基于ICRP 新碘周身模型的滯留量計算及新舊模型差異對比

代偉　王明　董浪　張慶賢　谷懿　曾國強　李三剛

摘 要：國際放射防護委員會（ ICRP）137 號出版物對碘的生物動力學模型進行了修改，ICRP 100 號出版物發布了新的消化道模型，ICRP 130 號出版物修訂了呼吸道模型，使用新模型計算出來的碘滯留量及排泄量與舊模型的計算結果存在差異。定量分析新舊模型的計算結果差異，可為國內準確評估放射性碘致內照射損傷提供參考。本文采用矩陣算法，依據ICRP 相關出版物分別構建了新舊放射性碘生物動力學計算模型，系統分析了通過不同方式（ 吸入、食入、靜脈注射） 攝入1 Bq 的125 I、129 I、131 I 在甲狀腺中的滯留量及在日排尿中的排泄量。此外，考慮到新模型劃分了舊模型中沒有的肝臟及腎臟隔室，也計算了碘同位素在肝臟及腎臟中的滯留量。結果表明：新舊模型計算出來的放射性碘在甲狀腺以及日排尿中的計算結果均有明顯差異;與食入和注射兩種攝入方式相比，吸入方式引起計算結果差異較大;新模型中肝臟及腎臟中的滯留量計算結果有所不同，但變化趨勢相似。

關鍵詞：碘周身模型;滯留量;排泄量;ICRP 137 號出版物

中圖分類號：TL72 文獻標識碼：A

碘的各類同位素較為頻繁出現的場所大多與核工業及醫學領域相關[1-5] ，相關的工作人員或患者在被動或主動攝入碘的同位素后有必要及時對其進行內照射劑量監測。待積有效劑量是輻射防護中的一個重要評估量，可以通過計算攝入量，再乘以劑量轉換系數得到，而攝入量計算的一個核心環節就是求得核素在組織或器官中的滯留量。目前用于求解滯留量的生物動力學模型主要由國際放射防護委員會（ICRP） 發布，近些年ICRP 也逐漸在新的出版物中對生物動力學模型進行了相應的調整。ICRP 在100 號出版物中發布了新的消化道模型[6] ;在130 號出版物中修訂了新的呼吸道模型[7] ;在137 號出版物中發布了新的碘周身模型（systematic model）[8] 。目前國內尚無針對碘的新、舊周身模型差異進行細致的對比研究，且許多內照射劑量估算軟件也都采用舊模型進行計算[9-11] 。為了更好地進行核素代謝行為研究和內照射劑量評價，有必要對新舊模型的差異進行計算對比。

通常攝入放射性碘后的監測以甲狀腺為主，但若監測對象甲狀腺阻塞或患有甲狀腺相關疾病時，監測結果可能無法準確反應實際的攝入量，此時就需要配合尿液進行監測。本文將基于新模型（新的呼吸道模型、新的消化道模型、新的周身模型）及舊模型（舊的呼吸道模型、舊的胃腸道模型、舊的碘周身模型），以ICRP 參考人為例，采用矩陣計算方法，計算通過不同攝入方式（吸入、食入、靜脈注射）攝入1 Bq 的125 I、129 I、131 I 在甲狀腺中的滯留量及日排尿中的排泄量，并對比新舊模型的計算結果差異。

新的碘周身模型劃分了舊模型沒有的肝臟及腎臟的隔室（compartment），可見肝臟及腎臟對于碘在人體中的代謝過程而言十分重要，故本文基于新模型也計算了通過不同攝入方式進入人體的碘的不同同位素在肝臟及腎臟中的滯留量變化趨勢，為相關的工作人員提供參考。碘吸入肺部后會在各隔室沉積，沉積份額與吸入顆粒物的空氣動力學直徑（AMAD） 相關，職業工作人員的缺省值（default value） 為5 μm，故本文以5 μm 為例。沉積物會溶解到血液中或轉移到消化道中參與全身循環，向血液及消化道的轉移過程會受到吸入顆粒的類型及狀態影響，ICRP 137 號出版物中描述了不同類型顆粒物的轉移類型（F、M、S），目前國家標準GB 18871—2002[12] 中默認碘的所有同位素的轉移類型都為F 型，故本文以F 型為例。

1 ICRP 新舊生物動力學模型差異簡介

1. 1 碘周身模型

碘的周身模型如圖1 所示，A 部分為舊模型，B 部分為新模型（包含消化道模型部分）。相較于舊模型的簡單三室模型，新周身模型更加復雜。舊周身模型將碘的轉移隔室僅劃分為血液、甲狀腺和身體其余部分，新周身模型則詳細地列出了碘在各器官組織的轉移情況，包括肝臟和腎臟，而且對有機碘及無機碘進行了更為細致的討論。碘通常以無機碘的形式被攝入，主要有三種攝入模式：吸入后經肺部溶解到血液中;食入后經消化道吸收轉移到血液中;靜脈注射后直接進入到血液中。經血液輸運到甲狀腺后的碘離子在細胞-膠體界面發生氧化反應后與酪氨酸的特定殘基結合形成單碘酪氨酸或二碘酪氨酸，實現無機碘到有機碘的轉化。大部分有機碘會富集在甲狀腺，少部分會與無機碘一起參與全身的系統循環，主要有四條循環路徑：（1）通過唾液腺與胃壁將其和消化道系統耦合到一起，其中一部分碘會再次吸收到血液中參與循環，另一部分通過糞便排出體外;（2）通過腎臟及肝臟進行富集或轉移;（3）通過膀胱經尿液排出體外;（4）和其余的組織、器官之間的循環。需要注意的是，除了碘排出體內的兩條路徑外，其余的循環路徑都對有機碘、無機碘進行了分開討論。更為詳細的介紹可以參見ICRP 137號出版物[8] 及Leggett [13] 對碘周身模型的研究。

1. 2 呼吸道模型

呼吸道模型如圖2 所示，A 部分為呼吸道舊模型，B 部分為呼吸道新模型。新的呼吸道模型與舊模型的主要差異如下：（1） 胸內區由10 個隔室變為7 個隔室;（2）調整胸內區的個別轉移速率常數;（3）新增胸外ET1 區向ET2 區的轉移途徑;（4）將ET2 區轉移的目標隔室由胃腸道變更為食道。各隔室初始沉積量以及向血液轉移的過程也進行了相應調整，詳細介紹可以參見ICRP 130 號出版物[7] 。

1. 3 消化道模型

如圖3 所示，A 部分為舊胃腸道模型，B 部分為新消化道模型。新的消化道模型與舊模型的主要差異如下：（1） 添加口腔和食道隔室，并將其分 為快速和慢速兩個隔室;（2） 明確呼吸道向食道轉移的隔室為慢組分隔室;（3） 將原先的兩個大腸隔室分為左結腸、右結腸和乙狀結腸三個部分，并調整了轉移速率常數的值。詳細介紹可以參見ICRP 100 號出版物[6] 、130 號出版物[7] 及30 號出版物[14] 第一部分。

2 滯留量計算

2. 1 計算原理

核素在隔室之間的轉移可以使用一階線性微分方程來描述。如圖4 所示，隔室j 的含量變化由兩個過程決定，i 庫向j 庫的轉移及j 庫向k 庫的轉移。于是隔室j 的滯留量qj 可以描述為式（1）：

3 計算結果比較

3. 1 吸入后在甲狀腺中的滯留量與日排尿中排泄量變化及對比

圖8（a）、8（c）描述了吸入碘的不同同位素后在甲狀腺中的滯留量變化趨勢圖。計算結果顯示，在甲狀腺中新模型的滯留量均大于舊模型[16] ;新舊模型的平均相對偏差最低約為27%，且隨著時間增大而變大， 在第100 天時達到約57%，在第1 000 天時達到約175%。圖8（ b）、8（d）描述了吸入碘的不同同位素后在日排尿中的排泄量變化趨勢圖。計算結果顯示，在日排尿中排泄量先是隨時間增大而減小，在攝入第四天后會有一個緩慢增加而后再減小的過程，半衰期長的同位素此過程會更明顯，持續時間更長;新舊模型的平均相對偏差在攝入后前6 天左右會有急劇增加和下降的過程，最大值約717%，然后隨著時間增大而減小，在大約第83 天時降低到29%，之后又隨著時間增大而緩慢變大，在第100 天時約為30%，在第1 000 天時達到約127%。

3. 2 食入后在甲狀腺及日排尿中的滯留量變化及對比

計算食入后的滯留量需要考慮胃腸道模型和周身模型，需要注意的是，舊模型食入后直接進入胃部，而新模型首先需要經過口腔及食道才能到達胃部。碘經過胃腸道吸收后進入到血液里面參與全身系統循環。

圖9 為食入碘的不同同位素后在甲狀腺（a，c）中的滯留量及日排尿（b，d）中的排泄量變化趨勢圖。在甲狀腺中：滯留量新模型的計算結果大于舊模型;攝入后前兩天有一個富集過程，而后隨著時間增大而下降，半衰期長的同位素富集更明顯，下降時間更長;新舊模型的平均相對偏差先下降然后上升，第1 天約為4%，在第3 天達到極低值約為2%，第100 天約為11%，第1 000 天約為95%。日排尿中：排泄量在攝入后前幾天迅速下降;在第5 天之后有一個富集過程，半衰期長的同位素富集更明顯，下降時間更長，第5 天之后的排泄量都低于10-3 Bq;攝入后第1 天、第5 到第36 天、第244 到1 000 天新模型的計算值大于舊模型，第2 到第4 天、第37 到243 天新模型計算值小于舊模型;新舊模型的平均相對偏差前1 000 天內隨時間增大而波動，在第3 天時約為-40%，在第6 天約為36%，在第83 天約為-8%，第1 000 天時達到約60%。

3. 3 靜脈注射后在甲狀腺及日排尿中的滯留量變化及對比

靜脈注射相較于吸入或食入方式而言，碘無需經過吸收過程，而是直接通過血液參與全身循環。圖10 為注射碘的不同同位素后在甲狀腺（a，c）中的滯留量及日排尿（b，d）中的排泄量變化趨勢圖，其變化趨勢與食入的情況類似。在甲狀腺中：新模型的滯留量計算結果大于舊模型;滯留量前兩天有一個富集過程，然后下降，長壽同位素的富集過程會更明顯，下降時間更長;新舊模型平均相對偏差先下降，然后隨著時間增大而上升，在第3 天最小值約為2%，第100 天約為8%，第1 000天約為39%。在日排尿中：排泄量在攝入后前幾天迅速下降;在第5 天之后有一個富集過程，長壽同位素富集更明顯，下降時間更長，第5 天之后的滯留量都低于10-3 Bq;攝入后第1 天、第5 到第20天新模型的計算值大于舊模型，第2 到第4 天、第21 到1 000 天新模型計算值小于舊模型;新舊模型的平均相對偏差前1 000 天內隨時間增大而波動，在第3 天時約為-42%，在第6 天約為30%，第98 天約為-26%，第1 000 天約為-5%。

3. 4 新模型計算在肝臟及腎臟中的滯留量變化趨勢

圖11 為通過不同方式攝入碘的不同同位素后在腎臟（a，c） 及肝臟（b，d） 中的滯留量變化趨勢圖。兩者的變化趨勢相似，都有一個先下降，然后富集后又下降的過程，半衰期長的同位素富集作用更明顯，達到富集峰值需要更多的時間，且下降時間更長，滯留量也更多;肝臟中的125 I 與129 I 的滯留量富集峰值會超過攝入后第一天的計算值，而腎臟中的則不會。對同種同位素而言，在攝入相同時間點，肝臟中的滯留量食入后最多，其次是吸入，注射后滯留量最小;腎臟中的滯留量食入后最多，其次是注射，吸入后的滯留量最小。

4 結論

本文首先介紹了ICRP 公布的新舊碘周身模型，并根據相關出版物發布的生物動力學模型編寫了用于計算125 I、129 I 與131 I 在甲狀腺中滯留量及日排尿中排泄量的C++代碼，通過與ICRP 137 號出版物給出的結果進行對比，驗證了本文計算方法及結果的正確性，然后分析對比了攝入后1 000天內新舊模型的計算差異。此外，考慮到新模型劃分了舊模型中沒有的肝臟及腎臟隔室，本文也計算了碘同位素攝入1 000 天后在肝臟及腎臟中的滯留量變化。得到如下結論：

（1）在甲狀腺及日排尿中新舊模型的滯留量與排泄量變化趨勢一致。甲狀腺中：吸入后碘的滯留量有一個富集過程，然后下降;食入和注射后甲狀腺中滯留量隨著時間增大而減小。日排尿中：吸入、食入和注射后排泄量會經過急速下降、富集、緩慢下降三個過程，長壽命同位素的富集過 程更明顯，下降時間更長。

（2）吸入后甲狀腺及日排尿中新模型的計算值大于舊模型，日排尿中新舊模型的平均相對偏差在攝入后前6 天會有一個急劇增加和下降的過程，最大值約為717%。食入和注射后新舊模型的計算結果差異變化趨勢相似：甲狀腺中的滯留量計算結果新模型高于舊模型，日排尿中新舊模型的平均相對偏差隨時間增大而波動。

（3）新模型中肝臟及腎臟中的滯留量變化趨勢相似，都會經過下降、富集、再下降的過程，長壽命同位素的富集過程更明顯，達到峰值的時間更長，下降過程更慢，滯留量更高。

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