Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) ионизирующих излучений, эквивалентная и эффективная дозы

В параграфе 3.5 мы отмечали, что разные по природе излучения, теряя одну и ту же энергию в биологическом объекте, приводят к разным последствиям. В то же время универсальной величины, которая полностью определяла бы качество излучения, нет. Тем не менее во многих случаях, особенно в области противорадиационной защиты, ЛПЭ оказывается удобной физической характеристикой качества излучения. Более того, теперь мы знаем, что и радиомодифицирующий эффект зависит от ЛПЭ.

В радиобиологии для количественной оценки качества излучения было введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ). ОБЭ — это отношение поглощенной дозы образцового излучения[1] — D0, вызывающего определенный биологический эффект, к поглощенной дозе данного излучения — Dx, вызывающего тот же биологический эффект:

Относительная биологическая эффективность зависит от многих факторов и определяется в конкретных условиях радиобиологического эксперимента. Если ЛПЭ характеризует существенные физические аспекты излучений, то ОБЭ призвана сделать это же в биологическом плане. Естественно, что они должны быть связаны между собой. В первом приближении можно считать, что при тщательном соблюдении экспериментальных условий для сравниваемого эффекта ОБЭ зависит только от ЛПЭ. Поскольку ЛПЭ связана с проникающей способностью ионизирующих излучений, точная оценка ОБЭ может быть сделана лишь с учетом особенностей распределения дозы в облучаемом биообъекте. При невыполнении этого обязательного требования неизбежна неправильная интерпретация полученных результатов исследования. Поэтому корректные оценки ОБЭ и ее зависимость от ЛПЭ получены лишь в тех случаях, когда в качестве системы изучения используют клетки или другие мелкие объекты, в которых энергия излучения распределяется равномерно по всему объему.

Чтобы качественно понять, почему ОБЭ вначале должна увеличиваться с ростом ЛПЭ, обратимся к рис. 4.1. На рисунке схематически представлено распределение актов ионизации вдоль треков заряженных частиц различной природы и энергии в микрообъеме (от поражения которого зависит проявление регистрируемой реакции). Видно, что эффективный объем может совсем не поражаться, если речь идет о редкоионизирующем излучении — электроны с энергией 500 кэВ на рис. 4.1; с ростом ЛПЭ вероятность поражения увеличивается.

Отрезки траекторий различных заряженных частиц, дающие представление о распределении актов ионизации и возбуждения

Рис. 4.1. Отрезки траекторий различных заряженных частиц, дающие представление о распределении актов ионизации и возбуждения

Если первое приближение нас не удовлетворяет, то мы обнаруживаем, что величина ОБЭ зависит не только от вида излучения и его ЛПЭ, но и от исследуемого эффекта, а также от множества других факторов. Такими факторами являются величина и мощность дозы, до- и пострадиационные условия, режим фракционирования, наличие, дефицит или отсутствие кислорода. ОБЭ зависит от дозы и ее распределения во времени.

Очевидно, что с ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к восстановлению. Соотношение ЛПЭ и ОБЭ имеет максимум. Заметный рост ОБЭ начинается с ЛПЭ, равной 10 кэВ/мкм, достигает максимального значения при ЛПЭ —100 кэВ/мкм, а с последующим увеличением ЛПЭ резко падает. Это наглядно демонстрируют экспериментальные зависимости выживаемости клеток человека (рис. 4.2).

Видно, что величина ОБЭ зависит от степени поражения, снижаясь с увеличением степени поражения. При 80—90 %-х уровнях выживаемости клеток почки человека ОБЭ составляет —8, а при 1—10 %-й выживаемости — всего —3.

Это обусловлено тем, что гибель клетки происходит после поглощения достаточного количества энергии в ее критическом объеме. С ростом ЛПЭ вероятность поражения увеличивается, но после некоторого значения ЛПЭ наступает насыщение, и каждая последующая частица теряет энергию уже в пораженной клетке. Продемонстрировать это схематически в общем случае призван рис. 4.3. После оптимального значения ЛПЭ, когда наблюдается максимум пораженных клеток на единицу дозы (т. е. разменивается ровно столько энергии, сколько нужно для поражения всех мишеней), наступает эффект избыточного поражения. Эффективность излучений с такой высокой ЛПЭ падает, так как энергия расходуется «вхолостую».

Зависимости выживаемости клеток почки человека (ОБЭ) от ЛПЭ. Кривые 1,2 и 3 отражают соответственно 80,10 и 1 % выживаемости

Рис. 4.2. Зависимости выживаемости клеток почки человека (ОБЭ) от ЛПЭ. Кривые 1,2 и 3 отражают соответственно 80,10 и 1 % выживаемости

этих клеток

Схематическое представление эффекта избыточного поражения клетки, когда достаточно двух попаданий в мишень

Рис. 4.3. Схематическое представление эффекта избыточного поражения клетки, когда достаточно двух попаданий в мишень (по Э. Холлу, 2000). ОБЭ растет с увеличением ЛПЭ и достигает максимума при ЛПЭ ~100 кэВ/мкм, когда достаточно двух попаданий в мишень (~2 нм) для возникновения двойного разрыва ДНК, следствием которого является гибель клетки или мутация (оптимальное значение ЛПЭ). Дальнейший рост ЛПЭ сопровождается «перепоражением»

К подобным результатам приводят исследования по сравнению последствий однократного и фракционированного облучений одинаковыми дозами плотноионизирующих излучений, например нейтронами и рентгеновским излучением. Оказывается, что при фракционированном облучении различия в дозах выражены в значительно большей степени, чем при однократном. При пролонгированном или фракционированном облучении ОБЭ плотноионизирующих излучений относительно редкоионизирующих значительно увеличивается по сравнению с однократным воздействием. Это обусловлено характерными для облучения редкоионизирующими излучениями процессами восстановления, облегчающимися при пролонгировании или фракционировании облучения.

Определения коэффициентов ОБЭ в экспериментах, проведенных на относительно крупных животных, в большинстве случаев теряют смысл, так как при этом не может быть обеспечена адекватность условий опытов и прежде всего равномерность распределения поглощенных доз в тканях для разных видов излучений. Концепция ОБЭ используется в тех случаях, когда могут быть строго учтены все условия эксперимента, а различия в биологическом действии сравниваемых видов излучения определяются лишь свойствами последних. Во всех остальных случаях (сюда же входят все практически важные случаи) знание величины поглощенной дозы недостаточно для точного предсказания ни степени тяжести, ни вероятности возникновения эффектов поражения.

Для целей радиационной защиты вместо отношения доз, индуцирующих одинаковый биологический эффект, т. е. ОБЭ, ввели отношения доз, индуцирующих равные эффекты (независимо от механизма их возникновения). Эти отношения получили наименование — взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения (WR).

WR являются регламентированными величинами, устанавливаемыми специальными научными комиссиями на основании медицинских и радиобиологических данных и предназначенными для контроля радиационной опасности. По мере накопления и уточнения данных по биологическому действию излучений значения WR для различных видов излучений могут быть пересмотрены. Являясь основой при установлении норм, обеспечивающих радиационную безопасность, значения взвешивающих коэффициентов в России узакониваются ГОСТ и нормами радиационной безопасности.

Численные значения WR, конечно, зависят от ЛПЭ излучения. Такую зависимость можно установить на основе обобщения и анализа данных по ОБЭ с учетом накопленных знаний по последствиям облучения, а никак не путем прямого наблюдения этой связи. Поскольку вода является основным компонентом клетки и всего организма человека, для анализа (установления) этой зависимости можно взять средние значения ЛПЭ в воде.

В конечном счете для целей радиационной защиты была введена так называемая эквивалентная доза, которая лучше, чем поглощенная доза, коррелирует с возможными неблагоприятными последствиями профессионального облучения. Эквивалентная доза (HTR) — это поглощенная доза в Т-м органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, WR::

где Dtr — средняя поглощенная доза в органе или ткани T;WR — взвешивающий коэффициент для излучения R. При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения. Единица эквивалентной дозы названа по имени шведского ученого Р. Зиверта, первого председателя МКРЗ, — зивертом (Зв). При дозе 1 Зв и взвешивающем коэффициенте WR поглощенная энергия равна 1 /WR Дж/кг. Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр. Он равен сотой части зиверта. Для практических расчетов в НРБ-99/2009 таблица значений WR приведена в виде, показанном в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Взвешивающие коэффициенты WR для отдельных видов излучения2, необходимые для расчета эквивалентной дозы

Вид излучения

Фотоны любых энергий

1

Электроны и мюоны любых энергий

1

Нейтроны:

с энергией менее 10 кэВ

2

от 10 кэВ до 100 кэВ

4

от 100 кэВ до 2 МэВ

12

от 2 МэВ до 20 МэВ

8

более 20 МэВ

5

Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи

5

Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра

20

Разные органы одного организма облучаются, как правило, по-разному. Для точного предсказания степени тяжести или вероятности возник- 1 2 [2] [3]

новения эффектов радиационного поражения помимо понятия «эквивалентная доза» потребовалось ввести и термин «эффективная доза». Эффективная доза при неравномерном по органам и тканям облучении организма равна такой эквивалентной дозе при равномерном облучении, при которой риск неблагоприятных последствий для человека в целом оказывается тем же, что и при данном неравномерном облучении.

Эффективная доза — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах Нт на соответствующие взвешивающие коэффициенты1 для данных органов или тканей:

где Нт — эквивалентная доза в ткани Г; WT— взвешивающий коэффициент для ткани Г. Единица эффективной дозы — зиверт (Зв). Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (Wr) представлены в табл. 4.3. Числовые значения взвешивающих коэффициентов устанавливаются на основе коэффициентов риска, которые, в свою очередь, выводятся из данных радиобиологических и медицинских исследований. Концепция эффективной дозы в аспекте радиационной безопасности исходит из признания линейной беспоро- говой модели радиационного действия.

Таблица 4.3

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов согласно НРБ-99/2009

Орган или ткань человека

Взвешивающие коэффициенты, WT

Гонады

0,20

Костный мозг (красный)

0,12

Толстый кишечник

0,12

Легкие

0,12

Желудок

0,12

Мочевой пузырь

0,05

Грудная железа

0,05

Печень

0,05

Пищевод

0,05

1 Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов — это множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации.

Окончание табл. 4.3

Орган или ткань человека

Взвешивающие коэффициенты, WT

Щитовидная железа

0,05

Кожа

0,01

Клетки костных поверхностей

0,01

Остальное

0,05*

* «Остальное» включает в себя надпочечники, головной мозг, экстраторокаль- ный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. Если один из этих органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из 12 органов или тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям из рубрики «Остальное» приписать суммарный коэффициент, равный 0,025.

  • [1] В качестве образцового излучения принимают рентгеновское излучение с граничной энергией фотонов 200 кэВ.
  • [2] Теперь мы можем дать окончательную формулировку для определения WR. Коэффициент качества есть зависящий от ЛПЭ коэффициент, на который нужно умножитьпоглощенную дозу, чтобы для целей противорадиационной защиты биологическийэффект облучения людей выражался в одной и гой же мере независимо от вида излучения.
  • [3] Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннегооблучения — к испускаемому при ядерном превращении.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >