РАДИАЦИОННАЯ ДОЗА И БЕЗОПАСНОСТЬ

Биологические последствия облучения пациентов и врачей ионизирующей радиацией при медицинских процедурах во многом определяются величиной поглощенной дозы, мощностью дозы (экспозицией) и величиной кермы. В этой главе рассматриваются некоторые проблемы дозиметрии как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Физическая и биологическая дозы

Дадим определения некоторых важных терминов.

Активность минимально значимая (МЗА) — активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов госсанэпиднадзора на использование этого источника, если при этом также превышено значение минимально значимой удельной активности. Выражается в Бк.

Рад — внесистемная единица измерения поглощенной дозы радиации, определяемой как накопление юо эргов энергии на 1 грамм ткани. 1 рад = юо эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр = 2,38810 е кал/г. При экспозиционной дозе в i рентген поглощённая доза в воздухе будет 0,85 рад (85 эрг/г).

Грей (Гр, Gy) — единица поглощенной дозы. В единицах СИ: i Гр =1 Дж/кг = юо радам.

1 Кл/кг — единица экспозиционной дозы в системе СИ. Специального названия не wieem. Это такое количество гамлш- или рентгеновского излучения, которое в 1 кг сухого воздуха образует 6,24-ю18 пар ионов, которые несут заряд в 1 кулон каждого знака, (l кулон = 3109 ед. СГСЭ = 0,1 ед. СГСМ). Физический эквивалент 1 Кл/кг равен 33 Дж/кг (для воздуха). Соотношения между рентгеном и Кл/кг следующие: i р = 2,58-ю 4 Кл/кг — точно. i Кл/кг = 3,88-юзр — приблизительно. Рентген (р) — внесистемная единица экспозиционной дозы. Это такое количество гамма- или рентгеновского излучения, которое в i см3 сухого воздуха (имеющего при нормальных условиях вес 0,001293 г) образует 2,082-ю9 пар ионов. Эти ионы несут заряд в 1 эл.-статическую единицу каждого знака, что в единицах работы и энергии составит 0,114 эРг поглощённой воздухом энергии (6,77-ю* МэВ). (l эрг = ю7 Дж = 2,39-ю 8 кал). При пересчёте на 1 г воздуха это составит 1,610-1013 пар ионов или 85 эрг/г сухого воздуха. Таким образом, физический энергетический эквивалент рентгена равен 85 эрг/г для воздуха. i р = 7,06-ю4 МэВ/см3=5,47-ю7 МэВ.г=о,114 эрг/см3=87,7 эрг/г = 2,58-ю 4 Кл/кг. Единица рентген может быть использована до значения энергии з МэВ рентгеновского и у - излучений. От одного рентгена мягкие биологические ткани получают радиационное воздействие, равное примерно одному раду.

Доза излучения — энергия ионизирующего излучения (потоков частиц и квантов), поглощенная облучаемым веществом и рассчитанная на единицу его массы. Является мерой радиационного воздействия.

Для характеристики дозового поля, возникающего в воздушной среде, окружающей источник излучения, используется понятие экспозиционной дозы.

Экспозиционная доза, X,количественная характеристика гамма- и рентгеновского излучения, основанная на их ионизирующем действии в воздухе — отношение полного заряда dq всех ионов одного знака, создаваемых в воздухе, к массе воздуха в этом объёме.

Замечание. В России использование экспозиционной дозы и её мощности не рекомендуется.

Экспозиционная доза определяет энергетические возможности ионизирующего излучения. Это понятие введено для оценки поля фотонного излучения с энергией в диапазоне 1+3 МэВ. Так как эффективные атомные номера воздуха и биологической ткани близки, воздух принято считать тканеэквивалентной средой для фотонного излучения.

Экспозиционную дозу можно определить как часть энергии у-излучения Е.п преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы Ат воздуха. Под энергией Е( понимают ту часть энергии у-излучения, которая затрачена на образование комптоновских и фотоэлектронов, электрон-позитронных пар в некотором объёме воздуха массой Am.

За единицу экспозиционной дозы X принята единица кулон на килограмм [к/кг] т.е. доза, создаваемая у-излучением, при котором сопряженная корпускулярная эмиссия производит в 1 кг сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях (при температуре о0 и давлении 760 мм рт. ст.). 1 Кулон электричества положительно и отрицательно заряженных частиц (6,24-ю18 пар ионов). Физический эквивалент 1 Кл/кг для воздуха равен зз Дж/кг =87,7 эрг/г, а для воды (биологической ткани) 95 эрг/г). В условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 рентген соответствует поглощенная доза в воздухе, равная 0,877 рад.

По величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощённую дозу рентгеновского и у-излучений в любом веществе. Для этого необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.

Мерой воздействия ионизирующего излучения на вещество служит поглощенная доза, определенная как отношение поглощенной энергии излучения в единице массы. Основной единицей поглощенной энергии в системе СИ является грей (Гр) — джоуль на килограмм массы (Дж/кг). Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр=юо рад. Поглощенная доза в 1 Гр является довольно значимой радиационной величиной и может вызвать в облученном организме весьма существенные последствия.

Доза поглощенная (D) — величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

где dE — средняя энергия, переданная ионизирующим излучением облучаемому веществу (не обязательно воздуху), находящемуся в элементарном объеме, a dm — масса вещества в этом элементарном объёме.

Энергия может быть усреднена по любому определенному объёму, и в этом случае средняя доза равна полной энергии, переданной объёму, деленной на массу этого объёма. При условии электронного равновесия

Для веществ, отличных от воздуха, в это соотношение вводят коэффициент пропорциональности f величина которого является функцией энергии у-излучения и природы вещества — поглотителя.

Дозу излучения D, поглощённую веществом за время t действия потока ионизирующего излучения, называют мощностью поглощённой дозы, D*:

Мощность поглощённой дозы D* измеряют в ваттах на килограмм

(Вт/кг).

Взаимодействие излучения с веществом состоит из двух стадий: преобразование энергии и вклад энергии. Этим стадиям соответствуют две группы дозиметрических величин.

Термин «преобразование энергии» относят к передаче энергии от ионизирующих частиц к вторичным ионизирующим частицам, а термин керма - к кинетической энергии заряженных частиц, высвобожденных незаряженными частицами. В дополнение к керме вводится величина сема, которая определяет потерю энергии заряженными частицами в столкновениях с атомными электронами. Сема отличается от кермы тем, что учитывает потерю энергии в столкновениях с атомными электронами входящих заряженных частиц, в то время как керма учитывает переданную энергию, уносимую выходящими заряженными частицами.

Количество кинетической энергии, переданное заряженным частицам, которые образовались в единице массы облучаемой среды под действием ионизирующего излучения, называется кермой.

Керма: К - dEk/dm — мера поглощенной дозы косвенно ионизирующих излучений (КЕША - аббревиатура фразы KINETIC ENERGY RELEASED PER UNIT MASS - выделение кинетической энергии на единицу массы). Керма (К) представляет собой сумму первоначальных кинетических энергий dEk всех заряженных частиц, появившихся в элементарном объёме вещества в результате воздействия на него косвенно ионизирующих излучений, отнесенную к массе вещества в этом объёме dm. Единицей кермы в системе СИ является дж/кг или Грей.

Замечание. Здесь под косвенным ионизирующим излучением подразумевается незаряженное ионизирующее излучение (фотоны или нейтроны).

Керма применима как для фотонов, так и для нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения. Керму измеряют в тех же единицах, что и поглощенную дозу: грей [Гр] = 1 Дж/кг=юо рад.

Керма — суммарная начальная кинетическая энергия заряженных частиц, образованных в единице массы облучаемой среды под действием косвенно ионизирующего излучения. Применительно к у-излучению в условиях электронного равновесия керма совпадает с дозой излучения, если можно пренебречь потерей энергии заряженных частиц (электронов и позитронов) на тормозное излучение. При этих условиях керма является энергетическим эквивалентом экспозиционной дозы.

В случае фотонного излучения керма К представляет собой энергию, переданную фотонами электронам, т.е. энергию, фотонного излучения полностью поглощенную в веществе.

В диапазоне медицинских «диагностических» энергий (рентгеновское излучение, мягкое у-излучение) и в биологических тканях K=D, но в общем случае KzD. При высоких энергиях К намного выше поглощённой дозы, поскольку часть энергии уносится из поглощающего объёма в форме рентгеновского тормозного излучения или быстрых электронов и поэтому не дает вклада в поглощенную дозу.

Для у-излучения керма выражает отношение суммарной кинетической энергии электронов и позитронов, образовавшихся под действием у-квантов в некотором объёме вещества, к массе вещества в этом объёме

где Ф — поток у-квантов (число фотонов на единицу площади [эрг/см2]; ЕY -энергия фотонов; ц’е= р/р — массовый коэффициент передачи энергии [сма/г].

Следовательно, под кермой можно понимать величину, которая характеризует первую ступень поглощения у-квантов в веществе.

Керма - кинетическая энергия, выделившаяся в среде. Она выражается в тех же единицах, что и доза, но керма определяет энергию, перенесённую через среду, тогда как доза относится к энергии, поглощённой средой. При входе потока фотонов в среду, на начальном участке пути вторичные электроны генерируются быстрее, чем останавливаются (область накопления). В этой области поглощённая доза увеличивается по мере проникновения излучения в тело, в то время, как керма уменьшается с глубиной из-за экспоненциального поглощения излучения в среде (рис. i). На некоторой глубине число произведённых электронов становится равным числу поглощенных (электронное равновесие) и керма равна поглощенной дозе.

Рис. 1. Зависимость поглощенной дозы и кермы от глубины проникновения фотонов в среду.

Семаотношение dEc к dm, где dEcпотери энергии заряженных частиц, за исключением вторичных электронов, в столкновении с электронами в веществе массой dm:

Единица: Дж кг1 [Гр].

Наименование сема - абривиатура converted energy per unit mass.

Сема - величина поглощенной дозы, обусловленной заряженными частицами. Такое имеет место в условиях равновесия вторичных электронов и пренебрежения радиационными потерями и упругими ядериыми взаимодействиями.

Перейдём теперь к биологической дозе.

Доза поглощенная (D)величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу (точнее — энергия, фактически оставшаяся в единице массы вещества в результате облучения):

где deсредняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, a dmмасса вещества в этом объеме.

Доза в органе или ткани (Dt) — средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

где тт — масса органа или ткани, aD — поглощенная доза в элементе массы dm.

«Тканевая доза» — поглощенная доза в мягкой биологической ткани, весовой состав которой принимают следующим (%): водород — 10,1; углерод — ii,i; азот — 2,6; кислород — 76,2.

Поглощённая доза не полностью отвечает целям радиационной защиты, поскольку степень повреждения тканей тела человека различна для различных видов ионизирующих излучений. При оценке радиобиологических эффектов учитывают такие факторы, как влияние типа излучения на биообъекты и различный отклик различных органов живого организма на равномерное облучение одним и тем же излучением всего организма. Не менее существенным является понятие «критический орган».

При одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что тяжёлая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем лёгкая (например, электрон). При одной и той же поглощённой дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением.

Важно не только количество ионов, образованных в единице массы биологической ткани, но и то, как распределены эти ионы по длине пути излучения, т.е. как на нём осуществлена линейная плотность ионизации. Это распределение однозначно характеризует линейная передача энергии (ЛПЭ) излучения. Если L — отношение полной энергии dЕ, переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на элементарном пути d/, к длине этого пути, то:

В качестве единицы измерения ЛПЭ используется килоэлектронвольт на микрометр воды, 1 кэВ/мкм: 1 кэВ/мкм = 0,16 нДж/м.

Величина поглощенной дозы учитывает только энергию, абсорбированную облучаемым объектом, и не оценивает «качество излучения». Понятие качества излучения выражает его способность производить различные радиационные эффекты в зависимости как от сорта частиц, так и от величины передачи энергии.

Существует два типа взвешивающих коэффициентов Wr и Wr.

В нормативных документах по радиационной безопасности поглощенная доза, усредненная по ткани или органу, умножается на весовой множитель излучения, Wr (1Ук зависит от величины ЛПЭ излучения) для учёта эффективности данного вида излучения при создании биологических эффектов; полученная величина называется эквивалентной дозой. Величина «эквивалентная доза» используется в тех случаях, когда происходит облучение отдельных органов или тканей, однако вероятность стохастического эффекта поражения в результате получения определенной эквивалентной дозы различна для разных органов и тканей. Вследствие этого эквивалентная доза для каждого органа и ткани умножается на тканевый весовой множитель, Wj, что позволяет учесть радиочувствительность этого органа. Общая сумма таких взвешенных эквивалентных доз для всех облученных тканей человека называется эффективной дозой. Для измерения эквивалентной и эффективной доз используется та же единица, что и для поглощенной дозы, т.е. джоуль на килограмм, но для того чтобы было удобно отличать её от единицы поглощенной дозы [Гр], она называется «зиверт (Зв)» [l Зв = юо бэр].

Доза эквивалентная (Нгя) — поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, Wr:

где Dt.rсредняя поглощенная доза в органе или ткани Т, a Wr — взвешивающий коэффициент для излучения R.

Понятие эквивалентной дозы введено для оценки радиационной опасности излучения произвольного состава при хроническом облучении человека в малых дозах (в дозах, не превышающих пяти предельно допустимых годовых доз при облучении всего тела человека). При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (Wr) — используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов.

Табл. 1. Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения.

Фотоны любых энергий

1

Электроны и мюоны любых энергий

1

Нейтроны с энергией

менее ю кэВ

5

от ю кэВ до юо кэВ

10

от юо кэВ до 2 МэВ

20

ОТ 2 МэВ ДО 20 МэВ

10

более 20 МэВ

5

Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи

5

Альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра

20

Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект воздействия радиации на организм.

Эффективная доза (Е) — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффиииенты.

где Нт — эквивалентная доза в органе или ткани Т, a Wt— взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т, т.е. множитель эквивалентной дозы в органах и тканях, используемый в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации - «коэффициент радиационного риска».

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (Wt) — множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в /юдиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей к возникновению стохастических эффектов радиации.

Табл. 2. Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы. ___

Ткань или орган

Wt

Ткань или орган

Wt

Гонады (яичники, семенники)

0.20

Печень

0.05

Красный костный мозг

0.12

Пищевод

0.05

Толстый кишечник

0.12

Щитовидная железа

0.05

Легкие

0.12

Кожа

0.01

Желудок

0.12

Клетки костных поверхностей

0.01

Мочевой пузырь

0.05

Остальные органы

0.05

Молочные железы

0.05

Одинаковой величине эквивалентной дозы соответствует одинаковая радиационная опасность, которой подвергается человек при воздействии на него любого вида излучения. Для организма в целом коэффициент PVt= 1. Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.

Коэффициент Wt определяет риск облучения данного органа по отношению к риску облучения всего организма, т.е. представляет отношение вероятности возникновения стохастических эффектов в результате облучения какого-либо органа к вероятности их возникновения при равномерном облучении всего тела. Эффективная и эквивалентная дозы — меры вреда от воздействия ионизирующего излучения на человека и его потомков.

Для оценки влияния типа излучения на биологические последствия используется понятие относительной биологической эффективности излучения:

Эффективная эквивалентная доза является индивидуальным критерием опасности, обусловленным ионизирующим излучением. Влияние облучения носит неравномерный характер. Каждый орган и ткань не только по-разному реагирует на поглощённую ими дозу облучения, но и оказывает различное влияние на работу организма в целом. Для учёта этих особенностей в дозиметрии используется понятие эффективной дозы. Эффективная (эквивалентная) доза учитывает суммарную радиоактивность поступающих в организм радионуклидов с учётом их периода полураспада и периода полувыведения из организма. На практике понятие эквивалентной дозы применяют лишь для характеристики радиационных воздействий в малых дозах (не более пяти годовых предельно допустимых доз (ПДД) для профессионалов).

Фиксированная эффективная эквивалентная доза (CEDE) — оценка доз радиации на человека, в результате ингаляции или употребления некоторого количества радиоактивного вещества. CEDE выражается в зивертах [Зв] и учитывает радиочувствительность различных органов и время, в течение которого вещество остается в организме (за всё время жизни). В зависимости от ситуации, CEDE может относиться к дозе облучения определенного органа, а не всего тела.

Доза эквивалентная, Нт(т), или эффективная, Е(т), ожидаемая при внутреннем облучении — доза за время т, прошедшее после поступления радиоактивных веществ в организм:

где toмомент поступления, a Hi(t)мощность эквивалентной дозы к моменту времени t в органе или ткани Т. Когда г не определено, то его следует принять Iювным 50 годам для взрослых и (уо — to) — для детей.

При одновременном воздействии на человека нескольких различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения.

Эту величину иногда называют интегральной эквивалентной дозой.

Доза эффективная (эквивалентная) годовая — сумма эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год. Единица годовой эффективной дозы — зиверт [Зв].

Максимальная эквивалентная доза (МЭД) — наибольшее значение суммарной эквивалентной дозы в теле человека или каком-либо критическом органе от всех источников внешнего и внутреннего облучения: Нмакс.

Максимальная эквивалентная доза па единичный перенос (флюенс) частиц (фотонов) — дозиметрическая характеристика внешнего излучения данного вида, энергии и направления распространения. Численно равна отношению дозы Нмакс в критическом органе или теле человека, созданной данньш ионизирующим излучением с данным направлением распространения (угловым распределением) к переносу одной частицы Ф этого излучения на единицу поверхности (к единичному переносу): ймакс = Нмакс/Ф или 1гмакс='Нмакс/(р, где ’Нмаксмощность максимальной эквивалентной дозы; (р — плотность потока частиц этого излучения. Интегральная доза - энергия, суммарно поглощенная во ecexi объёме облучаемого объекта при локальном облучении (используется в лучевой терапии). Зиверт (Зв, Su) — единица эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ. Названа по имени шведского ученого Зиверта — первого председателя Международной комиссии по радиологической защите, МКРЗ. 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение величины поглощённой дозы в

Грэях (в биологической ткани) на средний коэффициент качества, Wr, равно 1Дж/кг. Это — поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж. 1 Зв = 1 Гр-Wr = 1 Дж/kz-Wr =юо рад гя=юо бэр. При Wr=i (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) г Зв соответствует поглощённой дозе в i Гр: i Зв =гДж/кг = юо рад = юо бэр.

Таким образом, дозиметрическими величинами, рекомендованными для целей радиологической защиты, являются эффективная доза облучения Е и эквивалентная доза Hr на ткань или орган Т. Основными физическими величинами являются флюенс частиц Ф, керма К и поглощенная доза D. Рабочими величинами для мониторинга рабочих зон являются эквивалент амбиентной дозы H*(d) и эквивалент направленной дозы H’(d,D), а величиной для индивидуального мониторинга является эквивалент индивидуальной дозы Hp(d).

Мощность дозы - доза излучения (поглощенная, эквивалентная, эффективная) за единицу времени. Мощность дозы (интенсивность облучения) — приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >