混合摄入母子体核素的内照射滞留分数确定方法与流程

本发明主要用于辐射防护中内照射剂量监测和评价领域。

背景技术：

人体生物动力学模型描述核素在人体内的代谢转移行为(包括摄入、沉积、吸收、滞留和排泄)，而核素在人体内的分布及滞留情况是决定器官剂量的重要因素，因此滞留分数的确定是内照射监测和剂量计算的基础。一般的生物动力学模型方法仅能处理摄入单个放射性核素，且对于复杂的核素模型仅能处理母体核素的动力学过程，不能同时处理由母体衰变产生的子体核素的代谢过程。这直接影响内照射监测和剂量计算结果的准确性和完整性。

针对上述问题，本发明提出一种混合摄入母子体核素情况下确定器官滞留分数的方法，能够计算混合摄入母子体核素和包含母子体衰变情况下的滞留分数。文献对比分析表明，本发明提出的方法，在国内相关领域未发现与该发明原理相同的专利及文献。

技术实现要素：

发明目的：提出一种混合摄入母子体核素情况下确定器官滞留分数的方法，能够计算混合摄入母子体核素和包含母子体衰变情况下的滞留分数,以便为内照射监测以及剂量计算提供基础。

技术方案：混合摄入母子体核素情况下确定核素滞留分数的难点在于：建立母体-子体的衰变链模型；区别初始摄入的子体核素和在体内衰变产生的同种子体核素的(可能的)不同动力学过程。具体技术方案包括：

(1)单核素的生物动力学模型：采用国际放射防护委员会(icrp)推荐的转移隔离库室表达放射性核素被摄入后在体内的转移；完整的全身生物动力学模型由若干(数十)个库室组成；在数学上，单核素模型采用一阶时间微分方程组描述：

式(1)中，i和j为库室的编号，n为全身模型的总库数；qi为库i的核素含量；kij为由i库室转移至j库室的速率常数(1/day)；时刻库i滞留分数mi(t)定义为滞留量qi(t)与初始总摄入量i的比值；对于不同的元素，由于其代谢动力学不同，全身模型中包含的库室以及转移速率可能是不同的，即模型依赖于元素种类；

(2)包含母子体衰变的生物动力学模型：描述母体和子体核素在人体内的吸收、转移和排出应采用母体核素和子体核素混合的生物动力学模型来描述；以两个核素的简单情况进行说明，更复杂的情况以此类推：假若人体摄入母体核素a后，a通过衰变，衰变常数为λa，产生子体核素b，那么其核素含量满足方程组：

建立衰变模型的方法为：首先，单独建立母体核素a和子体核素b的生物动力学模型，然后，根据核素的衰变关系建立母体模型中各库室到子体模型中对应库室的衰变途径，其转移速率取为衰变常数λa；如果同一种母体核素包含多个衰变途径，则需要建立母体核素到多个子体核素的衰变途径，转移速率取为相应子体的衰变分支比与母体衰变常数λa的乘积；继而使核素衰变和转移得到统一处理，联立的数学方程组为：

式(3)中，对于a核素方程右边第一项对于b核素方程右边第二项其中，表示取与b核素库i相对应的a核素库室；

由于母体核素和子体核素的代谢动力学是独立的，因此，两者的动力学模型所包含的库室也可能是不同的，继而导致两种情况发生：a、母体核素模型不包含某个库室i，但是子体核素模型包含该库室；b、母体核素模型包含某个库室i，但是子体核素模型不包含该库室；对于情况(1)，采用上述建立混合模型的一般方法即可,不会导致衰变核素的损失；对于情况(2)，采用两种方法：(a)直接采用上述一般的处理方法，缺点是将会导致库室i中衰变产生的子体核素被丢弃(相当于直接排出体外)；(b)采用特殊的处理方法，对于子体模型引入额外的虚拟库室i，并建立该库室到其它库室的转移途径，转移速率取自母体模型中相应途径的速率值或者icrp报告中可用的数值；

(3)初始混合摄入母子体核素：当初始环境中母体核素和子体核素同时存在时，摄入体内的将是母子体混合核素；此时的技术方法为：对于摄入的每一种摄入核素，根据式(2)中建立的方法，分别构建一套衰变链模型，包含以该摄入核素为母体核素以及其衰变链中产生的所有需要关注的子体核素；根据环境中核素量的比例关系设置初始条件，然后分别求解多个衰变链模型；最终，将所有衰变链模型结果进行求和，得到每个核素总的滞留量结果。

本方案的主要创新点有：

①提出一种混合摄入母子体核素的滞留分数确定方法；

②根据核素的衰变关系建立母体模型中各库室到子体模型对应库室的衰变途径，转移速率取为衰变速率；

③通过增添虚拟库室的方法，解决母子体核素周身动力学模型不匹配的问题。

有益效果：本发明建立混合摄入母子体核素的内照射滞留分数确定方法，实现人体混合摄入母子体核素的代谢过程和衰变过程的统一处理，能够计算人体器官内各核素的滞留分数，可应用于人体混合摄入母子体核素的内照射剂量的活体测量或排泄物测量。

本发明技术方案通用性强，可用于包含多级的衰变链和分支比的情况，可用于初始混合摄入多种核素的情况，极大地拓展单核素生物动力学方法的应用范围，为辐射防护中内照射剂量监测和评价提供有力的工具。

附图说明

图1为混合摄入母子体核素的生物动力学模型示意图；为方便描述，图1以两种核素的简单情况进行示意(母体核素a衰变产生子体核素b)；环境中包含母体核素a和由a衰变产生的子体核素b；人体初始摄入的混合母子体核素a和b，其代谢动力学过程分别由模型a和模型b描述；摄入体内的核素a衰变后产生的子体核素b，其动力学过程由模型b＇描述；核素b总的代谢动力学由模型b和模型b＇共同描述；

图2为混合生物动力学模型中虚拟库室示意图；摄入体内的核素a的模型a包含i，j，k三个库室；初始摄入体内的核素b的模型b包含i，j，l三个库室；对于由核素a衰变产生的核素b，对单核素模型b添加虚拟库室k以及由该库室到其它库室的转移途径(这里假设到l)，形成模型b＇。

具体实施方式

该发明的最佳实施途径如下：

(为方便描述，下面以两种核素的简单情况-核素a衰变产生核素b进行说明。对于更多核素的情况，可以以此类推。

(1)建立合适的生物动力学模型

根据技术方案(1)中的方法建立子体核素b的单核素模型，记为模型i。根据技术方案(2)中的方法建立母体核素a和子体核素b的混合衰变模型，记为模型ii。

(2)求解建立的生物动力学模型

根据环境中两种核素的比例关系，为i和ii两套模型设置不同的初始条件，然后利用一阶常微分方程组数值求解方法进行求解。

(3)计算核素滞留分数

对于核素a，模型ii所得结果即是总的滞留量。对于核素b，将两套模型中的核素b的模型中相同库室的结果进行求和，得到核素b总的滞留量。最后，根据滞留量以及初始摄入量的比值，即可得到滞留分数。