牙齿电子自旋共振剂量测定中的几个问题
作者：周永增
单位：太原，中国辐射防护研究院 030006
关键词：
中华放射医学与防护杂志000108 电子自旋共振(ESR)于1944年由原苏联喀山大学Zavoisky.E博士发现以来，作为一项技术，在物理、化学、生物学及地质学等领域的应用得到了迅速的发展[1]。尤其是近十几年间，ESR剂量测定及其应用的国际讨论会已举行了5届。第1、3届分别于1985年和1991年在日本的Ube和美国华盛顿召开，2、4届则于1988和1995年均在德国慕尼黑召开。会议讨论内容涉及到考古学和地质年代测定、丙氨酸剂量测定、ESR仪器和方法、事故和回顾剂量测定、辐照食物鉴定及ESR图像等。第5届会议按计划于1998年在莫斯科召开，主要议题是生物剂量学。在事故和回顾性剂量测定中，多用人牙齿、骨骼、指甲和头发等生物材料作为生物剂量计来估算受照射个人的剂量。当前国际上公认的较成熟的生物剂量计仍是对人外周血淋巴细胞染色体畸变分析。对于全身急性照射来说，利用染色体畸变分析技术可以可靠地估计约100 mGy的照射剂量。但是随着照射后时间的延长，外周血中含有非稳定性畸变的细胞数不断减少，这样，利用非稳定性畸变估算剂量就将产生一定的误差。利用基于稳定性畸变(主要是易位)的荧光原位杂交(FISH)技术能减小剂量估算的不确定度。另一个国际公认的生物剂量计则是人牙、骨等生物材料的电子自旋共振技术，在事故和回顾性剂量测定中常采用ESR技术估算受照射者的剂量。下面根据文献资料就ESR剂量测定中的几个实际问题进行介绍和讨论。
, 百拇医药
一、人牙釉质的辐射敏感性差异
80年代以来，牙齿ESR剂量测定技术广泛用于日本原爆幸存者、受切尔诺贝利核电站事故影响的居民以及俄罗斯南乌拉尔“玛牙克”核设施工作人员的剂量估算[2-6]。在一般的牙齿ESR剂量测定中，为了对样品的辐射敏感性进行修正，在对应估计其所受剂量的样品进行初始ESR测量后用已知剂量γ射线对牙釉质样品进行附加照射。如果一个人的不同牙齿和不同人的牙齿在辐射敏感性方面相当一致的话，就可以不用“附加”照射的方法。
日本科学家Iwasaki及其同事用5个供牙者(A-E)的72颗恒牙进行了辐射敏感性研究[7]。将每1颗牙分为朝面部和朝舌部的两部分，共得144个样品。牙釉质样品被破碎成尺寸大小为0.5～1.4 mm的颗粒，然后对其进行ESR测量，以证明其本底信号是正常的。用60Co γ射线对每个牙釉质样品进行照射，其照射剂量为1.29×10-1 C.kg-1(500 R)，然后称重，再进行ESR测量。结果见表1。另外，还对4个样品中的每一个样品进行10次测量，以观察ESR重复测量的稳定性。他们的研究结果指出，对1个牙釉质样品进行多次ESR信号测量所得的变异系数为3%～4%，而对每一个供牙个体的所有牙釉质样品的变异系数小于10%(若除去两个异常样品，则该值为5.3%～9.7%)。这说明，在一个供牙个体的不同牙之间存在某些差别。然而，在5个供牙个体中，每个供牙者所有牙样品的平均值变动在8.77～9.84 mg-1。就平均值而言，牙釉质的辐射敏感性在各个体间差异没有显著性。这事实说明，至少在这5个供牙个体间在ESR剂量测定中牙齿的辐射敏感性是相当一致的。如果该研究结果可用于任何个体的话，那么对这一剂量水平的剂量估算可不用附加照射法，而用实验求得的牙釉质剂量响应曲线估算，其相对误差约在±(20～30)%。
, 百拇医药
俄罗斯科学家研究了食肉动物(北极熊)、有蹄动物(驯鹿、欧洲野牛和驼鹿)及人牙釉质的辐射敏感性。用0.48、0.96、1.44、1.92、2.4和10.08 Gy 60Co γ射线对上述哺乳动物和人牙釉质样品进行照射，测量釉质样品中ESR信号强度，并对不同种属动物和人的实验数据作直线回归(Y=A+BX)，所得结果见表2[8]。
表1 供牙者A-E牙釉质辐射敏感性的实验结果(相对值) 供牙者
出生年
性别
拔牙数量
釉质样
品数
最大值
, 百拇医药
最小值
平均值
标准差
变异系数
(%)
A
1907
男
22(21)
44(42)
10.22(10.22)
4.71(7.81)
8.84(9.01)
, 百拇医药
1.01(0.62)
11.4(6.9)
B
1906
男
9
18
10.19
6.55
8.89
0.86
9.7
C
, http://www.100md.com
1910
女
8
16
10.25
8.27
9.36
0.54
5.8
D
1922
女
7
, http://www.100md.com 14
10.60
8.95
9.84
0.52
5.3
E
1942
男
26
52
9.83
7.19
, 百拇医药 8.77
0.55
6.3
注：括号中的数字表示的是当取消给出异常低信号的两个牙釉质样品后的统计结果 表2 哺乳动物和人牙釉质ESR信号对剂量
的回归系数数值(
±s) 种属
个体数(n)
截距A
斜率B
1 驯鹿
, 百拇医药
6
22.31±9.09
0.63±0.02
2 驼鹿
4
16.61±8.72
0.70±0.02
3 欧洲野牛
6
"6.11±3.75
0.62±0.01
4 北极熊
, http://www.100md.com
6
12.52±4.86
0.71±0.01
5 人
6
"0.83±9.20
0.72±0.06
注：n为文中给出动物和人的数量，从每个个体上取3个牙釉质样品 从表2可以看到，在不同种属和人之间在回归系数方面经s检验差异没有显著性。这说明牙釉质的辐射敏感性(剂量高到10.08 Gy)在种属间差异没有显著性。俄罗斯科学家认为，釉质样品中牙釉质下牙本质的存在能影响ESR信号强度，因为二者的辐射敏感性差别很大。另外，当利用俄罗斯不同地区居民牙釉质样品研究辐射敏感性时，也没有发现差异有显著性，相对误差未超过20%～30%[9]。
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二、在牙釉质ESR剂量测定中样品制备产生的误差
在样品制备过程中，由于机械作用产生一些ESR信号，这些信号影响辐射敏感信号的测量[10]。如果采用研钵和乳钵杵来破碎牙釉质，这种较缓和的样品制备方法可以减小甚至防止 g=2.0020的信号的产生，在这种情况下能产生 g=2.0038的小信号。Polyakov等指出，受到90Sr β射线照射后，g=2.0038的信号强度有所增强。他们的结果表明，用尺寸较小的牙釉质颗粒可能导致剂量的高估，相反用较大釉质颗粒可能引起剂量的低估[11]，颗粒尺寸大小近似为0.2 mm时，这种影响消失。E.H.Haskell等利用γ射线对牙釉质进行照射，进一步探讨有关牙釉质机械操作和颗粒大小的影响问题，并研究了釉质破碎前和破碎后施加γ射线照射对ESR信号的影响[12]。首先对一个杯状整个牙釉质样品用5.6 Gy γ射线进行照射，吸收剂量率为0.22 Gy/min，然后将该杯状牙釉质样品一分为二，一半为C，另一半为H。对C用研钵和乳钵杵进行破碎，经筛选，使釉质颗粒大小为大于250 μm(118.47 mg)、106～250 μm(42.21 mg)和小于75μm(29.03 mg)，并对这3部分进行ESR测量。把这3部分样品混合在一起，对其施加第2次60Co照射，其剂量和剂量率与第1次相同。再将样品按大于250 μm、106～250 μm和小于75 μm，并对这3部分进行ESR测量。结果示于图1。对另一半H的处理与C不同，将杯状釉质样品一分为二后，对H进行第2次照射，剂量与剂量率与第1次相同。然后将该样品研碎，经筛选分为大于250、106～250和小于75 μm的3部分，每部分的质量分别为103.56 mg、65.17 mg、52.54 mg。然后对每一部分样品进行ESR测量，实验结果示于图2。
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从图1可以看到，羟基磷灰石的辐射敏感性随其颗粒的减小而降低。图2中剂量为5.6 Gy时的数据点与图1相同，该图说明，研碎前对整个杯状釉质的照射没有影响羟基磷灰石剂量响应曲线的斜率。为了准确计算剂量，釉质颗粒的最佳大小约为200～500 μm。目前羟基磷灰石的辐射敏感性与颗粒大小有关这种现象的可能的解释是釉质颗粒表面与体积的比值及摇实密度(packing density)(样品质量/样品体积)均可能影响其辐射敏感性。
图1 研碎后照射样品的剂量响应关系
图2 研碎前照射样品的剂量响应关系
三、附加照射的次数及剂量
基于附加照射(additional irradiation)方法的ESR剂量测定技术广泛用于回顾性剂量重建，这种方法一般是在可控制的实验室条件下给予5～7次γ射线附加照射，然后对每一个剂量水平进行ESR测量，以对每一个样品建立单独的剂量刻度曲线[13]，在本方法中初始受照剂量可根据所得的刻度曲线(一般指用最小二乘法所获得的直线)与横轴的交点来确定。如上所述，假定ESR信号强度I与照射剂量D为直线相关，则有I=a+bD，式中，a为附加照射的剂量为0时ESR信号强度值；b为单位剂量情况下ESR信号增加值。I为0时的当量剂量(equivalent dose,γ射线)；D则由a/b的绝对值给出[3]。在用附加照射方法对牙釉质样品进行剂量估算时的总不确定度主要来自于两个方面，即ESR信号测量和所施加的附加剂量的误差，辐射诱发的ESR信号强度的不确定度由两个因素产生，其一为重复测量产生的统计误差，该误差一般不超过辐射诱发信号强度的10%，第二个也是起主要作用的因素是未受控制的杂质在辐射诱发的信号区对ESR信号的贡献[14]。根据关于牙釉质ESR剂量测定技术第一次国际比对数据(在未分发给各参加比对的实验室之前，对牙样品给予100 mGy的照射)[15]，利用各种不同情况下(不同附加照射次数，或不同剂量增量)剂量估算模式分析了附加照射的最优化问题。结果指出，附加照射的次数和每次照射的剂量增量大小均影响剂量估算结果的误差，结果见图3、4。
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图3 剂量估算的相对误差与附加照射次数的关系
图4 剂量估算的相对误差与实验室附加
照射剂量增量的关系
剂量增量用相对单位ΔD/Dx表示，Dx=100 mGy[14]
图3指出，从尽量降低剂量估算总不确定度的角度来看，附加照射的最佳次数为4～6次。图4说明，剂量增量大小的选择应尽量接近所估计的剂量。对附加照射方法实行最优化可以明显降低用ESR方法进行剂量估算的总不确定度，当未知剂量在100 mGy的情况下，剂量估计的相对误差可达到35%～40%。
四、两种估算方法的比较
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利用牙釉质作为回顾性ESR剂量测定的探测材料，一般用两种方法进行剂量估算，一种方法是，用ESR技术测量不同已知剂量下探测材料中(如不同部位牙或不同个体提供的牙)辐射诱发的自旋浓度，然后通过对数据的拟合得到线性剂量响应关系。若测得某一受照者牙釉质中自旋浓度，利用线性剂量响应关系即可估算该牙齿所受剂量。文献[16]给出了根据25个中国成人(16个男性，9个女性)供牙者所得的剂量响应曲线。对于第2种方法，即附加照射法，则要对颗粒状釉质施加多次附加照射，并对照后釉质样品进行ESR测量，以建立该个体牙样品自旋浓度对附加剂量的剂量响应曲线，然后将该曲线线性外推，其与X轴的交点(绝对值)即是所要估算的牙齿所受的剂量。在应用这两种方法时，辐射诱发CO-2自旋浓度Ct可根据ESR图谱利用下式计算：
式中，Δppst和Cst分别为参考信号的峰高和自旋浓度；Δppt为CO-2峰高；ζ为牙样品的重量；N为扫描次数。
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S.Egersdoerfer等用1.1 Gy和100 mGy X射线分别照射12和5个磨牙，然后用上述两种ESR剂量测定方法估算牙齿所受剂量，以比较两种方法的相对误差[17]。为了确定ESR测定的精度，对1个受到1.1 Gy照射的牙样在微波功率为2 mW的同一条件下测量10次，每次测量后根据直接从ESR谱得出的峰高用公式计算辐射诱发自旋浓度，根据10次测量结果所计算自旋浓度的相对误差为6%。为研究不同牙齿中Ct的变化，对于受到1.1 Gy照射的12颗磨牙根据直接从2 mW图谱得到的峰高用公式计算了自旋浓度。不同样品导致的相对误差为10%，这便是用剂量响应曲线估算剂量时产生的相对误差。为了研究不同牙齿在用附加照射法估算剂量时带来的误差，又对碎成颗粒状磨牙样品给予4次附加剂量，每次1.1 Gy。峰高直接取自126 mW时的ESR图谱。这种情况下剂量重建的相对误差为15%。由此不难看出，在高于1 Gy的情况下，用剂量响应曲线估算剂量可能比用附加照射的方法为好。
在较低剂量的情况下，本底信号强度与辐射产生的CO-2信号强度相当，即使在微波功率为126 mW时进行测量亦是如此，这时峰高的直接测量已非常困难。对于受到100 mGy照射的5颗磨牙来说，附加照射的剂量低于200 mGy时，都很难确定辐射诱发CO-2的信号。因此，在低剂量情况下需要采用较复杂的波谱相减法和拟合法等来确定峰高。Egersdoerfer的结果指出，剂量范围在大于100 mGy，小于1 Gy的情况下，剂量估计的相对误差在15%左右。他们的结论是，牙齿所受剂量低到100 mGy时，用附加照射法所估计剂量的相对误差在15%左右是可能的；当所受剂量大于1 Gy时，用剂量响应曲线进行剂量重建可能比用各个牙的刻度曲线(即附加照射法)要准确。
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综上所述，当估计受照剂量在1 Gy以上时，则用剂量响应曲线估计剂量，但要注意所测样品制样条件(包括颗粒大小)应尽量与绘制剂量响应曲线的条件相一致。若实测样品颗粒尺寸大于绘制剂量响应曲线时的颗粒，则可能高估剂量，反之低估牙齿所受剂量。当所受剂量可能低于1 Gy时，最好采用附加照射方法，其附加照射的次数以4～6次为好，每次附加照射的剂量增量最好与所估计的剂量相当，这样估算结果的相对误差较小。实际上要确定的剂量是一个未知数，因此可在考虑颗粒大小对估算结果影响的前提下，结合使用两种剂量估算方法。先将杯状釉质碎成200～500 μm的颗粒，利用合适的剂量响应曲线粗估剂量。根据上面的讨论，若所得结果低于1 Gy，则用附加照射法；若高于1 Gy，则用剂量响应曲线估计剂量。
作为一个剂量重建手段，人牙釉质的ESR测量越来越引起重视。该方法除具有较好的剂量响应关系外，明显的长处在于不仅辐射产生的自由基存在时间很长，如最稳定的CO-2的寿命在25℃下为107年，而且测量是非破坏性的，这样既可进行重复测量，又可长期保存牙样品中的信息[18]。这对准确可靠地估计剂量极为有益。
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本文作者只简单讨论了剂量估算中的几个问题，实际上，在样品制备及ESR测量过程中，有许多因素会影响测量结果；另外，如射线种类和能量会影响剂量响应曲线的斜率。因此在进行剂量估算时应考虑这些影响因素，以降低估算结果的误差。■
参考文献
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[16]周永增，王嘉栋，贾晓梅，等.人牙釉质中自由基含量与照射剂量的关系.辐射防护，1999，19：102-107.
[17]Egerstoerfer S, Wiesser A, Mueller A. Tooth enamel as a detector material for retrospective EPR dosimetry. Appl Radiat Isot,1996,47(11/12):1299-1303.
[18]Romanyukha AA, Regulla DF. Aspects of retrospective ESR dosimetry. Appl Radiat Isot,1996,47(11/12):1293-1297.
收稿日期:1999-06-10, http://www.100md.com
单位：太原，中国辐射防护研究院 030006
关键词：
中华放射医学与防护杂志000108 电子自旋共振(ESR)于1944年由原苏联喀山大学Zavoisky.E博士发现以来，作为一项技术，在物理、化学、生物学及地质学等领域的应用得到了迅速的发展[1]。尤其是近十几年间，ESR剂量测定及其应用的国际讨论会已举行了5届。第1、3届分别于1985年和1991年在日本的Ube和美国华盛顿召开，2、4届则于1988和1995年均在德国慕尼黑召开。会议讨论内容涉及到考古学和地质年代测定、丙氨酸剂量测定、ESR仪器和方法、事故和回顾剂量测定、辐照食物鉴定及ESR图像等。第5届会议按计划于1998年在莫斯科召开，主要议题是生物剂量学。在事故和回顾性剂量测定中，多用人牙齿、骨骼、指甲和头发等生物材料作为生物剂量计来估算受照射个人的剂量。当前国际上公认的较成熟的生物剂量计仍是对人外周血淋巴细胞染色体畸变分析。对于全身急性照射来说，利用染色体畸变分析技术可以可靠地估计约100 mGy的照射剂量。但是随着照射后时间的延长，外周血中含有非稳定性畸变的细胞数不断减少，这样，利用非稳定性畸变估算剂量就将产生一定的误差。利用基于稳定性畸变(主要是易位)的荧光原位杂交(FISH)技术能减小剂量估算的不确定度。另一个国际公认的生物剂量计则是人牙、骨等生物材料的电子自旋共振技术，在事故和回顾性剂量测定中常采用ESR技术估算受照射者的剂量。下面根据文献资料就ESR剂量测定中的几个实际问题进行介绍和讨论。
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一、人牙釉质的辐射敏感性差异
80年代以来，牙齿ESR剂量测定技术广泛用于日本原爆幸存者、受切尔诺贝利核电站事故影响的居民以及俄罗斯南乌拉尔“玛牙克”核设施工作人员的剂量估算[2-6]。在一般的牙齿ESR剂量测定中，为了对样品的辐射敏感性进行修正，在对应估计其所受剂量的样品进行初始ESR测量后用已知剂量γ射线对牙釉质样品进行附加照射。如果一个人的不同牙齿和不同人的牙齿在辐射敏感性方面相当一致的话，就可以不用“附加”照射的方法。
日本科学家Iwasaki及其同事用5个供牙者(A-E)的72颗恒牙进行了辐射敏感性研究[7]。将每1颗牙分为朝面部和朝舌部的两部分，共得144个样品。牙釉质样品被破碎成尺寸大小为0.5～1.4 mm的颗粒，然后对其进行ESR测量，以证明其本底信号是正常的。用60Co γ射线对每个牙釉质样品进行照射，其照射剂量为1.29×10-1 C.kg-1(500 R)，然后称重，再进行ESR测量。结果见表1。另外，还对4个样品中的每一个样品进行10次测量，以观察ESR重复测量的稳定性。他们的研究结果指出，对1个牙釉质样品进行多次ESR信号测量所得的变异系数为3%～4%，而对每一个供牙个体的所有牙釉质样品的变异系数小于10%(若除去两个异常样品，则该值为5.3%～9.7%)。这说明，在一个供牙个体的不同牙之间存在某些差别。然而，在5个供牙个体中，每个供牙者所有牙样品的平均值变动在8.77～9.84 mg-1。就平均值而言，牙釉质的辐射敏感性在各个体间差异没有显著性。这事实说明，至少在这5个供牙个体间在ESR剂量测定中牙齿的辐射敏感性是相当一致的。如果该研究结果可用于任何个体的话，那么对这一剂量水平的剂量估算可不用附加照射法，而用实验求得的牙釉质剂量响应曲线估算，其相对误差约在±(20～30)%。
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俄罗斯科学家研究了食肉动物(北极熊)、有蹄动物(驯鹿、欧洲野牛和驼鹿)及人牙釉质的辐射敏感性。用0.48、0.96、1.44、1.92、2.4和10.08 Gy 60Co γ射线对上述哺乳动物和人牙釉质样品进行照射，测量釉质样品中ESR信号强度，并对不同种属动物和人的实验数据作直线回归(Y=A+BX)，所得结果见表2[8]。
表1 供牙者A-E牙釉质辐射敏感性的实验结果(相对值) 供牙者
出生年
性别
拔牙数量
釉质样
品数
最大值
, 百拇医药
最小值
平均值
标准差
变异系数
(%)
A
1907
男
22(21)
44(42)
10.22(10.22)
4.71(7.81)
8.84(9.01)
, 百拇医药
1.01(0.62)
11.4(6.9)
B
1906
男
9
18
10.19
6.55
8.89
0.86
9.7
C
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1910
女
8
16
10.25
8.27
9.36
0.54
5.8
D
1922
女
7
, http://www.100md.com 14
10.60
8.95
9.84
0.52
5.3
E
1942
男
26
52
9.83
7.19
, 百拇医药 8.77
0.55
6.3
注：括号中的数字表示的是当取消给出异常低信号的两个牙釉质样品后的统计结果 表2 哺乳动物和人牙釉质ESR信号对剂量
的回归系数数值(
±s) 种属个体数(n)
截距A
斜率B
1 驯鹿
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6
22.31±9.09
0.63±0.02
2 驼鹿
4
16.61±8.72
0.70±0.02
3 欧洲野牛
6
"6.11±3.75
0.62±0.01
4 北极熊
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6
12.52±4.86
0.71±0.01
5 人
6
"0.83±9.20
0.72±0.06
注：n为文中给出动物和人的数量，从每个个体上取3个牙釉质样品 从表2可以看到，在不同种属和人之间在回归系数方面经s检验差异没有显著性。这说明牙釉质的辐射敏感性(剂量高到10.08 Gy)在种属间差异没有显著性。俄罗斯科学家认为，釉质样品中牙釉质下牙本质的存在能影响ESR信号强度，因为二者的辐射敏感性差别很大。另外，当利用俄罗斯不同地区居民牙釉质样品研究辐射敏感性时，也没有发现差异有显著性，相对误差未超过20%～30%[9]。
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二、在牙釉质ESR剂量测定中样品制备产生的误差
在样品制备过程中，由于机械作用产生一些ESR信号，这些信号影响辐射敏感信号的测量[10]。如果采用研钵和乳钵杵来破碎牙釉质，这种较缓和的样品制备方法可以减小甚至防止 g=2.0020的信号的产生，在这种情况下能产生 g=2.0038的小信号。Polyakov等指出，受到90Sr β射线照射后，g=2.0038的信号强度有所增强。他们的结果表明，用尺寸较小的牙釉质颗粒可能导致剂量的高估，相反用较大釉质颗粒可能引起剂量的低估[11]，颗粒尺寸大小近似为0.2 mm时，这种影响消失。E.H.Haskell等利用γ射线对牙釉质进行照射，进一步探讨有关牙釉质机械操作和颗粒大小的影响问题，并研究了釉质破碎前和破碎后施加γ射线照射对ESR信号的影响[12]。首先对一个杯状整个牙釉质样品用5.6 Gy γ射线进行照射，吸收剂量率为0.22 Gy/min，然后将该杯状牙釉质样品一分为二，一半为C，另一半为H。对C用研钵和乳钵杵进行破碎，经筛选，使釉质颗粒大小为大于250 μm(118.47 mg)、106～250 μm(42.21 mg)和小于75μm(29.03 mg)，并对这3部分进行ESR测量。把这3部分样品混合在一起，对其施加第2次60Co照射，其剂量和剂量率与第1次相同。再将样品按大于250 μm、106～250 μm和小于75 μm，并对这3部分进行ESR测量。结果示于图1。对另一半H的处理与C不同，将杯状釉质样品一分为二后，对H进行第2次照射，剂量与剂量率与第1次相同。然后将该样品研碎，经筛选分为大于250、106～250和小于75 μm的3部分，每部分的质量分别为103.56 mg、65.17 mg、52.54 mg。然后对每一部分样品进行ESR测量，实验结果示于图2。
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从图1可以看到，羟基磷灰石的辐射敏感性随其颗粒的减小而降低。图2中剂量为5.6 Gy时的数据点与图1相同，该图说明，研碎前对整个杯状釉质的照射没有影响羟基磷灰石剂量响应曲线的斜率。为了准确计算剂量，釉质颗粒的最佳大小约为200～500 μm。目前羟基磷灰石的辐射敏感性与颗粒大小有关这种现象的可能的解释是釉质颗粒表面与体积的比值及摇实密度(packing density)(样品质量/样品体积)均可能影响其辐射敏感性。
图1 研碎后照射样品的剂量响应关系
图2 研碎前照射样品的剂量响应关系
三、附加照射的次数及剂量
基于附加照射(additional irradiation)方法的ESR剂量测定技术广泛用于回顾性剂量重建，这种方法一般是在可控制的实验室条件下给予5～7次γ射线附加照射，然后对每一个剂量水平进行ESR测量，以对每一个样品建立单独的剂量刻度曲线[13]，在本方法中初始受照剂量可根据所得的刻度曲线(一般指用最小二乘法所获得的直线)与横轴的交点来确定。如上所述，假定ESR信号强度I与照射剂量D为直线相关，则有I=a+bD，式中，a为附加照射的剂量为0时ESR信号强度值；b为单位剂量情况下ESR信号增加值。I为0时的当量剂量(equivalent dose,γ射线)；D则由a/b的绝对值给出[3]。在用附加照射方法对牙釉质样品进行剂量估算时的总不确定度主要来自于两个方面，即ESR信号测量和所施加的附加剂量的误差，辐射诱发的ESR信号强度的不确定度由两个因素产生，其一为重复测量产生的统计误差，该误差一般不超过辐射诱发信号强度的10%，第二个也是起主要作用的因素是未受控制的杂质在辐射诱发的信号区对ESR信号的贡献[14]。根据关于牙釉质ESR剂量测定技术第一次国际比对数据(在未分发给各参加比对的实验室之前，对牙样品给予100 mGy的照射)[15]，利用各种不同情况下(不同附加照射次数，或不同剂量增量)剂量估算模式分析了附加照射的最优化问题。结果指出，附加照射的次数和每次照射的剂量增量大小均影响剂量估算结果的误差，结果见图3、4。
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图3 剂量估算的相对误差与附加照射次数的关系
图4 剂量估算的相对误差与实验室附加
照射剂量增量的关系
剂量增量用相对单位ΔD/Dx表示，Dx=100 mGy[14]
图3指出，从尽量降低剂量估算总不确定度的角度来看，附加照射的最佳次数为4～6次。图4说明，剂量增量大小的选择应尽量接近所估计的剂量。对附加照射方法实行最优化可以明显降低用ESR方法进行剂量估算的总不确定度，当未知剂量在100 mGy的情况下，剂量估计的相对误差可达到35%～40%。
四、两种估算方法的比较
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利用牙釉质作为回顾性ESR剂量测定的探测材料，一般用两种方法进行剂量估算，一种方法是，用ESR技术测量不同已知剂量下探测材料中(如不同部位牙或不同个体提供的牙)辐射诱发的自旋浓度，然后通过对数据的拟合得到线性剂量响应关系。若测得某一受照者牙釉质中自旋浓度，利用线性剂量响应关系即可估算该牙齿所受剂量。文献[16]给出了根据25个中国成人(16个男性，9个女性)供牙者所得的剂量响应曲线。对于第2种方法，即附加照射法，则要对颗粒状釉质施加多次附加照射，并对照后釉质样品进行ESR测量，以建立该个体牙样品自旋浓度对附加剂量的剂量响应曲线，然后将该曲线线性外推，其与X轴的交点(绝对值)即是所要估算的牙齿所受的剂量。在应用这两种方法时，辐射诱发CO-2自旋浓度Ct可根据ESR图谱利用下式计算：
式中，Δppst和Cst分别为参考信号的峰高和自旋浓度；Δppt为CO-2峰高；ζ为牙样品的重量；N为扫描次数。
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S.Egersdoerfer等用1.1 Gy和100 mGy X射线分别照射12和5个磨牙，然后用上述两种ESR剂量测定方法估算牙齿所受剂量，以比较两种方法的相对误差[17]。为了确定ESR测定的精度，对1个受到1.1 Gy照射的牙样在微波功率为2 mW的同一条件下测量10次，每次测量后根据直接从ESR谱得出的峰高用公式计算辐射诱发自旋浓度，根据10次测量结果所计算自旋浓度的相对误差为6%。为研究不同牙齿中Ct的变化，对于受到1.1 Gy照射的12颗磨牙根据直接从2 mW图谱得到的峰高用公式计算了自旋浓度。不同样品导致的相对误差为10%，这便是用剂量响应曲线估算剂量时产生的相对误差。为了研究不同牙齿在用附加照射法估算剂量时带来的误差，又对碎成颗粒状磨牙样品给予4次附加剂量，每次1.1 Gy。峰高直接取自126 mW时的ESR图谱。这种情况下剂量重建的相对误差为15%。由此不难看出，在高于1 Gy的情况下，用剂量响应曲线估算剂量可能比用附加照射的方法为好。
在较低剂量的情况下，本底信号强度与辐射产生的CO-2信号强度相当，即使在微波功率为126 mW时进行测量亦是如此，这时峰高的直接测量已非常困难。对于受到100 mGy照射的5颗磨牙来说，附加照射的剂量低于200 mGy时，都很难确定辐射诱发CO-2的信号。因此，在低剂量情况下需要采用较复杂的波谱相减法和拟合法等来确定峰高。Egersdoerfer的结果指出，剂量范围在大于100 mGy，小于1 Gy的情况下，剂量估计的相对误差在15%左右。他们的结论是，牙齿所受剂量低到100 mGy时，用附加照射法所估计剂量的相对误差在15%左右是可能的；当所受剂量大于1 Gy时，用剂量响应曲线进行剂量重建可能比用各个牙的刻度曲线(即附加照射法)要准确。
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综上所述，当估计受照剂量在1 Gy以上时，则用剂量响应曲线估计剂量，但要注意所测样品制样条件(包括颗粒大小)应尽量与绘制剂量响应曲线的条件相一致。若实测样品颗粒尺寸大于绘制剂量响应曲线时的颗粒，则可能高估剂量，反之低估牙齿所受剂量。当所受剂量可能低于1 Gy时，最好采用附加照射方法，其附加照射的次数以4～6次为好，每次附加照射的剂量增量最好与所估计的剂量相当，这样估算结果的相对误差较小。实际上要确定的剂量是一个未知数，因此可在考虑颗粒大小对估算结果影响的前提下，结合使用两种剂量估算方法。先将杯状釉质碎成200～500 μm的颗粒，利用合适的剂量响应曲线粗估剂量。根据上面的讨论，若所得结果低于1 Gy，则用附加照射法；若高于1 Gy，则用剂量响应曲线估计剂量。
作为一个剂量重建手段，人牙釉质的ESR测量越来越引起重视。该方法除具有较好的剂量响应关系外，明显的长处在于不仅辐射产生的自由基存在时间很长，如最稳定的CO-2的寿命在25℃下为107年，而且测量是非破坏性的，这样既可进行重复测量，又可长期保存牙样品中的信息[18]。这对准确可靠地估计剂量极为有益。
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本文作者只简单讨论了剂量估算中的几个问题，实际上，在样品制备及ESR测量过程中，有许多因素会影响测量结果；另外，如射线种类和能量会影响剂量响应曲线的斜率。因此在进行剂量估算时应考虑这些影响因素，以降低估算结果的误差。■
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收稿日期:1999-06-10, http://www.100md.com