張良安

外照射實(shí)用量及其局限性

張良安

外照射；實(shí)用量；局限性

1 概述

在輻射防護(hù)和核事故應(yīng)急中，我們面臨的問(wèn)題就是用什么樣的量進(jìn)行測(cè)量和評(píng)估更為合理。通常把這樣的量分為防護(hù)量和實(shí)用量?jī)纱箢悺＿@兩類量隨著人們對(duì)事物認(rèn)識(shí)的深入和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都發(fā)生了演變。

國(guó)際輻射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）最先定義的輻射防護(hù)量是劑量當(dāng)量，后來(lái)演變成有效劑量當(dāng)量，從ICRP 60號(hào)出版物發(fā)表以來(lái)，有效劑量就成為了關(guān)鍵的輻射防護(hù)量。除了有效劑量外，通常將器官或組織的當(dāng)量劑量也歸屬于輻射防護(hù)評(píng)價(jià)量。輻射防護(hù)中的劑量限值用輻射防護(hù)量表述，但輻射防護(hù)量不是點(diǎn)量，是不可測(cè)量的量。為了與劑量限值進(jìn)行輻射防護(hù)評(píng)價(jià)，就需要通過(guò)一些可測(cè)量來(lái)對(duì)其進(jìn)行估算，這類可測(cè)量就稱為實(shí)用量。

早先用于外照射的實(shí)用量是最大容許劑量當(dāng)量（MADE），這個(gè)量當(dāng)時(shí)也有人用MPDE表示；在ICRP26號(hào)出版物中，將MADE演變?yōu)閯┝慨?dāng)量指數(shù)；在ICRP60號(hào)出版物中將其演變?yōu)橹車(chē)?、定向和個(gè)人劑量當(dāng)量。

物理量、輻射防護(hù)量和外照射實(shí)用量的關(guān)系如圖1所示。

2 外照射實(shí)用量

圖1 物理量、輻射防護(hù)量和外照射實(shí)用量的關(guān)系

2.1 外照射實(shí)用量 外照射實(shí)用量主要指周?chē)鷦┝慨?dāng)量H*（d），定向劑量當(dāng)量H′（d,α）和個(gè)人劑量當(dāng)量HP（d）。他們的定義方式如圖2所示。

圖2 H*（d）、H′（d，α）和Hp（d）定義的圖示

周?chē)鷦┝慨?dāng)量，H*（d）：是相應(yīng)的擴(kuò)展和齊向場(chǎng)中，在ICRU球內(nèi)與齊向場(chǎng)方向相反的半徑上，其深度為d的輻射場(chǎng)中某一點(diǎn)處的劑量當(dāng)量，其單位為焦耳每千克(J?kg-1)，單位的專用名為希沃特（Sv）。對(duì)強(qiáng)貫穿輻射，d為10mm，周?chē)鷦┝慨?dāng)量可表示為H*（10）；對(duì)弱貫穿輻射，皮膚深度為0.07mm，晶狀體深度為3mm，分別表示為H*（0.07）和H*（3）。

上述定義中的擴(kuò)展輻射場(chǎng)是一個(gè)假設(shè)的輻射場(chǎng)，它是參考點(diǎn)的實(shí)際輻射場(chǎng)內(nèi)的感興趣體積內(nèi)的注量、角度和能量分布都相同的輻射場(chǎng)；擴(kuò)展和齊向場(chǎng)是一個(gè)假設(shè)的輻射場(chǎng)，在這個(gè)輻射場(chǎng)內(nèi)，注量及其能量分布是相同的，而且注量是單向的。

定向劑量當(dāng)量H′（d,α）：輻射場(chǎng)中某一點(diǎn)的定向劑量當(dāng)量H′（d,Ω），是在相應(yīng)擴(kuò)展場(chǎng)中，ICRU球內(nèi)的特定方向Ω的半徑上，深度為d處的劑量當(dāng)量，其單位為焦耳每千克（J?kg-1），專用名為希沃特（Sv）。

個(gè)人劑量當(dāng)量是人體（或模體）表面指定點(diǎn)下，適當(dāng)深度d處軟組織的劑量當(dāng)量，用Hp（d）表示。單位是焦耳每千克（J?kg-1），專用名是希沃特（Sv）。

要注意的是，用適當(dāng)模體，可以對(duì)HP（d）進(jìn)行初級(jí)校準(zhǔn)，而一般不對(duì)H*（d）、H′（d，α）進(jìn)行初級(jí)校準(zhǔn)，國(guó)際度量衡局（BIPM）具有一個(gè)估算H*（10）的ICRU的模擬球。

儀器校準(zhǔn)時(shí)，通常用注量率φ(中子)，空氣比釋動(dòng)能率Ka(光子)，ICRU 4元件的組織的吸收劑量率(電子)分別為其目標(biāo)量，同時(shí)應(yīng)用注量（或空氣比釋動(dòng)能或組織吸收劑量）到劑量當(dāng)量的換算系數(shù)。轉(zhuǎn)換系數(shù)是國(guó)際輻射單位與測(cè)量委員會(huì)（ICRU）和ICRP建議的固定單能值參考值，并明確沒(méi)有不確定度。各種實(shí)用量與防護(hù)評(píng)價(jià)目標(biāo)的關(guān)系如表1所示。

ICRP 116號(hào)出版物指出：對(duì)大多數(shù)輻射實(shí)際應(yīng)用防護(hù)實(shí)踐而言，在較寬的粒子能量和方向分布范圍，光子、中子和電子的實(shí)用量可繼續(xù)提供評(píng)價(jià)量的良好近似；ICRP 74號(hào)出版物（1996）與本出版物劑量系數(shù)數(shù)值的基本一致性，表明“有效劑量”的穩(wěn)健特性。因此，在“常規(guī)”能量范圍，目前實(shí)用量的劑量系數(shù)仍然能非常好地滿足防輻射的需求，但問(wèn)題會(huì)發(fā)生在一些新增的輻射類型和更高能量范圍，比如在空間應(yīng)用及高能加速器輻射照射的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在這些高能量應(yīng)用范圍，實(shí)用量與輻射防護(hù)量之間的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

表1 各種實(shí)用量與防護(hù)憑借目標(biāo)的關(guān)系

2.2 空氣比釋動(dòng)能近似 在ICRU 57號(hào)報(bào)告/ ICRP 74號(hào)出版物中發(fā)表的所有光子轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算均使用了比釋動(dòng)能近似。ICRP出版物116的有效劑量計(jì)算程序是跟蹤次級(jí)帶電粒子的完全輸運(yùn)計(jì)算方法。在比釋動(dòng)能近似中，是認(rèn)為所發(fā)射的次級(jí)帶電粒子的所有能量都沉積在發(fā)生反應(yīng)處的體積元件里。如果在體積元中次級(jí)帶電粒子平衡條件存在，這時(shí)比釋動(dòng)能與吸收劑量具有近似相同的值。需要注意的是在很多情況下，模體（或身體）表面次級(jí)帶電粒子平衡條件存在是很難達(dá)到的，具體見(jiàn)圖3。因此，這時(shí)的空氣比釋動(dòng)能與吸收劑量的關(guān)系極其復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)空氣比釋動(dòng)能來(lái)確定吸收劑量。

在下列情況下比釋動(dòng)能與吸收劑量在數(shù)值上接近：H*(10)和Hp(10)，光子最大能量約3MeV；對(duì)H′（3，Ω）和（3），最大光子能量為750 keV；對(duì)H′（0.07，Ω）和Hp（0.07），最大光子能量為70 keV。在10MeV用的使用完全輸運(yùn)計(jì)算的光子轉(zhuǎn)換系數(shù)，對(duì)H*(10)低估有效劑量大約3倍。

圖3 在模體表面的劑量分布

2.3 外照射實(shí)用量的局限性 40多年前定義的ICRU球是基于ICRU4元件組織等效材料的定義，但這種材料并不真正存在，也不能制造，并且存在一些計(jì)算依賴于分子組合物的問(wèn)題。

劑量當(dāng)量定義為組織的吸收劑量乘以輻射品質(zhì)因子Q，Q由函數(shù)Q(L)定義，其中L是水中（不是組織材料）感興趣的帶電粒子穿越點(diǎn)（或小體積）的非限制線性能量轉(zhuǎn)移，L∞。在某些情況下，評(píng)估皮膚或晶狀體的個(gè)人監(jiān)測(cè)實(shí)用量與高LET輻射的確定性效應(yīng)有關(guān)。

有兩個(gè)不同組的能量密度，注量到空氣比釋動(dòng)能的轉(zhuǎn)換系數(shù)存在，即ICRU57號(hào)報(bào)告/ICRP 74號(hào)出版物兩組值，應(yīng)分析這兩組的一致性。

H（p10）雖然定義在模體內(nèi)異地深度，但實(shí)際是表面測(cè)量。

ICRP 110出版物所定義規(guī)范的模體對(duì)轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算值會(huì)產(chǎn)生影響，因此應(yīng)按新模體對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算，需要有晶狀體、四肢和皮膚的模體。

3 ICRP116出版物

ICRP 74號(hào)出版物與ICRP 116號(hào)出版物在計(jì)算方法和計(jì)算所采用的模型上均有較大不相同。在方法上，ICR74號(hào)出版物采用的是比釋動(dòng)能近似，而ICRP 116號(hào)出版物采用的是跟蹤次級(jí)帶電粒子的完全輸運(yùn)方法。在模體上，ICRP 74號(hào)出版物采用的是醫(yī)用內(nèi)照射劑量（MIRD）數(shù)學(xué)模型，而ICRP 116號(hào)出版物采用的是ICRP 110號(hào)出版物推薦的參考人模型。應(yīng)當(dāng)說(shuō)，ICRP 116號(hào)出版物給出的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)及其有效劑量估算方法是對(duì)ICRP 74號(hào)出版物的計(jì)算方法的改進(jìn)。

3.1 ICRP 116號(hào)出版物的簡(jiǎn)單介紹 ICRP 116號(hào)出版物的劑量系數(shù)考慮的粒子、粒子能量和入射幾何方式，如圖4所示。

圖4 ICRP 116號(hào)出版物的劑量系數(shù)考慮的粒子、粒子能量和入射幾何方式

ICRP 116號(hào)出版物的劑量系數(shù)考慮了性別的差異，圖5（a）是后前入射時(shí)（PA）胃的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的性別差異；圖5（b）是右側(cè)入射（LLAT）時(shí)肝的劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的性別差異。

圖5 ICRP 116號(hào)出版物的劑量系數(shù)的性別差異

ICRP 116號(hào)出版物的劑量系數(shù)考慮了射線入射幾何方式的差異。圖6是光子不同入射幾何方式時(shí)的劑量系數(shù)的差異，當(dāng)光子能量在2×10-1～8×101范圍，入射方式對(duì)劑量系數(shù)的影響不大。圖7是中子不同入射幾何方式時(shí)的劑量系數(shù)的差異，當(dāng)中子能量＞6×101，入射方式對(duì)劑量系數(shù)的影響不大。

ICRP 116號(hào)出版物給出了正電子和電子的劑量系數(shù)，圖8分析了這兩種電子在不同入射方式時(shí)，胰腺劑量系數(shù)隨能量的變化。從圖中可以看出，PA和AP兩種入射的正電子的胰腺劑量系數(shù)幾乎沒(méi)有變化，電子的變化趨勢(shì)也類似。當(dāng)能量＞4×101時(shí)，正電子與電子的胰腺劑量系數(shù)隨能量的變化相同。但當(dāng)能量＜4×101時(shí)，隨能量的減少，正電子與電子的胰腺劑量系數(shù)隨能量差異變大，能量2×10-2時(shí)，其差異在7個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這時(shí)電子的胰腺劑量貢獻(xiàn)可以不考慮，但正電子卻應(yīng)當(dāng)考慮。

圖6 光子不同入射幾何方式時(shí)的劑量系數(shù)的差異

圖7 中子不同入射幾何方式時(shí)的劑量系數(shù)的差異

3.2 ICRP 74與ICRP 116結(jié)果差異舉例 圖9是ICRP 74號(hào)出版物與ICRP 116號(hào)出版物比釋動(dòng)能到晶狀體劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的比較分析圖。從圖中可以看出，當(dāng)光子能量低于1MeV時(shí)，兩個(gè)出版物給出的晶狀體劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)十分相近。但隨著能量的增加，兩個(gè)出版物給出的晶狀體劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)的差異就變得越來(lái)越大，但光子能量在6～10MeV，這個(gè)差值在3倍左右。

圖8 兩種電子的胰腺劑量系數(shù)隨入射方式和電子能量的變化

圖9 ICRP 74與ICRP 116眼晶體劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的比較

圖10是ICRP 74號(hào)出版物與ICRP 116號(hào)出版物比釋動(dòng)能到皮膚劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的比較分析圖。從圖中可以看出，當(dāng)光子能量低于0.8 MeV時(shí)，兩個(gè)出版物物給出的皮膚劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)十分相近。但隨著能量的增加，兩個(gè)出版物給出的皮膚劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)的差異就變得越來(lái)越大，但光子能量在10 MeV，這個(gè)差值在2.1倍左右。

圖11是ICRP 74號(hào)出版物與ICRP 116號(hào)出版物在同樣情況下，光子不同入射方式估算的有效劑量的比值。圖中ICRP 116號(hào)出版物表述為new。從圖11可以看出：光子能量大于1MeV時(shí)，3種入射方式均表現(xiàn)出用ICRP 74號(hào)出版物方法估算的有效劑量要大些；當(dāng)后前入射時(shí)（PA），用ICRP 74號(hào)出版物方法估算的有效劑量比用ICRP 116號(hào)出版物方法估算的有效劑量結(jié)果大，特別是能量低于0.04MeV時(shí)，這一問(wèn)題更為明顯；當(dāng)前后入射（AP）和各向同性入射（ISO）時(shí)，用ICRP 116號(hào)出版物方法估算的有效劑量比用ICRP 74號(hào)出版物方法估算的有效劑量結(jié)果大，特別是能量低于0.07 MeV時(shí)，這一問(wèn)題更為明顯。

圖10 ICRP 74與ICRP 116皮膚劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)的比較

圖11 ICRP 74與ICRP 116光子不同入射方式估算的有效劑量的比值

圖12是ICRP 74號(hào)出版物與ICRP 116號(hào)出版物在同樣情況下，中子不同入射方式估算的有效劑量的比值。圖中ICRP 116號(hào)出版物表述為new或present。從圖12可以看出：當(dāng)中子能量小于1MeV時(shí)，不同入射方式，均表現(xiàn)出用ICRP 74號(hào)出版物方法估算的有效劑量比用ICRP116號(hào)出版物方法估算的值要大些。中子能量低于0.1MeV時(shí)其比值在0.5～0.58范圍，隨后比值迅速上升到1；當(dāng)中子能量在1～10 MeV時(shí)，不同入射方式均表現(xiàn)出用ICRP 74號(hào)出版物方法估算的有效劑量比用ICRP 116號(hào)出版物方法估算的值要小些，其比值在1.05～1.20范圍。圖12中還給出了ICRP 103號(hào)出版物與ICRP 60號(hào)出版物中子輻射權(quán)重因子的比值，其比值的變化趨勢(shì)與上述有效劑量比值的變化趨勢(shì)類似。

4 劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)還需解決的問(wèn)題

盡管ICRP 116出版物采用跟蹤次級(jí)帶電粒子的完全輸運(yùn)計(jì)算方法，而且采用了新的模體，只能說(shuō)是對(duì)ICRP 74出版物的改進(jìn)，但實(shí)用量還面對(duì)一些新技術(shù)，特別是高能粒子的應(yīng)用帶來(lái)的新問(wèn)題需要解決。例如，越來(lái)越多地使用具有≥20MV光子和電子的放療醫(yī)療加速器（高能質(zhì)子和重離子加速器放射治療的應(yīng)用）；使用回旋加速器生產(chǎn)放射性藥物；研究用高能粒子加速器附近的輻射場(chǎng)；天然源中的高能量輻射（在高度恒高的航空和宇航）等。這時(shí)面臨的主要問(wèn)題如下。

圖12 ICRP 74與ICRP 116中子不同入射方式估算的有效劑量的比值

在H*(10)and H′(d,Ω)的定義（真空中的球）中未包含沉積由外部次級(jí)粒子和初級(jí)輻射的散射對(duì)劑量當(dāng)量的貢獻(xiàn)。而且，對(duì)H*(10)而言，這些分量無(wú)法做到齊向。對(duì)光子，次級(jí)電子射程為10mm的能量為2 MeV，對(duì)中子的能量為35MeV，當(dāng)光子能量＞2MeV，中子能量＞35MeV時(shí)，H*(10)和Hp(10)的定義就存在問(wèn)題。

對(duì)于更高的能量，位于空氣的ICRU球，為了實(shí)現(xiàn)在表面次級(jí)帶電粒子平衡，需要確定源和球體之間的距離，該距離取決于光子能量，而且不具有相加特性。當(dāng)前，用于劑量計(jì)校準(zhǔn)的參考光子場(chǎng)中，次級(jí)帶電粒子平衡是用輻射源和校準(zhǔn)劑量計(jì)之間的組織等效材料來(lái)近似實(shí)現(xiàn)的，通常的深度為10mm。而10mm的深度對(duì)高能光子和中子是不充分的，這時(shí)需要加大深度，但這個(gè)深度又隨能量變化，因此很難有一個(gè)準(zhǔn)確的參考深度。

要解決上述問(wèn)題，國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一的意見(jiàn)。有的主張，常用能量范圍，相關(guān)定義，ICRU球，Q值不改變，對(duì)高能光子、中子另定義實(shí)用量、ICRU球；也有的主張徹底修改實(shí)用量的定義；還有人提出改變劑量系數(shù)，確定最大有效劑量的劑量系數(shù)Emax/Φ（Φ是注量），和不同深度d的H*(d)/Φ,d是能量的函數(shù)，例如：對(duì)光子，能量＜3 MeV，d=10 mm；能量在3～10MeV，d=25mm；能量≥10MeV，d=105mm。對(duì)中子，能量＜10MeV，d=25mm；能量≥10MeV，d=105mm。

總之，實(shí)用量的相關(guān)劑量估算方法和劑量系數(shù)，ICRP 116號(hào)出版物（2010）相對(duì)ICRP 74號(hào)出版物（1997）和ICRU 57號(hào)報(bào)告有了很大改進(jìn)。但在一些新增的輻射類型和更高能量范圍，例如，在空間應(yīng)用及高能加速器輻射照射的應(yīng)用越來(lái)越廣泛；在這些高能量應(yīng)用范圍，實(shí)用量與輻射防護(hù)量之間的關(guān)系需要進(jìn)一步研究。

[1]ICRP，2010.Conversion Coef f icients for Radiological Protection Quantities for External Radiation Exposures.ICRP Publ ication 116.

[2]ICRP，1997.Conversion Coef ficients for use in Radiological Protection against External Radiation.ICRP Publ ication 74.

[3] ICRU REPORT 57-1998，Conversion Coef f icients for Use in Radiological Protection Against External Radiation.

[4]ICRP，2009.Adul t Reference Computational Phantoms ICRP Publication 110.

（收稿：2015-10-08 修回：2015-10-27 編校：丁艷玲）

R 144

A

2095-3496（2015）04-0245-05

300092 天津，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所（張良安）