外照射實用量及其局限性

張良安

外照射實用量及其局限性

張良安

外照射；實用量；局限性

1 概述

在輻射防護和核事故應急中，我們面臨的問題就是用什么樣的量進行測量和評估更為合理。通常把這樣的量分為防護量和實用量兩大類。這兩類量隨著人們對事物認識的深入和科學技術的發展，都發生了演變。

國際輻射防護委員會（ICRP）最先定義的輻射防護量是劑量當量，后來演變成有效劑量當量，從ICRP 60號出版物發表以來，有效劑量就成為了關鍵的輻射防護量。除了有效劑量外，通常將器官或組織的當量劑量也歸屬于輻射防護評價量。輻射防護中的劑量限值用輻射防護量表述，但輻射防護量不是點量，是不可測量的量。為了與劑量限值進行輻射防護評價，就需要通過一些可測量來對其進行估算，這類可測量就稱為實用量。

早先用于外照射的實用量是最大容許劑量當量（MADE），這個量當時也有人用MPDE表示；在ICRP26號出版物中，將MADE演變為劑量當量指數；在ICRP60號出版物中將其演變為周圍、定向和個人劑量當量。

物理量、輻射防護量和外照射實用量的關系如圖1所示。

2 外照射實用量

圖1 物理量、輻射防護量和外照射實用量的關系

2.1 外照射實用量 外照射實用量主要指周圍劑量當量H*（d），定向劑量當量H′（d,α）和個人劑量當量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

周圍劑量當量，H*（d）：是相應的擴展和齊向場中，在ICRU球內與齊向場方向相反的半徑上，其深度為d的輻射場中某一點處的劑量當量，其單位為焦耳每千克(J?kg-1)，單位的專用名為希沃特（Sv）。對強貫穿輻射，d為10mm，周圍劑量當量可表示為H*（10）；對弱貫穿輻射，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）。

上述定義中的擴展輻射場是一個假設的輻射場，它是參考點的實際輻射場內的感興趣體積內的注量、角度和能量分布都相同的輻射場；擴展和齊向場是一個假設的輻射場，在這個輻射場內，注量及其能量分布是相同的，而且注量是單向的。

定向劑量當量H′（d,α）：輻射場中某一點的定向劑量當量H′（d,Ω），是在相應擴展場中，ICRU球內的特定方向Ω的半徑上，深度為d處的劑量當量，其單位為焦耳每千克（J?kg-1），專用名為希沃特（Sv）。

個人劑量當量是人體（或模體）表面指定點下，適當深度d處軟組織的劑量當量，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，用適當模體，可以對HP（d）進行初級校準，而一般不對H*（d）、H′（d，α）進行初級校準，國際度量衡局（BIPM）具有一個估算H*（10）的ICRU的模擬球。

儀器校準時，通常用注量率φ(中子)，空氣比釋動能率Ka(光子)，ICRU 4元件的組織的吸收劑量率(電子)分別為其目標量，同時應用注量（或空氣比釋動能或組織吸收劑量）到劑量當量的換算系數。轉換系數是國際輻射單位與測量委員會（ICRU）和ICRP建議的固定單能值參考值，并明確沒有不確定度。各種實用量與防護評價目標的關系如表1所示。

ICRP 116號出版物指出：對大多數輻射實際應用防護實踐而言，在較寬的粒子能量和方向分布范圍，光子、中子和電子的實用量可繼續提供評價量的良好近似；ICRP 74號出版物（1996）與本出版物劑量系數數值的基本一致性，表明“有效劑量”的穩健特性。因此，在“常規”能量范圍，目前實用量的劑量系數仍然能非常好地滿足防輻射的需求，但問題會發生在一些新增的輻射類型和更高能量范圍，比如在空間應用及高能加速器輻射照射的應用越來越廣泛，在這些高能量應用范圍，實用量與輻射防護量之間的關系需要進一步研究。

表1 各種實用量與防護憑借目標的關系

2.2 空氣比釋動能近似 在ICRU 57號報告/ ICRP 74號出版物中發表的所有光子轉換系數的計算均使用了比釋動能近似。ICRP出版物116的有效劑量計算程序是跟蹤次級帶電粒子的完全輸運計算方法。在比釋動能近似中，是認為所發射的次級帶電粒子的所有能量都沉積在發生反應處的體積元件里。如果在體積元中次級帶電粒子平衡條件存在，這時比釋動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）表面次級帶電粒子平衡條件存在是很難達到的，具體見圖3。因此，這時的空氣比釋動能與吸收劑量的關系極其復雜，無法通過空氣比釋動能來確定吸收劑量。

在下列情況下比釋動能與吸收劑量在數值上接近：H*(10)和Hp(10)，光子最大能量約3MeV；對H′（3，Ω）和（3），最大光子能量為750 keV；對H′（0.07，Ω）和Hp（0.07），最大光子能量為70 keV。在10MeV用的使用完全輸運計算的光子轉換系數，對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，并且存在一些計算依賴于分子組合物的問題。

劑量當量定義為組織的吸收劑量乘以輻射品質因子Q，Q由函數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（或小體積）的非限制線性能量轉移，L∞。在某些情況下，評估皮膚或晶狀體的個人監測實用量與高LET輻射的確定性效應有關。

有兩個不同組的能量密度，注量到空氣比釋動能的轉換系數存在，即ICRU57號報告/ICRP 74號出版物兩組值，應分析這兩組的一致性。

H（p10）雖然定義在模體內異地深度，但實際是表面測量。

ICRP 110出版物所定義規范的模體對轉換系數計算值會產生影響，因此應按新模體對相關系數進行重新計算，需要有晶狀體、四肢和皮膚的模體。

3 ICRP116出版物

ICRP 74號出版物與ICRP 116號出版物在計算方法和計算所采用的模型上均有較大不相同。在方法上，ICR74號出版物采用的是比釋動能近似，而ICRP 116號出版物采用的是跟蹤次級帶電粒子的完全輸運方法。在模體上，ICRP 74號出版物采用的是醫用內照射劑量（MIRD）數學模型，而ICRP 116號出版物采用的是ICRP 110號出版物推薦的參考人模型。應當說，ICRP 116號出版物給出的劑量轉換系數及其有效劑量估算方法是對ICRP 74號出版物的計算方法的改進。

3.1 ICRP 116號出版物的簡單介紹 ICRP 116號出版物的劑量系數考慮的粒子、粒子能量和入射幾何方式，如圖4所示。

圖4 ICRP 116號出版物的劑量系數考慮的粒子、粒子能量和入射幾何方式

ICRP 116號出版物的劑量系數考慮了性別的差異，圖5（a）是后前入射時（PA）胃的劑量轉換系數的性別差異；圖5（b）是右側入射（LLAT）時肝的劑量轉換系數的性別差異。

圖5 ICRP 116號出版物的劑量系數的性別差異

ICRP 116號出版物的劑量系數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的劑量系數的差異，當光子能量在2×10-1～8×101范圍，入射方式對劑量系數的影響不大。圖7是中子不同入射幾何方式時的劑量系數的差異，當中子能量＞6×101，入射方式對劑量系數的影響不大。

ICRP 116號出版物給出了正電子和電子的劑量系數，圖8分析了這兩種電子在不同入射方式時，胰腺劑量系數隨能量的變化。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幾乎沒有變化，電子的變化趨勢也類似。當能量＞4×101時，正電子與電子的胰腺劑量系數隨能量的變化相同。但當能量＜4×101時，隨能量的減少，正電子與電子的胰腺劑量系數隨能量差異變大，能量2×10-2時，其差異在7個數量級以上，這時電子的胰腺劑量貢獻可以不考慮，但正電子卻應當考慮。

圖6 光子不同入射幾何方式時的劑量系數的差異

圖7 中子不同入射幾何方式時的劑量系數的差異

3.2 ICRP 74與ICRP 116結果差異舉例 圖9是ICRP 74號出版物與ICRP 116號出版物比釋動能到晶狀體劑量轉換系數的比較分析圖。從圖中可以看出，當光子能量低于1MeV時，兩個出版物給出的晶狀體劑量的轉換系數十分相近。但隨著能量的增加，兩個出版物給出的晶狀體劑量的轉換系數的差異就變得越來越大，但光子能量在6～10MeV，這個差值在3倍左右。

圖8 兩種電子的胰腺劑量系數隨入射方式和電子能量的變化

圖9 ICRP 74與ICRP 116眼晶體劑量轉換系數的比較

圖10是ICRP 74號出版物與ICRP 116號出版物比釋動能到皮膚劑量轉換系數的比較分析圖。從圖中可以看出，當光子能量低于0.8 MeV時，兩個出版物物給出的皮膚劑量的轉換系數十分相近。但隨著能量的增加，兩個出版物給出的皮膚劑量的轉換系數的差異就變得越來越大，但光子能量在10 MeV，這個差值在2.1倍左右。

圖11是ICRP 74號出版物與ICRP 116號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號出版物表述為new。從圖11可以看出：光子能量大于1MeV時，3種入射方式均表現出用ICRP 74號出版物方法估算的有效劑量要大些；當后前入射時（PA），用ICRP 74號出版物方法估算的有效劑量比用ICRP 116號出版物方法估算的有效劑量結果大，特別是能量低于0.04MeV時，這一問題更為明顯；當前后入射（AP）和各向同性入射（ISO）時，用ICRP 116號出版物方法估算的有效劑量比用ICRP 74號出版物方法估算的有效劑量結果大，特別是能量低于0.07 MeV時，這一問題更為明顯。

圖10 ICRP 74與ICRP 116皮膚劑量轉換系數的比較

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號出版物與ICRP 116號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號出版物表述為new或present。從圖12可以看出：當中子能量小于1MeV時，不同入射方式，均表現出用ICRP 74號出版物方法估算的有效劑量比用ICRP116號出版物方法估算的值要大些。中子能量低于0.1MeV時其比值在0.5～0.58范圍，隨后比值迅速上升到1；當中子能量在1～10 MeV時，不同入射方式均表現出用ICRP 74號出版物方法估算的有效劑量比用ICRP 116號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號出版物與ICRP 60號出版物中子輻射權重因子的比值，其比值的變化趨勢與上述有效劑量比值的變化趨勢類似。

4 劑量轉換系數還需解決的問題

盡管ICRP 116出版物采用跟蹤次級帶電粒子的完全輸運計算方法，而且采用了新的模體，只能說是對ICRP 74出版物的改進，但實用量還面對一些新技術，特別是高能粒子的應用帶來的新問題需要解決。例如，越來越多地使用具有≥20MV光子和電子的放療醫療加速器（高能質子和重離子加速器放射治療的應用）；使用回旋加速器生產放射性藥物；研究用高能粒子加速器附近的輻射場；天然源中的高能量輻射（在高度恒高的航空和宇航）等。這時面臨的主要問題如下。

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粒子和初級輻射的散射對劑量當量的貢獻。而且，對H*(10)而言，這些分量無法做到齊向。對光子，次級電子射程為10mm的能量為2 MeV，對中子的能量為35MeV，當光子能量＞2MeV，中子能量＞35MeV時，H*(10)和Hp(10)的定義就存在問題。

對于更高的能量，位于空氣的ICRU球，為了實現在表面次級帶電粒子平衡，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。當前，用于劑量計校準的參考光子場中，次級帶電粒子平衡是用輻射源和校準劑量計之間的組織等效材料來近似實現的，通常的深度為10mm。而10mm的深度對高能光子和中子是不充分的，這時需要加大深度，但這個深度又隨能量變化，因此很難有一個準確的參考深度。

要解決上述問題，國際上還沒有統一的意見。有的主張，常用能量范圍，相關定義，ICRU球，Q值不改變，對高能光子、中子另定義實用量、ICRU球；也有的主張徹底修改實用量的定義；還有人提出改變劑量系數，確定最大有效劑量的劑量系數Emax/Φ（Φ是注量），和不同深度d的H*(d)/Φ,d是能量的函數，例如：對光子，能量＜3 MeV，d=10 mm；能量在3～10MeV，d=25mm；能量≥10MeV，d=105mm。對中子，能量＜10MeV，d=25mm；能量≥10MeV，d=105mm。

總之，實用量的相關劑量估算方法和劑量系數，ICRP 116號出版物（2010）相對ICRP 74號出版物（1997）和ICRU 57號報告有了很大改進。但在一些新增的輻射類型和更高能量范圍，例如，在空間應用及高能加速器輻射照射的應用越來越廣泛；在這些高能量應用范圍，實用量與輻射防護量之間的關系需要進一步研究。

[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）

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A

2095-3496（2015）04-0245-05

300092 天津，中國醫學科學院放射醫學研究所（張良安）