综述：痕量放射性核素活体计数实验（TRACE）：颅骨中210Pb的测量

《Radiation Medicine and Protection》：Trace-level radionuclides in vivo counting experiment (TRACE): 210Pb measurement in the skull

　　

慢性低剂量电离辐射的健康风险评估受限于较大的不确定性，其主要原因是缺乏可靠的个体暴露数据，尤其是长期内暴露数据。活体计数提供了一种直接且非侵入性的方法，用于量化人体内滞留的痕量放射性核素，并支持回溯性暴露评估。痕量放射性核素活体计数实验（TRACE）是一项前瞻性研究，旨在开发与低剂量辐射暴露相关的实验方法。当前研究重点是通过测量颅骨中²¹⁰Pb的活度来评估累积氡（²²²Rn）暴露。²¹⁰Pb的半衰期为22.3年，具有骨亲和行为，在骨骼组织中积累数十年，可作为长期氡摄入的指示剂。实际实施面临极低信号水平、依赖受试者的效率刻度以及内剂量模型中的不确定性等挑战。为解决这些问题，TRACE在三个方面取得了进展：构建了小规模屏蔽原型以验证本底抑制策略，实现了约两个数量级的本底降低；同时，使用CT衍生的计算颅骨模型的无源效率刻度方法与实验测量结果在约4%内一致；此外，建立了包含中国人群代表性解剖和生理参数的呼吸沉积模型，以改进内剂量评估。通过提高个体水平回溯性暴露评估的可靠性，TRACE旨在支持健康导向的风险评估及促进健康与福祉的努力。

**1. 引言**
低剂量电离辐射的潜在健康影响是当代辐射防护研究中核心且备受争议的话题。联合国原子辐射影响科学委员会（UNSCEAR）多次指出，低剂量健康效应的直接证据有限且存在较大不确定性。已提出多种低剂量区的剂量-响应模型，包括线性无阈值（LNT）模型、阈值模型、兴奋效应模型及其他非线性模型。目前辐射防护采用LNT模型，而其他模型仍在科学讨论中。与低剂量区直接相关的流行病学观察有限，多数数据来自中高剂量暴露场景，因此低剂量健康风险估计主要依赖外推，导致不确定性持续存在。众多流行病学研究试图探究低剂量辐射与健康结局的关联，但剂量-风险关系仍难以确定，主要限制包括队列规模不足和病例对照设计效能低下，而关键问题在于个体暴露记录不完整或不准。回溯性剂量重建常依赖间接替代信息，如环境活度浓度、估算摄入途径和生物动力学模型预测，每项因素均引入不可忽略的不确定性。
在此背景下，活体计数为评估个体内放射性核素负荷提供了独特且互补的方法。当放射性核素通过吸入、食入等途径进入人体后，可能被特定组织吸收并具有特征性滞留期。其发射的γ或X射线可通过将辐射探测器置于相关解剖区域附近进行非侵入性检测，并通过严格刻度的效率模型量化相应活度。活体计数在核或辐射应急响应中已展示出高度实用性，例如福岛第一核电站事故后，Matsuda等人成功量化了早期撤离者体内的¹³¹I、¹³⁴Cs和¹³⁷Cs，实现快速内暴露评估。除应急场景外，活体计数在重建缺乏充分监测人群的慢性低水平内暴露方面具有巨大潜力，例如长期吸入地下环境氡，或摄入受地球化学过程或环境污染影响的饮用水、海产品或农产品中的放射性核素。初步研究证实了可行性：例如Muikku等人于2003年报告，在长期饮用富铀地下水的个体颅骨测量中检测到²³⁸U和²³⁵U的γ射线特征信号，突显了活体计数评估骨亲核素长期积累和重建个体暴露史的能力。
然而，在广泛应用该技术于低剂量暴露前，需解决主要挑战：抑制本底以达到所需检测灵敏度；准确将探测器响应转换为活体受试者（解剖结构可变）内的活度；建立测量内活度与暴露之间的稳健定量关联。这些问题亟需进一步方法论研究。在此背景下，TRACE项目启动，由北京师范大学及合作单位（包括清华大学、雅砻江流域水电开发有限公司、生态环境部及其下属单位、中国辐射防护研究院（CIRP）、中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所（NIRP）、中国原子能科学研究院（CIAE）、苏州大学、北京大学等）共同开展。项目进行第一手实验研究，旨在测量慢性暴露产生的痕量内放射性，尤其关注长寿命放射性核素如²³⁵U、²³⁸U、²³⁴Th和²¹⁰Pb。总体目标是为评估长期低剂量辐射暴露的潜在健康风险提供关键科学数据，通过提高回溯性暴露评估的可靠性，支持个体化健康评估并促进健康与福祉（可持续发展目标3）。本文作为TRACE项目的综合更新，总结了近期在应对痕量核素活体计数基本挑战方面的进展，所有结果均已在同行评审期刊发表。首先描述当前研究焦点及其科学意义，然后介绍屏蔽设计、效率刻度和剂量评估的方法学进展，最后简要总结。

**2. 当前焦点与科学意义**
TRACE项目当前焦点是氡（²²²Rn）及其子体，尤其关注²¹⁰Pb。氡是一种天然放射性惰性气体，在其约39种同位素中，²²²Rn因其他同位素半衰期过短而在典型环境条件下无法累积至显著浓度，故对公共卫生最重要。氡暴露与严重肺部疾病的关联已认识数百年，历史记录可追溯至1470年代德国施内贝格地区银矿开采后年轻矿工死亡率显著升高，后续研究将“施内贝格肺病”确认为肺癌，由矿井空气中极高浓度的氡及其短寿命子体引起。据报道，许多施内贝格矿井的氡浓度范围为70–120 kBq/m³，比世界卫生组织（WHO）建议的住宅年平均值100 Bq/m³高出几个数量级。现已明确，吸入氡子体导致α粒子在支气管上皮沉积，致密电离的α辐射对敏感细胞造成显著损伤，增加长期肺癌风险。重要的是，氡的健康效应不限于采矿等职业环境。据WHO估计，全球3%–14%的肺癌病例可归因于住宅室内氡暴露。国际癌症研究机构（IARC）将氡列为第一类致癌物，并认定其为全球肺癌的第二大病因（仅次于吸烟）。
国际辐射防护委员会（ICRP）使用累积氡暴露作为评估个体终生肺癌风险的关键指标，风险与总暴露剂量成正比。然而，准确重建个体终生累积暴露仍面临重大实践挑战。传统评估方法依赖生活或工作环境的历史氡浓度记录，这些记录常不完整或完全缺失。即使存在部分数据，个体居住时间的估计常依赖回溯性回忆，存在不确定性。此外，呼吸频率的显著个体差异引入额外误差。这些因素共同导致传统方法估计的暴露量存在较大不确定性，且在许多情况下无法进行可靠评估。解决这一挑战的一个有前景的生物解决方案是²¹⁰Pb，它是²²²Rn衰变链中的长寿命衰变产物（图1）。²²²Rn经过一系列短寿命子体后衰变为²¹⁰Pb，半衰期22.3年。由于化学性质与钙相似，²¹⁰Pb是一种骨亲核素，能融入骨骼组织并积累数十年，使骨骼成为氡摄入的天然终身生物档案。基于此特性，提出通过活体计数颅骨中²¹⁰Pb活度来直接回溯性量化累积氡暴露。其原理是颅骨中滞留的²¹⁰Pb活度与随时间吸入并沉积在体内的氡总量成正比（图2）。该方法的可行性最早于1968年对铀矿工的研究中证实，发现职业氡暴露时间与颅骨中²¹⁰Pb活度升高之间存在明确相关性。过去半个世纪，研究人员致力于将该原理转化为可靠实用技术，但仍存在三大主要挑战：（1）极低信号：人颅骨中²¹⁰Pb含量为痕量（约10^-12 g），活度低且能量低，可检测信号仅占典型本底计数约1%，测量极易受干扰。（2）刻度复杂性：效率刻度必须与个体解剖结构紧密匹配，组织等效模型用于模拟测量条件，但受试者间解剖变异给刻度因子带来显著不确定性。（3）剂量学建模挑战：根据测量到的颅骨²¹⁰Pb活度准确估算氡贡献的内辐射剂量需要可靠剂量学模型，但ICRP推荐的剂量模型主要基于白种人解剖和生理特征。

**3. 当前进展**
研究人员针对利用颅骨²¹⁰Pb活体计数重建氡暴露的三大挑战开展了工作。

**3.1. 屏蔽室设计**
首要任务是设计在降低本底辐射与控制建造成本之间达到最优平衡的屏蔽室。计划采用被动屏蔽和主动屏蔽。对于被动屏蔽设计，选择钢作为主要材料，因其密度高且成本适宜。采用铅和钢的复合结构（分级Z内衬）以进一步抑制低能辐射。通过系统模拟确定材料厚度，优化配置为15 cm钢-5 mm铅-1 cm钢。目标屏蔽室尺寸约为2 m × 2 m × 4 m。为验证设计，构建了小规模屏蔽容器，容纳一台Mirion BE5030宽能高纯锗（HPGe）探测器。该原型既作为全尺寸屏蔽室设计的基础，也用于测量人体组织样本（如指甲、头发）的放射性。无内衬屏蔽容器内HPGe探测器获取的本底谱显示，在30–3000 keV能量范围内，计数率从外部（324.35±0.06）计数/秒降至内部（1.30±0.01）计数/秒，降低约250倍。这些结果支持了全尺寸屏蔽室的建造，现已完成。其屏蔽性能与小规模原型一致，证实了15 cm钢-5 mm铅-1 cm钢设计的有效性。初步测量表明，全尺寸系统对²¹⁰Pb在30分钟采集时间内可实现约9 Bq的最小可探测活度（MDA）。全尺寸屏蔽室的详细结果（包括材料选择、设计和本底表征）即将发表。对于主动屏蔽，正在采用塑料闪烁体作为辅助探测器，HPGe探测器与闪烁体探测器符合运行将进一步抑制宇宙射线诱导本底。为最大化主动屏蔽性能，需特别关注单个塑料闪烁体单元的宇宙射线探测效率，光收集和读出系统正在优化中，相关结果预计近期发表。

**3.2. 刻度**
效率刻度是人颅骨中²¹⁰Pb活体计数的关键步骤，将记录计数转换为放射性核素活度。由于目标γ射线（46.5 keV）穿透能力有限，刻度因子在个体间差异显著，强烈依赖受试者特定特征。在效率刻度程序中，研究人员通常使用嵌入已知活度放射性源的人体模型。这些模型分为物理模型和计算模型。物理模型制作成本高且耗时，计算模型因其灵活性和实现更高解剖真实性的能力而日益普及，但物理模型在某些场景中仍不可或缺，尽管计算模型的进步已大幅减少单纯依赖物理原型的实验数量。针对本研究中的颅骨²¹⁰Pb活体计数，需要颅骨模型。研究人员开发了包含物理模型和相应计算模型的颅骨模型。²¹⁰Pb源分布包括两种代表性情况：一种分布于颅骨外表面，另一种沿内表面分布。据此构建了物理颅骨模型以复制这两种源配置，分别针对内表面和外表面活度分布设置独立模型。此外，基于物理模型的CT扫描开发了计算颅骨模型以支持数值模拟。为验证使用计算模型的无源效率刻度方法的准确性，在三个探测器位置（对应头部左侧、右侧和顶部）系统比较了颅骨中²¹⁰Pb的实验和模拟效率刻度结果。每个位置，探测器与模型距离从0到5 cm。比较表明，模拟结果与实验测量在所有配置下均吻合良好，研究距离范围内模拟与实验的平均偏差小于4%。这些结果表明颅骨²¹⁰Pb的无源效率刻度方法达到了令人满意的精度。实践中，每次测量条件变化（如探测器重新定位）都需要使用模型重新刻度，过程耗时费力。无源刻度程序的开发可显著减少效率刻度所需时间并简化整体流程。此外，基于CT或MRI扫描构建个体化计算模型，应用无源效率刻度方法可提高不同受试者间的刻度准确性。

**3.3. 剂量评估**
研究氡暴露健康效应的方法主要包括流行病学调查和放射生物学实验，两者的结果均高度依赖剂量评估的准确性。准确评估氡及其子体放射性气溶胶在人体呼吸系统中的沉积过程对于精确内剂量计算至关重要。ICRP第130号出版物提出的沉积模型主要基于白种人的解剖和生理参数。由于中国人群在身高、气管直径、功能残气量等关键参数上与白种人存在差异，直接应用该模型可能导致中国人群沉积分数估计偏倚。基于ICRP第130号出版物概述的呼吸道模型结构，研究人员系统整理了来自中国国家标准《辐射防护用参考人》及相关文献的数据，建立了中国参考人的解剖和生理参数集，包括气管直径、功能残气量、潮气量和呼吸频率，从而构建了针对中国人群的呼吸沉积模型。研究发现，尽管中国人群与白种人各呼吸道区域（ET1、ET2、BB、bb、AI）的沉积分数随气溶胶粒径[活度中值空气动力学直径（AMAD）/活度中值热力学直径（AMTD）]的变化趋势总体一致，但存在定量差异。比较中国与白种人轻体力劳动者沉积分数的绝对差值及比值时，差异明显。在公众暴露场景（AMAD = 1 μm）下，AI区域沉积分数比值达1.22，其他区域比值在0.87–0.93之间；在职业暴露场景（AMAD = 5 μm）下，AI区域比值升至1.35，其他区域比值在0.95–1.30之间。解剖和生理参数的敏感性分析进一步揭示，气管直径是导致沉积分数差异的主要因素，贡献超过76%的方差，且其影响随粒径增大而更加显著。因此，对于中国人群的内辐射剂量评估，使用纳入人群特异性解剖和生理特征的呼吸沉积模型可能提高剂量评估的准确性。但需注意，中国参考人所采用的解剖和生理参数主要来自GBZ/T 200.1-2007，该标准主要基于20世纪80年代和90年代收集的数据集，而ICRP第130号出版物中的呼吸道模型纳入了更近期的测量和建模进展。因此，观察到的沉积分数差异可能不完全归因于种族或解剖差异，部分差异也可能反映人群特征的时间变化、测量技术的改进以及生活方式、体力活动模式和营养状况随时间的改变。这些因素为沉积差异的解释引入了额外不确定性，并可能影响内剂量评估。未来需要纳入当代中国人群更新解剖和生理数据的研究，以进一步验证和优化模型。

**4. 总结**
TRACE项目最初聚焦于通过测量颅骨中滞留的²¹⁰Pb活度来评估累积氡（²²²Rn）暴露。²¹⁰Pb作为半衰期22.3年的长寿命氡子体，在骨骼中积累数十年，成为终生氡摄入的生物档案。然而，该方法面临三大挑战：极低信号强度需超低本底条件，个体解剖变异导致刻度复杂，以及从测量到的²¹⁰Pb活度反推氡暴露的困难。在应对这些挑战方面取得了显著进展：首先，建成了全尺寸屏蔽室，采用分级Z内衬（15 cm钢-5 mm铅-1 cm钢），小规模原型展示了约250倍的本底降低因子，同时正在开发使用塑料闪烁体进行宇宙射线反符合的主动屏蔽以进一步抑制干扰；其次，开发了基于CT扫描计算模型的无源效率刻度方法，与物理颅骨模型实验测量的平均偏差小于4%，较传统方法显著提高了精度和效率；最后，建立了针对中国人群的呼吸沉积模型，纳入气管直径、功能残气量等解剖和生理参数，通过替换基于白种人的ICRP模型参数提高了剂量评估准确性。TRACE未来的关键方向是将实验迁移至中国锦屏地下实验室（CJPL），该设施为世界最深，巨大岩石覆盖层可将宇宙射线通量降低约10⁸倍，为检测颅骨中痕量核素的微弱信号创造超低本底环境。总之，TRACE项目为慢性低剂量内暴露的个体化评估建立了新颖而严谨的框架，通过提高回溯性剂量重建的准确性，其成果将为改进低剂量辐射健康风险模型提供关键科学数据。