【摘要】 与核磁共振一样，当施加的电磁辐射的能量等于两个自旋态之间的塞曼分裂时，就会发生共振吸收。

电子顺磁共振（EPR）是由Yevgeny Zavoisky于1944年发现的[1]，早于更熟悉的核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）的发现。EPR与核磁共振具有相同的基本物理原理，不同之处在于它涉及来自未配对电子的磁矩，而不是来自质子和中子的核自旋。自由电子在磁场中的能量用电子塞曼分裂来描述。与核磁共振一样，当施加的电磁辐射的能量等于两个自旋态之间的塞曼分裂时，就会发生共振吸收。玻尔磁子（βe）约为核磁子的1836倍，在约0.35 T的典型磁场下，其共振频率为10 GHz，处于微波区[2]。EPR光谱仪中的微波源是速调管或现代仪器中的固态甘恩二极管。磁铁通常是电磁铁而不是超导磁体，在大多数光谱仪中，磁场被扫描而不是频率。磁场调制和相敏检测也用于提高灵敏度，从而产生导数线形。

 

图1 电子塞曼分裂和共振吸收。

 

与核磁共振相反，在人体中普遍存在未成对核自旋的氢原子核，人体组织中的大多数电子是成对的，没有净自旋。放射治疗期间，人体内会产生具有不成对电子的高活性化学物质自由基，但它们的浓度很低，寿命也很短，无法用EPR直接测量。长寿命自由基可以在某些材料中产生，并提供了一种直接测量样品中吸收剂量的方法。EPR信号的振幅与自由基的数量成正比，而自由基的数量又与吸收剂量成正比。EPR是唯一直接检测自由基的技术。

 

图2 剂量vs EPR信号。

 

图3 （a）3 d印刷丙氨酸插入,（b） LGK球形的幻影。

 

20世纪60年代，丙氨酸/电子顺磁共振（EPR）系统被提出作为辐射剂量测定的工具。丙氨酸具有长寿命的稳定自由基，具有良好的组织等效性，无毒，在大范围内（1 Gy至100 kGy）具有线性剂量响应，并且在很宽的能量范围内与能量无关。与热释光剂量法（TLD）和光激发发光剂量法（OSLD）一样，EPR剂量法不能立即给出结果，需要专门的光谱仪进行读出。EPR的优点是读数不会擦除剂量计，并且可以无限期地重新读取而没有信号损失。早期研究表明，在辐照过程中形成了不止一种自由基，每种自由基产生的EPR谱略有不同。

 

丙氨酸的缺点是:（1）剂量不确定度低于1 Gy，多个不同比例的自由基产生复杂的光谱，对湿度和水分也很敏感。图2显示了随着给药剂量的增加，峰对峰值的增加。设计了3D打印的丙氨酸网格插入来容纳EPR丙氨酸芯片（图3a）。网格放置在LGK球形固体水模体内，在等心和离轴点进行剂量测量（图3b）。将放置在SWP内的丙氨酸芯片暴露在0.5 Gy至50 Gy的剂量范围内，建立了一组剂量校准曲线。

 

Leksell伽玛刀（LGK） Perfexion （PFX）是一种专用的颅内外部放射治疗装置，包含19260个聚焦在等中心的Co源。与之前的伽玛刀不同，PFX系统包含8个位置控制的可移动扇区，每个扇区有24个源，可以产生4、8和16毫米的射击尺寸，并且消除了手动设置多次治疗射击的准直器位置所花费的时间。P Ramachandran等人[3]证明了使用丙氨酸剂量计对Leksell伽玛刀（LGK）治疗方案进行快速质量保证的可行性。在LGK球形固体水模体（SWP）内放置3D打印网格，用于在等心和离轴点测量剂量。

 

EPR光谱在magnetech MS-5000 EPR/ESR光谱仪上进行。在使用丙氨酸芯片进行LGK剂量测定之前，建立了一套剂量校准曲线。将丙氨酸芯片置于LGK固体水模体（SWP）中心，进行绝对剂量、传递剂量和剂量/时间线性。选择5名不同部位的患者，在LGK SWP中进行患者特异性质量保证（PSQA）。EPR丙氨酸剂量计测量的绝对剂量与离子室结果的一致性在2%以内，与PSQA结果的一致性在2.1%以内。基于丙氨酸的EPR剂量法提供快速、高精度的剂量测量，也可以用作伽玛刀PSQA的剂量计。

 

[1]. Salikhov, K. M.; Zavoiskaya, N. E., Zavoisky and the discovery of EPR. Resonance 2015, 20 （11）, 963-968.

[2]. Pilbrow, J. R.;  Hutton, D. R.;  Zhong, Y. C.;  Noble, C. J.; Song, R., Pulsed EPR investigation of hyperfine structure in γ-irradiated alanine. Appl. Radiat. Isot. 1996, 47 （11）, 1257-1261.

[3]. Ramachandran, P.;  Noble, C.;  Jones, C.;  Seshadri, V.; Foote, M., Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy for Gamma Knife Dosimetry. J. Phys. Conf. Ser. 2020, 1662 （1）, 012026.

 

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