(fā)生大幅度變動(dòng)，同理也可認(rèn)為篩檢后的波譜有兩個(gè)發(fā)生了基線漂移另外一個(gè)未發(fā)生基線漂移。

1.2.3 基線的修正

在讀取波譜的峰峰值之前，首先要觀察波譜是否需要基線修正并粗略地觀察基線漂移的大小。當(dāng)發(fā)現(xiàn)波譜發(fā)生漂移時(shí)應(yīng)首先選擇第1種方法，即圖1中所示的基線修正步驟，選定波譜修正范圍和相應(yīng)的修正函數(shù)。如發(fā)現(xiàn)修正之后基線仍然漂移則需使用第2種方法，即圖2中所示的基線修正步驟。通過積分將原始波譜還原成能量吸收譜，選擇點(diǎn)修正方法，并通過比較積分波譜和微分波譜來確定信號(hào)出現(xiàn)的范圍和中心磁場(chǎng)的大致位置，劃定點(diǎn)修正的邊界，然后選擇光滑曲線，最后將修正之后的譜圖進(jìn)行微分還原即可。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

以Excel建立數(shù)據(jù)庫，并采用SAS9.2軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述和假設(shè)檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，選擇χ2檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，實(shí)驗(yàn)室中的風(fēng)速、溫度、濕度發(fā)生大幅度變化時(shí)，其實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的波譜會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的基線漂移。從發(fā)生基線漂移的波譜上讀取的數(shù)值與真實(shí)代表的自由基濃度間會(huì)有很大的差距。對(duì)于I組實(shí)驗(yàn)測(cè)量，由于嚴(yán)格控制了實(shí)驗(yàn)室條件，確保上述3個(gè)影響因素基本保持不變，因此得到的波譜基線比較平滑，通過本研究提出的篩檢方法篩檢之后的波譜可認(rèn)為未發(fā)生基線漂移（圖3）。而對(duì)于Ⅱ和Ⅲ組測(cè)量，通過改變3個(gè)影響因素后得到的波譜則發(fā)生了較大程度的基線漂移；嚴(yán)控實(shí)驗(yàn)條件得到的波譜則基本未發(fā)生基線漂移。利用本研究所提到的基線修正方法修正后的波譜則變得更加平滑，基線也可認(rèn)為未發(fā)生漂移（圖4、5）。

圖1 第1種基線修正方式

圖2 第2種基線修正方式

表1 電子順磁共振信號(hào)的相對(duì)峰峰值（n=100，x±s）

表2 同一樣品測(cè)量中與第1次測(cè)量數(shù)值比差值不大于5.3%的概率（n=100）

在每組實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中，以第1次測(cè)量結(jié)果作為單位1，其他兩次測(cè)量結(jié)果相對(duì)于第1次的測(cè)量結(jié)果顯示相應(yīng)的數(shù)值（表1、2）。從表中可以看出，Ⅰ組實(shí)驗(yàn)的3次測(cè)量結(jié)果在最大的差值（5.3%）之內(nèi)的達(dá)97%。因此，若每組的3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果差值在5.3%之內(nèi)均可認(rèn)為是相等的。圖6可以看出，直接讀取發(fā)生基線漂移波譜上的數(shù)值與嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)室條件而未發(fā)生基線漂移時(shí)得到的數(shù)值之間的差值介于5.3%之內(nèi)的僅有31%。利用本研究的基線修正法修正后得到的數(shù)值與嚴(yán)格控制條件而未發(fā)生基線漂移時(shí)得到的數(shù)值間的差值介于5.3%內(nèi)已達(dá)到91%，提高了近3倍（P＜0.05）。

3 討論與結(jié)論

在以往的研究中，并未涉及在波譜發(fā)生基線漂移時(shí)對(duì)其進(jìn)行修正的問題。當(dāng)波譜發(fā)生基線漂移時(shí)研究者要么將其舍棄進(jìn)行再次測(cè)量，要么對(duì)波譜直接進(jìn)行讀數(shù)。前者在實(shí)驗(yàn)中會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間和精力，再加上指甲長時(shí)間暴露于空氣中會(huì)因失水[10-11]而使其樣本信號(hào)增強(qiáng)。如果實(shí)驗(yàn)中測(cè)的指甲樣品數(shù)量較多時(shí)，將發(fā)生基線漂移的樣品舍棄而進(jìn)行再次測(cè)量的話會(huì)導(dǎo)致后面的指甲樣品測(cè)出的數(shù)值均增大[10-11]，結(jié)果就會(huì)人為地增加實(shí)驗(yàn)誤差，進(jìn)而影響估算精度。

當(dāng)發(fā)生大規(guī)模的核事故和電離輻射時(shí)，快速、準(zhǔn)確地對(duì)劑量進(jìn)行估算對(duì)人群分類驗(yàn)傷和快速救治至關(guān)重要[2-3]。如對(duì)發(fā)生基線漂移的波譜直接進(jìn)行讀數(shù)，則讀出的數(shù)值與真實(shí)值之間往往存在較大出入，從而影響指甲在受到輻射后劑量估算的準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響人群分類驗(yàn)傷的準(zhǔn)確度和快速救治的效率。

本研究提出一種指甲EPR波譜基線修正的方法。利用該基線修正法對(duì)指甲EPR譜圖進(jìn)行基線修正，可使發(fā)生基線漂移的譜圖變得更加平滑。從修正后的波譜讀出的數(shù)值也比從未加以修正的波譜讀出的數(shù)值更加準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)波譜發(fā)生基線漂移時(shí)可不將其舍棄，而可利用基線修正法對(duì)其進(jìn)行修正；修正后得到的數(shù)值在誤差允許范圍內(nèi)不僅可以代表真實(shí)的信號(hào)強(qiáng)度且可節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)力。

本研究中，指甲樣品是在設(shè)定的條件下進(jìn)行測(cè)量的。如，中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為353mT，微波功率為1.01mW等。如改變這些條件時(shí)，筆者提出的基線修正方法仍然適用。因?yàn)闇y(cè)量條件的改變并不會(huì)引起波譜發(fā)生基線漂移的因素的改變，同時(shí)測(cè)量條件的改變只會(huì)引起波譜的數(shù)值的改變而不會(huì)導(dǎo)致波譜基線出現(xiàn)額外的改變。因此，即使測(cè)量條件不同，也可以應(yīng)用此種方法對(duì)發(fā)生基線漂移的波譜進(jìn)行修正。

本研究提出的基線修正方法只是以指甲為例進(jìn)行討論。對(duì)于其他材料在理論上仍然可以使用此方法。因?yàn)槠渌牧虾椭讣锥际墙柚鶨PR這一儀器，測(cè)量過程中所應(yīng)用的原理[12-13]和引起波譜發(fā)生基線漂移的原因也完全相同。因此，對(duì)于今后欲借助EPR進(jìn)行研究，如測(cè)量出的波譜發(fā)生基線漂移也可嘗試使用本研究提出的基線修正法對(duì)其進(jìn)行基線修正。

利益沖突 無

（圖3～6見插頁5-9）

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Reference line correcting method and accuracy analysis of fingernail electron paramagnetic resonance

Zhao Zhixin,Zhang Wenyi,Zhang Lishun,Zhai Hezheng,Zhang Tengda,Ruan Shuzhou,Su Kaijun,Jiao Ling

Institute of Radiation Medicine,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin Key Laboratory of Radiation Medicine and Molecular Nuclear Medicine,Tianjin 300192,China

Jiao Ling,Email:jiaoling@irm-cams.ac.cn

Objective The spectrum has a greater baseline drift when wind speed,temperature and humidity change in the experiment of fingernail electron paramagnetic resonance dose reconstruction,and thus the read-out value does not reflect the true radical concentration,which ultimately reduces the credibility of the test results.This study aims to propose a reference line correcting method to solve the problem.Methods The drifted baseline was found out first,and then spectral correction range and the corresponding correction function were selected or the original spectrum was reduced to energy absorption spectrum.Finally,the point correction method was applied to modify the spectrum.Results The probability of the value obtained without reference line correcting for the spectrum of baseline drift equal to the value of spectrum without baseline drift was only 31%,while the probability was increased to 91%,improving nearly 3 times after using the reference line correcting method in the range of acceptable error.Conclusions This reference line correcting method for spectrum should be applied before reading the spectrum in order to increase the accuracy of dose estimation.

Electron paramagnetic resonance; Spectrum; Reference line correcting; Fingernail; Baseline drift

焦玲，Email:jiaoling@irm-cams.ac.cn

10．3760/cma．j．issn．1673-4181．2016．05．006

協(xié)和青年基金（3332015070，3332015101）

2016-07-23）