实验动物体重差异引起的电磁剂量差异和不确定性_孙艺宸.pdf

第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月辐射研究与辐射工艺学报 J.Radiat.Res.Radiat.PVol.41,No.1February 2023实验动 物体重差异 引 起 的 电 磁 剂 量差 异 和 不确定性孙艺宸1 杜 丹1,2 李 静1 林加金11（空军军医大学军事预防医学系辐射防护医学教研室 西安 710032）2（陕西中医药大学公共卫生学院 咸阳 712000）摘要 本文开展了实验动物体重差异引起的生物电磁剂量差异及不确定性评估研究。利用生物电磁仿真软件和三维数字化模型建立了平面波激励下实验大鼠的电磁剂量仿真环境，研究频段为0.16 GHz。结果表明：在体重扰动条件下，实验大鼠的体重和全身平均比吸收率值呈线性关系；在共振频率点以下，线性关系为正相关；在共振频率点以上，线性关系为负相关；在16 GHz区域内，线性拟合的拟合度接近于1。对实验大鼠的剂量不确定性进行了探究，提出了一种拟合计算评估法。结合实验设计案例，对拟合计算评估法的计算流程、计算量、评估准确度进行了对比研究，该评估方法具有准确率高、建模计算量小等特点。本研究对于生物电磁学实验设计及剂量评估具有一定的指导意义。关键词 差异，不确定性，比吸收率，剂量，电磁辐射中图分类号 Q64DOI:10.11889/j.1000-3436.2022-0115Variations and uncertainty in electromagnetic dose caused by weight differences of experimental animalsSUN Yichen1 DU Dan1,2 LI Jing1 LIN Jiajin11(Department of Radiation Biology,Faculty of Preventive Medicine,Air Force Medical University,Xi an 710032,China)2(School of Public Health,Shaanxi University of Chinese Medicine,Xianyang 712000,China)ABSTRACT In this study,the biological electromagnetic dose variations and uncertainty caused by body weight differences in experimental animals were evaluated.An electromagnetic dose simulation environment of experimental rats under plane wave excitation was established using bio-electromagnetic simulation software and a three-dimensional digital model.The study frequency band was 0.16 GHz.The results showed that there was a linear relationship between the body weight of experimental rats and the whole-body average specific absorption rate under conditions of body weight disturbance.Below the resonant frequency point,the linear relationship was positive,whereas above the resonant frequency point,the linear relationship was negative.In the 16 GHz region,the degree of the linear fit was close to 1.The dose uncertainty for the experimental rats was investigated and a fitting calculation method was proposed.Combined with the experimental design case,the calculation process,calculation amount,and evaluation accuracy of the fitting calculation evaluation method were compared.The 基金资助：航空医学重大问题科技攻关项目（2020ZTE04）和后勤科研项目（BKJ19C019）资助第一作者：孙艺宸，男，1999年11月出生，空军军医大学基础医学院学员，临床医学专业通信作者：林加金，讲师，E-mail:收稿日期：初稿 2022-10-27；修回 2022-12-05Supported by Scientific and Technological Tackling Project of Major Issues in Aviation Medicine（2020ZTE04），and Logistics Research Projects（BKJ19C019）First author:SUN Yichen（male）was born in November 1999.Now he is a undergraduate student at Basic Medical Science Academy of Air Force Military Medical University,majoring in clinical medicineCorresponding author:LIN Jiajin,lecture,E-mail:Received 27 October 2022;accepted 05 December 2022孙艺宸等：实验动物体重差异引起的电磁剂量差异和不确定性0103022evaluation method had high accuracy and a low modeling calculation amount.The results of this study have certain guiding significance for the experimental design and dose evaluation of bioelectromagnetics.KEYWORDS Variation,Uncertainty,Specific absorption rate,Dose,RadiofrequencyCLC Q64在生物电磁学研究中，剂量学是生物效应评价的重要量化参数。实验室评估1-2和数值仿真3-5是主要的剂量学研究手段。随着时域有限差分法（Finite-difference time-domain，FDTD）的 不 断 优化6-7和计算机虚拟建模技术8-9的不断提升，实验动物和人体的数值仿真评估是生物电磁学研究中重要的剂量学评估方法。在数值仿真评估中，动物体内剂量值取决于许多外部和内部参数，如辐射频率、极性、体型尺寸、姿态、性别等。在基于组织解剖学和计算虚拟建模的基础上，精准的剂量学信息是准确解释和验证实验结果的基本前提。然而，在诸多研究中，剂量评估往往只提供近似的全身吸收值，而不提供不确定性的统计信息。因此，不确定性分析的缺失降低了部分生物电磁学研究的科学价值和意义。在实验室剂量评估的不确定性研究方面，文献10 对剂量不确定性的来源进行了分析和归纳，典型的不确定性包括曝光装置、动物模型、动物自身等11-13。在实验室研究中，文献 14 对极化方向、临近关系等因素引起的差异和不确定性都进行了探讨，为实验设计提供了理论指导，具有重要的实践意义。对于样本量较大的在体暴露实验，在相同的曝光装置和动物模型情况下，暴露组内实验动物的体重及尺寸差异，是引起个体剂量差异和整体剂量不确定性的重要因素。然而，对于体重引起的剂量差异及不确定性研究却鲜有关注。本文以常见的实验大鼠15为研究对象，探究体重差异引起的剂量差异及不确定性，为生物电磁学效应研究及实验设计提供剂量评估。1 仿真环境仿真环境为Sim4Life生物电磁仿真软件，图1给出了建模的主要示意图。动物模型为SD大鼠模型，性别为雄性，类型为Sprague dawley，标称身体长度（不含尾巴）为185 mm，标称质量为198 g，建模网格精度为1 mm，组织数目为52种，各组织参数参考IT IS数据库。激励源为平面波激励，平面波的空间区域尺寸为400 mm80 mm80 mm，大鼠全部置于平面波空间内。按照实验室经验16，平面波从大鼠的顶部进行照射，沿E轴方向极化。平面波的激励频率分别设定为0.1 GHz、0.5 GHz、1 GHz、2 GHz、3 GHz、4 GHz、5 GHz和6 GHz；激励电场场强均为1 V/m。边界条件为理想吸收边界。网格划分长度为0.5 mm。2 剂量差异2.1 体重差异设定采用Sim4Life软件的建模缩放功能，对导入的SD大鼠进行缩放，可建立不同体重及大小的动物模型。缩放系数分别为 0.950、0.975、1.000、1.025 和1.050。表1给出了经缩放后动物模型的体重及体长数据。其中，体长和缩放系数呈一次线性变化关系，体重和缩放系数呈三次立方变化关系。图1剂量仿真环境Fig.1Dose simulation environment辐 射 研 究 与 辐 射 工 艺 学 报 2023,41:01030201030232.2 基本结果比吸收率（Specific absorption ratio，SAR，以RSA表示）是用来衡量生物体内能量沉积速率的重要量，是生物电磁学研究的标准剂量。SAR值同生物体内的电场均方值E相关，见式（1）。RSA=E2(1)式中：为组织的电导率，m；为组织的质量密度，kg/m3；E 为电场均方值，V/m；SAR 为比吸收率，W/kg。比吸收率可分为全身平均比吸收率（Whole body average SAR，WBASAR）和组织器官比吸收率等。在不针对某个组织或器官进行专项研究的情况下，全身平均比吸收率（WBASAR）是剂量学关注的重要参数。在采用缩放建模的条件下，开展了体重扰动情况下、主要频率点处实验大鼠的WBASAR值仿真。表 2 给 出 了 0.16 GHz 下、不 同 体 重 大 鼠 的WBASAR仿真结果。2.3 剂量规律特点分析对2.2 WBASAR值数据进行了分析。图2给出了各频率点处不同体重的WBASAR数据图，可以看出：（1）在0.1 GHz和0.5 GHz处，WBASAR值随体重而增加；（2）16 GHz处，WBASAR值随体重增加而减小。分析其特点，主要是与共振频率相关。根据文献 17 的研究结论，实验动物的WBASAR值存在共振频率，其共振频率点满足式（2）。Lf0.4c(2)式中：L为动物长轴的长度，m；f为共振频率，Hz；c为光速（3108 m/s）。本文中大鼠的基准长度为185 mm，相应的共振频率点在 0.65 GHz 附近。在共振频率点以下，WBASAR值明显随体重而增加；在共振频率点以上，WBASAR值明显随体重增加而减小。进一步采用最小二乘法对不同体重的WBASAR值数据进行了拟合。从图2可知，WBASAR值和体重值具有较好的一次拟合趋势。表3给出了详细的一次拟合参数，包括截距、斜率和拟合度。由统计数据可知，16 GHz区域内的拟合度约0.99，接近理想值1，线性拟合较好。以上结果表明：在体重扰动条件下，实验大鼠的体重和WBASAR值呈线性关系；在共振频率点以下，线性关系为