基于ICRP 141號報告的241Am吸入后滯留份額計算及新舊模型異同

陳倩蘭，駱志平，劉森林

(中國原子能科學研究院, 北京 102413)

對于放射工作人員，最常發生的放射性內照射是吸入導致。為了計算吸入導致的劑量，輻射防護中采用核素在人體轉移、吸收的生物動力學模型，最權威的內照射生物動力學模型在國際放射防護委員會(ICRP)報告中給出。ICRP生物動力學模型可分為呼吸道模型、系統模型(代表全身循環)、營養道模型(過去稱胃腸道模型)，隨著最近幾十年來各國輻射防護內照射方面的研究數據的積累，這些模型逐步修改調整，使模型預測值更接近實際內照射測量值。

為了計算吸入后的滯留份額及排泄份額，呼吸道模型(最新模型是ICRP 130、ICRP 141號報告的呼吸道模型[1-2])需結合系統模型(超鈾核素最新系統模型見ICRP 141號報告[2])、營養道模型(ICRP 100號報告[3])一起計算(本文簡稱這3個生物動力學模型為新模型)。在新模型之前，計算吸入后的滯留和排泄是基于ICRP 66號報告中的呼吸道模型(1994年)[4]、ICRP 70號報告系列(包括ICRP 67號報告)系統模型[5]、ICRP 30號報告胃腸道模型[6]進行的(本文簡稱這3個生物動力學模型為舊模型)。目前很多內照射軟件仍使用舊模型，舊模型是ICRP 78號報告[7]給出的內照射計算數據的依據，也是我國國標中內照射劑量轉換系數和內照射監測參考數據的依據。

考慮到依據舊模型的計算結果仍在大量使用，而這些模型的最新修訂會帶來富集器官的滯留份額變化，這個變化會導致內照射評價結果不同，因此新舊模型的異同對于內照射評價來說很重要。

吸入內照射中，錒系核素由于半衰期長、毒性大，一旦大量進入人體需要盡快處理并長期監測，因此本文以超鈾核素內照射非常關注的核素241Am為例進行計算，對新模型中影響較大的因素進行比較分析，給出新模型與舊模型的主要富集器官的滯留份額的異同，為當前超鈾核素內照射直接測量給出一些參考。

1 ICRP生物動力學模型簡介

1.1 ICRP呼吸道模型

由于吸入內照射的重要性和復雜性，ICRP呼吸道模型在近70年經過了多次改進。當前國標所依據的呼吸道模型來自1994年ICRP 66號報告發布的人類呼吸道模型(本文簡稱66號報告模型)。66號報告模型可以計算職業工作人員和公眾的攝入，計算容易發生癌癥的靶區域的劑量；計算氣溶膠沉積，特別是對亞微米范圍的沉積；可計算氣載物質吸入率；假定粒子輸運、吸收入血兩種清除途徑是競爭關系；假定每個過程清除速率隨時間變化且與滯留物質的量相關；給出粒子輸運過程參考值；根據人類和/或動物實驗數據的一些核素數據推知核素化合物的吸收入血速率，缺乏數據時可采用依據ICRP 30號報告分類的默認值。該模型考慮了吸入核素對整個呼吸道的照射，考慮了呼吸道不同位置對輻射的敏感性；考慮了這些組織受到的劑量和劑量率可能會隨著吸入物質物理性質和呼吸參數變化而有較大變化；模型可以根據生物樣品數據計算劑量；可以計算攝入限值，可以計算回顧性和前瞻性劑量[4]，而且還可應用于非放射性物質的沉積和廓清計算，因此它比起之前的呼吸道模型應用更為廣泛。

隨著近20年內照射長期測量數據的積累，實際測出的放射性核素在肺部的長期滯留份額會比呼吸道模型預測值更高，ICRP 130、141號報告對呼吸道模型做了修訂，本文簡稱141號報告呼吸道模型。ICRP 130號報告在ICRP 66號報告呼吸道模型基礎之上做的修訂包括：庫室的簡化、粒子輸運和吸收入血參數的修改、吸入粒子分類的修改[1]，新模型中呼吸道模型結構及計算原理見文獻[8]。2017年Puncher等人對吸入239Pu硝酸鹽的狗進行的長達15年的肺部滯留研究、對美國鈾和超鈾注冊機構(USTUR)的受照者0269(急性吸入239Pu硝酸鹽)的尸體解剖和生物樣品數據研究、對曾在Mayak 工廠工作的20個僅受钚硝酸鹽照射工人的內照射測量數據研究，均發現呼吸道中有一個長期滯留成分存在，采用肺部束縛態庫室能很好地解釋這一發現，而且他的研究估算出了fb、Sb的值[2]。根據Puncher等人的3個研究確定出钚的fb=0.002、Sb=0 d-1[2]，而且0269受照者的尸體解剖數據表明：束縛態庫室需要用在除ET1區以外的所有呼吸道區。研究人員再次分析了70、80、90年代文獻中吸入241Am的受照者、實驗動物數據，證明了镅也需要束縛態庫室，因此ICRP 141號報告的呼吸道模型中镅的束縛態參數直接參考钚在呼吸道模型中的束縛態參數，即fb=0.002，Sb=0 d-1。2019年底，關于超鈾核素，ICRP 141號報告對ICRP 130號報告的呼吸道模型除ET1庫室外的每個呼吸道庫室增加了肺部的束縛態庫室，讓肺部的滯留保留一個較穩定的小份額，目的是增加肺部的長期滯留份額。本文計算所用的呼吸道模型見ICRP 130號報告表A.2，镅的肺部吸收參數見ICRP 141號報告表23.5。

1.2 镅的系統模型

ICRP镅的系統生物動力學模型(本文簡稱系統模型)及參數根據錒系元素在哺乳動物中的監測數據以及人的可控研究或長期研究成果建立，歷次修改變化不大(ICRP 48、56、67、141號報告分別修訂)，主要是對模型結構及參數做了微調。對于镅、钚兩種元素，注射量的70%～90%早期會被肝臟、骨骼富集[2]，不過成年人以及大多數研究的實驗動物肝臟的攝入會比骨骼更高，兩種元素在人體系統行為的差異是镅初期的尿排泄速率更高，镅從肝臟的清除更快，二者在骨表面的沉積地點不同，可能這也導致兩種元素從骨骼清除的凈速率不同。

ICRP 141號報告給出的錒系元素的系統模型結構如圖1所示[2]，錒系元素在人體系統中的總體規律比鑭系更為不規則，因此報告中分別給出不同錒系核素的轉移速率常數，镅的轉移速率常數來自ICRP 141號報告表18.9。

圖1 ICRP 141號報告給出的錒系元素(Pu、U除外)的系統模型通用結構

這個通用的錒系元素系統模型將人體系統組織和體液分為五大部分[5]：血液、骨、肝、腎、其它軟組織。血液被當做均勻混合庫室，其它四大部分再細分為更小的庫室，從而模擬錒系元素(更廣泛來講，是親骨元素)的生物動力學數據。肝臟分為短、長期滯留庫室分別為肝1、肝2庫室。在肝1，放射性核素可轉移回到血液、可通過膽汁分泌到達腸、可轉移至肝2(從肝2中緩慢返回血液)。腎分為兩個庫室：腎1庫室(尿通道)在幾個小時或幾天內將放射性核素轉移到尿中；腎2庫室(其它腎組織)緩慢將放射性核素轉回到血液中。其它軟組織庫室(不包括骨髓)ST0、ST1、ST2，分別代表快速、中速、慢速與血液交換的其他軟組織庫室。

相對于國標依據的ICRP 67號報告(1993年)的系統模型，ICRP 141號報告在其基礎上稍作修改。關于镅、鋦所做的修改如下[2]：

(1)為了與錒系其他元素的系統模型一致，镅模型中的肝臟按運轉速率快、慢分為兩個庫室：肝1(半排期30 d)、肝2(半排期1 a)；

(2)性腺的半排期從10 a減到5 a，作為默認值用于錒系、鑭系元素生物動力學模型的計算；

(3)內照射測量數據表明，ICRP 67號報告高估了241Am的系統排泄速率(采用骨中含量的份額計算的系統排泄速率)，解決辦法是將镅從皮質骨的吸收做一個局部循環，因此對骨表模型做了修改：通常模型放射性核素從骨中清除認為是轉移到骨髓、再從骨髓進入血液，對于镅、鋦，假設進入皮質骨骨髓的一部分(F份額)轉移到皮質骨骨表(局部循環)，剩余的1-F進入血液。皮質骨骨髓的半排期仍然保持默認值0.25 a。為了與文獻給出的241Am在骨骼和尿中的數據保持一致(考慮文獻數據的不確定性)，局部循環份額F=2/3。

1.3 營養道模型

ICRP 100號報告中營養道模型的庫室結構分為：口腔、食道、胃、小腸、右部結腸、左部結腸、乙狀結腸直腸七個庫室[3]。其中右部結腸庫室是指解剖區中稱為升結腸、盲腸、橫結腸靠右部的那一半區域；左部結腸庫室是指解剖區中稱為降結腸、橫結腸靠左部的那一半區域；乙狀結腸直腸庫室是指結腸和直腸。為了表示庫室的滯留成分，又細分出其壁(口腔庫室細分出口腔黏膜、牙齒)子庫室。

營養道模型比起舊模型的胃腸道模型有了較大改變，考慮了消化吸收更全面的營養道解剖學區域而不僅僅關注胃腸道，不僅可以計算工作人員營養道受到的劑量，還可以計算公眾和兒童營養道受到的劑量。該模型考慮了放射性核素在營養道的吸收及滯留的位置，營養道吸收核素后的排泄途徑，每個區(口腔、食道、胃、小腸、結腸)各自敏感細胞受到的劑量，內腔、滯留及轉移至血液的核素造成的劑量。營養道模型解決了胃腸道模型的一些問題，允許口腔、胃、結腸、小腸中發生吸收。但由于吸收位置的數據有限，因此大多數情況仍然假定吸收發生在小腸。營養道模型結構見ICRP 100號報告圖5.1，計算依據的轉移速率常數見ICRP 100號報告表6.6。

2 滯留、排泄份額計算程序設計

本文基于超鈾核素的新模型建立人體各個庫室的一階微分方程組，肺部初始沉積量作為初值[1]，求解S、M、F類241Am氣溶膠吸入后在工作參考人(呼吸速率平均1.2 m3/h)體內各個庫室的特定時間點的份額，采用Matlab 7.0以及其中的Simulink模塊求解基于新、舊模型的一階微分方程組，方程組求解方法為四階五階Runge-Kutta算法(ode45)變步長法，相對誤差采用1×10-3。筆者采用ode45方法相對誤差1×10-6計算對比，與相對誤差1×10-3時計算值一致(均保留兩位有效數字)。為了防止剛性方程問題，對于方程組求解方法筆者還采用了求解剛性微分方程的自由內插法的梯形法(ode23 t)計算對比(相對誤差采用1×10-3)，ode23 t方法與ode45方法計算結果一致(均保留兩位有效數字)。對基于新模型的自編程序計算結果的正確性檢驗，對比的權威數據為ICRP 141號報告給出的OIR_Data_Viewer中的數據，驗證結果一致；對基于舊模型的自編程序計算結果的正確性檢驗，對比的權威數據為IMBA軟件(2007年版)給出的數據及ICRP 78號報告中的數據，驗證結果一致。

Matlab 7.0 是MathWorks 公司的商用化專業數學軟件，具有強大的計算分析能力，該軟件的數值法求解一階微分方程組方便高效。Matlab 7.0中Simulink模塊能將方程求解的設計以及計算的結果可視化展示，而且相比純編程方法更容易看到整個生物動力學方程組的結構、參數，便于修改、記錄和檢驗，設計出的數學模型如圖2、圖3所示。

注：圖中庫室模型字母見ICRP 100號報告圖5.1所指的營養道模型庫室簡寫。

注：圖中庫室模型字母簡寫見ICRP 100號報告圖5.1所指的營養道模型庫簡寫，rp指核素的核衰變數，r2(8)指Left colon-C庫室到Rectosigmoid-C庫室的轉移速率常數。

3 計算結果比較

驗證自編計算程序正確后，基于新模型進行了不同庫室、不同吸收類型、不同粒徑的富集器官滯留份額分析比較；另外對新、舊模型計算結果進行了比較分析。

3.1 新模型計算結果比較

(1)不同庫室份額的對比

以工作參考人(平均呼吸速率1.2 m3/h)吸入活度中值空氣動力學直徑(AMAD) 5 μm镅為例，采用新模型程序的計算結果，繪制出單位攝入量下各個關注庫室中镅的份額隨時間變化圖，見圖4～6。由圖可見，S類镅氣溶膠吸入后，1 000天以后主要滯留在肺部、骨骼；F類镅主要富集在骨骼、肝臟，因為F類核素從肺部快速吸收入血，從血液轉移到富集器官；M類镅在肺部、骨骼、肝臟中均有相當的滯留份額(300天內)。因此對于不同吸收類型，內照射直接測量的重點應有所針對性。

圖4 吸入S類241Am氣溶膠后新模型計算的庫室間對比

(2)不同吸收入血類型的影響

以工作參考人(平均呼吸速率1.2 m3/h)吸入AMAD5 μm镅為例，比較了不同吸收入血類型的滯留份額隨時間的變化曲線，見圖7～9。對比可見S、M、F吸收入血類型在肺、骨骼、肝臟中滯留份額差異顯著，因此內照射評價中，調查確定吸入核素的吸收入血類型非常重要。

(3)不同AMAD的影響

圖5 吸入M類241Am氣溶膠后新模型計算的庫室間對比

圖6 吸入F類241Am氣溶膠后新模型計算的庫室間對比

圖7 吸入不同類型241Am氣溶膠后肺部滯留份額對比(新模型)

圖8 吸入不同類型241Am氣溶膠后肝臟滯留份額對比(新模型)

圖9 吸入不同類型241Am氣溶膠后骨骼滯留份額對比(新模型)

圖10 吸入不同AMAD粒徑241Am的肺部滯留份額的差異(M類)

圖11 吸入不同AMAD粒徑241Am的骨骼滯留份額的差異(M類)

隨著氣溶膠測量技術在內照射場所的應用，現場氣溶膠粒徑及分布已能進行測量。為了比較氣溶膠粒徑對吸入后的主要富集器官滯留份額的影響，以參考工作人(呼吸速率平均1.2 m3/h)吸入241Am為例，比較AMAD粒徑0.001～10 μm范圍內8個不同典型粒徑的滯留份額隨時間的變化曲線，見圖10、11和12。由圖10～12可見，除了AMAD10、0.001 μm的滯留份額很小外，其他6個AMAD粒徑帶來差異非常顯著，這是因為AMAD粒徑的大小影響肺部各個庫室的初始沉積，從而影響肺部的吸收入血，因此粒子吸收入血后進入富集器官的份額也受到較大影響。為了進一步定量比較粒徑對滯留份額的影響，本文以工作參考人吸入M類241Am為例，將內照射場所比較關注的幾種AMAD粒徑(3、1、0.5、0.1 μm)的肺部、骨骼、肝臟滯留份額與AMAD5 μm的值進行對比，結果列于表1。對比發現粒徑對滯留份額的影響顯著，滯留份額隨粒徑變小而增大，同種粒徑下肺部、骨骼、肝臟各個時間點的滯留份額相對值非常接近。由于所關注的AMAD粒徑為0.01～5 μm范圍內，粒徑對吸入后的滯留份額影響顯著，條件允許情況下，有必要調查受照者吸入镅氣溶膠的粒徑分布。

3.2 新舊模型比較

由于當前國標仍然采用舊模型的內照射數據，隨著近年來ICRP對三種生物動力學模型的修改，新舊模型的異同對于當前內照射評價來說是非常重要的。因此本文以工作人員(平均呼吸速率1.2 m3/h)吸入AMAD5 μm镅氣溶膠后的滯留份額為例，按照不同吸收入血類型進行新、舊模型的定量比較，比較結果列于表2～4。

表1 不同AMAD粒徑相對AMAD 5 μm的滯留份額相對值(新模型， M類241Am)1)

表2 新舊模型計算的S類241Am吸入后滯留份額對比

3.2.1S類镅氣溶膠吸入后新舊模型對比

由表2可見，工作參考人吸入S類AMAD5 μm的241Am氣溶膠后，中長期(1 000天及以上)的肺部滯留份額，新模型計算值顯著高于舊模型，一萬天時高出6倍多；中長期(1 000天及以上)的骨骼、肝臟滯留份額，隨著時間推移，新模型計算值比舊模型越來越高。短期(1 000天以內)的肺部、骨骼、肝臟計算值新舊模型差異不大。

3.2.2M類镅氣溶膠吸入后新舊模型對比

表3 新舊模型計算的M類241Am吸入后滯留份額對比

表4 新舊模型計算的F類241Am吸入后滯留份額對比

圖12 吸入不同AMAD粒徑241Am的肝臟滯留份額的差異(M類)

由表3可見，對于工作參考人吸入M類AMAD5 μm的241Am氣溶膠后：中長期(1 000天及以上)的肺部滯留份額新模型顯著高于舊模型，且差異巨大；骨骼、肝臟滯留份額新模型計算值明顯低于舊模型，這是因為新模型由肺進入血液的镅更少導致。短期(1 000天以內)的肺部滯留計算值差異不大。

3.2.3F類镅氣溶膠吸入后新舊模型對比

由表4可見，對于吸入F類AMAD5 μm的241Am氣溶膠的工作參考人的計算，肺部滯留份額新模型比舊模型顯著高，新模型肺部各個時期都保留有很小份額，這個份額從30天開始很穩定，而舊模型從第一天開始肺部镅就接近0；骨骼、肝臟滯留份額，新模型計算值比舊模型更低，這是因為新模型肺部滯留份額更多，從肺部進入血液的镅更少，導致從血液進入骨骼、肝臟的镅更少。

4 結論

與權威數據對比后，證明了基于新、舊模型的自編程序正確。以工作參考人(呼吸速率平均1.2 m3/h)吸入AMAD5 μm241Am氣溶膠為例，采用新模型計算分析了所關注庫室的滯留份額隨時間的變化曲線，曲線對比發現：對于S類镅氣溶膠吸入，1 000天以后主要滯留在肺部、骨骼；F類镅主要富集在骨骼、肝臟器官中，因為F類核素從肺部快速吸收入血，從血液轉移到富集器官；M類镅在肺部、骨骼、肝臟中均有相當的滯留份額(300天內)。因此對于不同吸收類型，內照射直接測量的重點應有所針對性。另外對影響滯留份額的參數不同取值分析后發現：(1)不同吸收入血類型、不同AMAD粒徑對肺、骨骼、肝臟滯留份額影響顯著，內照射評價時需要對吸入粒子的吸收入血類型和AMAD粒徑進行調查；(2)特定AMAD粒徑的滯留份額相對AMAD5 μm的相應滯留份額的相對值比較固定。

以工作參考人吸入不同吸收類型的AMAD5 μm的241Am氣溶膠為例，根據新、舊模型的自編程序計算結果對比，發現了新、舊模型計算值的異同：

(1)對于肺部滯留份額，S類、M類镅氣溶膠吸入后肺部滯留在短期(1 000天以內)接近，中長期(1 000天以上)新模型顯著更高(高數倍及更大)，肺部長期滯留M類比S類新、舊模型差異更大；對F類镅從第一天開始新、舊模型計算的肺部滯留份額差異巨大，新模型認為F類镅在肺部一直保留較小份額而舊模型認為肺部滯留很快接近0。

(2)對于骨骼、肝臟滯留份額，S類镅氣溶膠吸入后，中長期計算值新模型顯著高于舊模型，短期計算值新舊模型相近。對于M、F類镅，新模型計算的骨骼、肝臟滯留份額明顯低于舊模型，且F類镅新、舊模型差異比M類镅更顯著。

由于相比舊模型，新模型中的呼吸道模型增大了肺部的長期滯留，吸收入血參數做了修改，新模型中的镅的系統模型的骨骼的長期沉積也做了調整，導致了上述新舊模型滯留份額預測值在一些時間段特別是中長期的差異較大。因此對基于直接測量的放射工作人員吸入镅后的內照射評價的建議是：針對新舊模型滯留份額差異較大的情況，采用新模型滯留份額預測值更符合內照射監測數據的最新研究成果。