韩国人群辐射剂量-效应曲线自动构建与剂量评估系统的建立与应用

《Scientific Reports》：Automated system for establishing standard radiation dose–response curves and dose estimation for the Korean population

编辑推荐：针对辐射事故中生物剂量评估的时效性与准确性难题，韩国放射医学与微生物学联合团队开发了全自动双着丝粒染色体(DCA)分析系统。研究通过30例韩国人群样本建立个体化剂量-效应曲线，创新性引入回归深度神经网络(RDNN)算法，实现0.1-4 Gy范围内的精准剂量估算，为大规模辐射暴露事件应急响应提供标准化解决方案。论文发表于《Scientific Reports》。

　　

辐射技术的广泛应用在带来医疗、工业等领域革命性进步的同时，也伴随着潜在的辐射暴露风险。特别是当发生核事故或恐怖袭击时，快速准确地评估受害者的辐射剂量对临床救治决策至关重要。目前，双着丝粒染色体分析(Dicentric Chromosome Assay, DCA)作为国际原子能机构(IAEA)推荐的"金标准"生物剂量评估方法，仍面临人工分析效率低下、专家依赖性强等瓶颈问题。尽管已有自动化DCA系统的尝试，但个体差异对剂量-效应曲线的影响尚未系统研究，且高剂量(≥2 Gy)下的估算准确性亟待提升。

为解决这些关键问题，韩国东岸放射医学与科学研究院(DIRAMS)联合东国大学医学院的研究团队开展了一项创新性研究。他们开发了升级版全自动DCA分析系统，通过30例20-67岁韩国志愿者的血液样本构建个体化剂量-效应曲线，并引入回归深度神经网络(Regression Deep Neural Network, RDNN)算法优化剂量估算。研究发现，在≤1 Gy剂量范围内，传统二次多项式模型表现稳定；而在≥2 Gy高剂量区域，RDNN算法展现出显著优势。该系统成功实现了0.1 Gy敏感度的职业暴露监测，为辐射应急响应提供了标准化技术方案。相关成果发表在《Scientific Reports》期刊。

研究团队采用多项关键技术方法：首先收集30例健康志愿者(14女/16男，20-67岁)外周血样本，建立辐射剂量梯度(0.1-4 Gy)；利用升级版自动显微镜系统采集双着丝粒染色体图像；通过R语言biodosetool包拟合个体化剂量-效应曲线；开发RDNN人工智能算法进行剂量预测；最后用9例盲样(3例≥2 Gy，3例≤1 Gy，3例职业暴露者)验证系统准确性。

在"分析剂量-效应曲线的变异性"部分，研究揭示了有趣的现象。通过分层聚类将30条曲线分为6组后发现，20-30岁年轻组呈现较高斜率(α=0.03-0.04)，而40岁以上组斜率趋于稳定(α=0.02-0.03)。但z检验证实性别因素对曲线参数无显著影响(p>0.05)，暗示年龄可能是更关键的影响因素。值得注意的是，67岁老年捐赠者建立的曲线竟能准确预测30岁受试者的辐射剂量，这种跨年龄适用性为标准化曲线建立提供了新思路。

针对"≥2 Gy盲样剂量估算"的挑战，研究取得突破性进展。使用30人合并曲线时，仅55.6%(5/9)样本估算值落在95%置信区间内；而采用RDNN算法后，准确率跃升至100%。特别在4 Gy高剂量点，传统方法因个体差异导致标准差达0.13，而RDNN通过深度学习多曲线特征，将误差控制在±0.05 Gy内。这证实人工智能在高剂量辐射评估中的独特优势。

在"≤1 Gy剂量评估"方面，研究获得稳定结果。无论是合并曲线(100%准确)还是分组曲线(95.4%准确)，均表现出良好性能。值得注意的是，0.2 Gy样本因双着丝粒频率接近本底水平(C=0.01)，出现少量无效评估，但实际偏差仅0.04-0.05 Gy，完全满足IAEA对职业暴露监测的要求。

最引人注目的是"职业辐射低剂量监测"应用。通过比较5名放射工作者佩戴OSL剂量计与DCA检测结果，系统成功识别0.1 Gy的微小剂量变化(Wilcoxon检验p<0.05)。虽然RDNN对0 Gy样本存在0.02-0.06 Gy的高估倾向，但这种差异在常规监测中可接受，证实了该系统在核设施工作人员健康监护中的实用价值。

这项研究通过三大创新点推动了辐射生物剂量学发展：首先建立韩国人群最大规模(30例)的个体化剂量-效应曲线库，为亚洲人群辐射敏感性研究提供基础数据；其次开发出集成RDNN算法的全自动分析系统，实现≥2 Gy高剂量下的精准估算；最后验证了系统在0.1 Gy低剂量监测中的可靠性，填补了职业暴露长期监测的技术空白。值得注意的是，研究发现年龄因素比性别更能影响剂量-效应关系，这为后续个体化辐射防护策略制定提供了重要依据。

该研究的实际应用价值体现在三方面：在突发核事件中可实现大规模伤员的快速分诊；在航天、核工业等领域提供可靠的职业暴露监测工具；为不同人种辐射敏感性差异研究建立方法学范式。尽管存在染色体制片标准化等改进空间，这项成果无疑将推动生物剂量学进入智能化、标准化新时代。