微观剂量学现状及发展趋势

张向龙

摘 要：辐射剂量学是辐射防护的基础，它不仅为辐射防护评价提供理论依据和评价量等参数的实验测量方法，同时还为辐射与人体的作用过程研究、辐射生物效应的评价提供基础数据，为辐射致癌效应和治疗癌症的方法提供技术手段。该文对辐射剂量学的应用领域、发展趋势、理论基础以及剂量学参数的实验测量方法进行了归纳总结，结合我国的剂量学发展的现状，提出了我国急需发展的剂量测试技术以及需要拓展的应用领域。

关键词：宏观剂量学 微剂量学 纳剂量学 组织等效正比计数器

中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0002-03

以辐射与物质相互作用的尺度为基准，剂量学通常可以划分为三个层次：宏观剂量学、微剂量学和纳剂量学。宏观剂量学量是反映组织或器官接受辐射照射水平的平均量，但当组织对特定电离辐射产生大小为D的吸收剂量时，组织中的不同细胞所受的辐射程度是不同的，基于统计平均值的吸收剂量无法体现这种微观作用的随机性。同时，辐射对人体造成的生物效应并不能通过吸收剂量来度量，吸收剂量既没有考虑辐射类型的因素，也没有考虑微观尺度上辐射与人体作用的随机特性。宏观剂量学引入品质因子Q的概念（ICRP103采用辐射权重因子）解决吸收剂量的局限性，并且将品质因子Q与辐射的传能线密度LET联系到一起。

吸收相同剂量引起的生物效应因电离辐射能量沉积的微观分布的不同而有别， 即决定生物效应的因素不仅仅是受照器官或组织中沉积的平均能量，更重要的是能量沉积在时间和微观空间中的分布情况。随着粒子作用靶尺度的减小，尤其降至亚微米量级时，带电粒子能量损失的空间分布不是连续的，能量沉积呈现明显的随机性，此时辐射生物效应很大程度上是由某个物理点所沉积能量的实际大小所决定，而非平均值，因此采用微剂量学[1-2]对辐射效应进行描述更为适宜。20世纪50年代逐渐发展了微剂量学分支，微剂量学研究电离辐射在人体细胞中或尺度为微米级的人体组织中能量沉积事件的分布以及与此相关的人体宏观生物学效应。不同于采用统计平均值的宏观剂量学量，微剂量学采用比能、线能等随机变量来研究辐射的剂量特征。微剂量学原理不仅从理论上为研究辐射生物效应与微观能量沉积分布提供了纽带，而且实验微剂量学原理可以对辐射场的性质进行表征，得到混合辐射场的剂量学特征。

描述微剂量学的核心参数传能线密度是带电粒子能损关于其径迹的平均值，它本身并不能描述带电粒子的径迹结构。而辐射品质同粒子的径迹结构有密切关系，因此通过LET表征辐射品质有一定的局限性。微剂量学期望引入线能的概念代替LET来认识辐射品质的意义，但与传能线密度一样，线能也是能量沉积在径迹长度上的平均值，线能更多地反映出不同事件之间能量沉积的涨落，并不能反映单次能量沉积事件中不同作用过程（电离过程、激发过程等）的随机性，而后者才是决定径迹结构的直接因素。使这种随机性变得显著的方法就是减小与辐射作用的靶的体积，以至于在这种尺寸下辐射与物质的作用不具有统计性。随着放射生物学深入研究，辐射对生物细胞的损伤起始于对细胞内遗传物质DNA某一片段的损伤，对于不同品质的辐射粒子，在2～3 nm区域内的电离产额同DNA双链断裂的产额成正相关，为此产生了纳剂量学。纳剂量学通过理论或实验得到电离辐射在DNA尺度（染色质纤维尺度：25 nm）产生的电离数目ν（包括次级带电粒子引起的电离）的分布，根据此分布定义相关参数与遗传物质DNA发生损伤（单链断裂和双链断裂）的几率建立联系，在考虑粒子径迹结构的基础上评估辐射的品质。

1 理论基础

1.1 宏观剂量学

宏观剂量学采用吸收剂量描述射线在人体组织中的沉积能量。吸收剂量表示授予某一点处单位质量的物质的能量期望值，由下式定义：

（1）

1.2 微剂量学

线能

线能定义为电离辐射与物质小体元发生相互作用时，单次能量沉积事件造成的授予能同该体积元的平均弦长之比，线能由下式表示：

（2）

对于给定的体积元，平均弦长可以通过柯西定理推导得到，由下式确定：

（3）

1.3 纳剂量学

不同于吸收剂量和线能，纳剂量学定义的基本参数是电离簇的大小ν（cluster size）。它是粒子在指定体积内发生电离的次数。理论纳剂量学和实验纳剂量学最终都得到了电离数目ν的分布，它表示一个品质因子为Q的初级辐射粒子穿过特定靶体积时，在靶体积内发生ν个电离过程的概率。

2 实验方法

2.1 微剂量学实验方法

2.1.1 TEPC测量原理

TEPC最早由H.H.Rossi于1960年左右首次提出并用于研究电离辐射在人体细胞中能量沉积事件分布。组织等效材料正比计数器用于微小体积模拟的原理为法诺理论，即粒子在TEPC的壁中能量沉积的空间分布与在气体空腔中相同。当用正比计数器测量线能的概率密度函数f（y）时，可以使用大电离室和低密度填充气体来模拟密度为1 cm3的人体组织在细胞层面上的线能分布[3]。

根据人体细胞等效的组织等效气体的密度可按下式计算组织等效气体的压强。

（4）

2.1.2 探测器结构

H.H.Rossi最早提出并使用正比计数器测量微剂量参数[4]，TEPC具有组织等效性和模拟微观尺寸的可行性[5]，探测器结构见图1。

TEPC的室壁采用了组织等效材料。作为组织等效材料，必须具备组织等效性和导电性。所谓组织等效是指该材料必须和人体组织一样对辐射有相同的阻止本领，而且同人体组织有相同的元素组分。计数管内所充的气体也必须是组织等效气体。通过使用组织等效材料，当辐射通过探测器时可以得到和辐射通过人体组织时相同的能量沉积结果，达到模拟人体组织细胞的目的。ICRU规定了用于人体不同组织的等效材料，比如肌肉组织，脑组织和前列腺组织。用作TEPC室壁的材料除了具有组织等效性还必须考虑到导电性和机械强度等因素。所以实际选材时除了尽量保证所选材料的组织等效性，还要综合考虑其他因素。现在最常用的TEPC的室壁材料是代号为A-150的材料[6]。

在TEPC中填充有组织等效气体。填充气体的成份对TEPC的性能影响较大，尤其是对气体倍增系数的影响。另外还需要使组织等效气体与探测器壁的组织等效材料的元素组分尽量接近。常用的主要有两种气体组分作为组织等效气体，一种是Rossi和Failla发展的基于甲烷的组织等效气体，另一种是Srdoc发展的基于丙烷的组织等效气体。

2.2 纳剂量学实验方法

由于实验条件的限制，纳剂量学发展最初主要依靠径迹结构的蒙卡程序，这些蒙卡程序采用辐射与水的反应截面来近似辐射与DNA分子的作用。目前，探测器技术提供的位置分辨率以及探测器本身的灵敏尺寸都远大于纳米量级，因此采用传统探测技术无法测量发生在纳米尺度范围内的电离事件。

实验微剂量学的技术手段不适用于纳剂量学范畴[7-9]。在纳剂量学中，电离离子对数目非常少，而且平均电离能的概念也失去意义，因此期望通过气体放大来测量电离数目不可行，唯一的办法就是对电离过程产生的电子或离子进行计数。目前，常用单离子计数方法测量纳剂量参数。

2.2.1 单离子计数纳剂量仪原理

单离子纳剂量仪结构见图2，该谱仪主要有三个腔室，最上端的为低气压的电离室，提供初级粒子反应所需的灵敏体积；接着便是处于中度真空的离子漂移通道；最下方是高真空的区域，电离离子在该区域被离子计数器探测到。

2.2.2 离子计数器

正离子在E2作用下最终被电子倍增器（EM）探测到的概率P2则通常认为是100%。电子倍增器件（EM）的工作原理类似于光电倍增管，正离子打到EM的打拿级时会发射出电子，这些电子在EM内部电场的作用下不断的轰击另外的打拿级产生新的电子，最终产生的增益可达107以上。

3 结语

辐射剂量学是辐射防护基础，现已从宏观剂量参数测量发展到纳米量级剂量参数测量，研究领域涉及个人防护、放射治疗以及放射生物学领域。微剂量测量技术虽然剂量能响较好，但存在探测效率较低的问题一直未得到很好的解决；在国外该技术主要用于放疗研究中重粒子LET效应研究，太空中重粒子或中子剂量分布测量和航天员剂量评估，放射生物学中LET效应与辐射损伤参数关系研究等。随着GEM等技术的发展，已逐步克服了探测效率较低的问题，以TEPC作为个人剂量、场所剂量的测量方法逐渐发展成熟，例如法国开发了基于GEM的个人剂量探测设备，该探测器由144个小单元组成，总尺寸为60 mm×60 mm×60 mm，通过增大计数器有效面积的办法可使灵敏度达到20计数/μSv。

纳剂量学是20世纪初才发展起来的测试技术，其应用主要集中在辐射生物损伤效应基础问题研究。由于常规辐射探测原理已不在适用，需要建立新的测试方法，国外只有几家研究单位建立了测试方法，国内并未开展相关研究。随着辐射生物效应研究的深入到DNA尺度，必须获取纳剂量的基本辐射参数。

综上所述，我国的剂量测试技术与国外差距较大。为此急需拓展微剂量测量技术的应用领域，为工作人员的防护和放疗领域的基础研究提供探测方法。同时需要紧跟国外纳米剂量的测量技术，为DNA尺度的射线与物质相互作用的理论建模提供实验验证方法，为深入理解射线对人体产生的辐射危害提供实验手段。

参考文献

[1] 张文忠，郭勇.微剂量的发展及其应用[J].Radiation Pretection，2004，24（6）：388-398.

[2] F.H.阿蒂克思，著.放射物理和辐射剂量学导论[M].崔高显，雷家荣，译.北京：原子能出版社，2004.

[3] H.H.Rossi.Development of microdosimetric counters， past， present and future[J].Radiation Protection Dosimetry，1984，9（3）：161-168.

[4] Soo Hyun Byun， Gloria M.Spirou，HanuA，et al. Simulation and first test of a micro-dosimetric detector based on a thick gas electron multiplier[J].IEEE T NUCL SCI，2009，56（3）：1108-1113.

[5] 张伟华，王志强.组织等效正比计数器的测量原理和方法[J].剂量研究，2008（3）：45-54.

[6] Shonka， R.F.， Rose， J.E.，Faila， G. Conducting Plastic Equivalent to Tissue， Air and Polystyrene[J].Proc Second Uniten Nations Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy，1958.

[7] Reinhard Schulte.Vladimir BashkirovaMapping the sensitive volume of an ion-counting nanodosimeter[J]. INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING AND SISSA， 2006.

[8] G. Garty， S. Shchemelinin， A. Breskin， etal.The performance of a novel ion-counting nanodosimeter[J]. Nucl. Instrum. Meth. A 492 （2002） 212.

[9] G. Garty， R. Schulte， S. Shchemelinin， etal.First attempts at prediction of DNA strand-break yields using nanodosimetric data[J].Radiation Protection Dosimetry，2007，122（1-4）：451-454.

在TEPC中填充有组织等效气体。填充气体的成份对TEPC的性能影响较大，尤其是对气体倍增系数的影响。另外还需要使组织等效气体与探测器壁的组织等效材料的元素组分尽量接近。常用的主要有两种气体组分作为组织等效气体，一种是Rossi和Failla发展的基于甲烷的组织等效气体，另一种是Srdoc发展的基于丙烷的组织等效气体。

2.2 纳剂量学实验方法

由于实验条件的限制，纳剂量学发展最初主要依靠径迹结构的蒙卡程序，这些蒙卡程序采用辐射与水的反应截面来近似辐射与DNA分子的作用。目前，探测器技术提供的位置分辨率以及探测器本身的灵敏尺寸都远大于纳米量级，因此采用传统探测技术无法测量发生在纳米尺度范围内的电离事件。

实验微剂量学的技术手段不适用于纳剂量学范畴[7-9]。在纳剂量学中，电离离子对数目非常少，而且平均电离能的概念也失去意义，因此期望通过气体放大来测量电离数目不可行，唯一的办法就是对电离过程产生的电子或离子进行计数。目前，常用单离子计数方法测量纳剂量参数。

2.2.1 单离子计数纳剂量仪原理

单离子纳剂量仪结构见图2，该谱仪主要有三个腔室，最上端的为低气压的电离室，提供初级粒子反应所需的灵敏体积；接着便是处于中度真空的离子漂移通道；最下方是高真空的区域，电离离子在该区域被离子计数器探测到。

2.2.2 离子计数器

正离子在E2作用下最终被电子倍增器（EM）探测到的概率P2则通常认为是100%。电子倍增器件（EM）的工作原理类似于光电倍增管，正离子打到EM的打拿级时会发射出电子，这些电子在EM内部电场的作用下不断的轰击另外的打拿级产生新的电子，最终产生的增益可达107以上。

3 结语

辐射剂量学是辐射防护基础，现已从宏观剂量参数测量发展到纳米量级剂量参数测量，研究领域涉及个人防护、放射治疗以及放射生物学领域。微剂量测量技术虽然剂量能响较好，但存在探测效率较低的问题一直未得到很好的解决；在国外该技术主要用于放疗研究中重粒子LET效应研究，太空中重粒子或中子剂量分布测量和航天员剂量评估，放射生物学中LET效应与辐射损伤参数关系研究等。随着GEM等技术的发展，已逐步克服了探测效率较低的问题，以TEPC作为个人剂量、场所剂量的测量方法逐渐发展成熟，例如法国开发了基于GEM的个人剂量探测设备，该探测器由144个小单元组成，总尺寸为60 mm×60 mm×60 mm，通过增大计数器有效面积的办法可使灵敏度达到20计数/μSv。

纳剂量学是20世纪初才发展起来的测试技术，其应用主要集中在辐射生物损伤效应基础问题研究。由于常规辐射探测原理已不在适用，需要建立新的测试方法，国外只有几家研究单位建立了测试方法，国内并未开展相关研究。随着辐射生物效应研究的深入到DNA尺度，必须获取纳剂量的基本辐射参数。

综上所述，我国的剂量测试技术与国外差距较大。为此急需拓展微剂量测量技术的应用领域，为工作人员的防护和放疗领域的基础研究提供探测方法。同时需要紧跟国外纳米剂量的测量技术，为DNA尺度的射线与物质相互作用的理论建模提供实验验证方法，为深入理解射线对人体产生的辐射危害提供实验手段。

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[9] G. Garty， R. Schulte， S. Shchemelinin， etal.First attempts at prediction of DNA strand-break yields using nanodosimetric data[J].Radiation Protection Dosimetry，2007，122（1-4）：451-454.

在TEPC中填充有组织等效气体。填充气体的成份对TEPC的性能影响较大，尤其是对气体倍增系数的影响。另外还需要使组织等效气体与探测器壁的组织等效材料的元素组分尽量接近。常用的主要有两种气体组分作为组织等效气体，一种是Rossi和Failla发展的基于甲烷的组织等效气体，另一种是Srdoc发展的基于丙烷的组织等效气体。

2.2 纳剂量学实验方法

由于实验条件的限制，纳剂量学发展最初主要依靠径迹结构的蒙卡程序，这些蒙卡程序采用辐射与水的反应截面来近似辐射与DNA分子的作用。目前，探测器技术提供的位置分辨率以及探测器本身的灵敏尺寸都远大于纳米量级，因此采用传统探测技术无法测量发生在纳米尺度范围内的电离事件。

实验微剂量学的技术手段不适用于纳剂量学范畴[7-9]。在纳剂量学中，电离离子对数目非常少，而且平均电离能的概念也失去意义，因此期望通过气体放大来测量电离数目不可行，唯一的办法就是对电离过程产生的电子或离子进行计数。目前，常用单离子计数方法测量纳剂量参数。

2.2.1 单离子计数纳剂量仪原理

单离子纳剂量仪结构见图2，该谱仪主要有三个腔室，最上端的为低气压的电离室，提供初级粒子反应所需的灵敏体积；接着便是处于中度真空的离子漂移通道；最下方是高真空的区域，电离离子在该区域被离子计数器探测到。

2.2.2 离子计数器

正离子在E2作用下最终被电子倍增器（EM）探测到的概率P2则通常认为是100%。电子倍增器件（EM）的工作原理类似于光电倍增管，正离子打到EM的打拿级时会发射出电子，这些电子在EM内部电场的作用下不断的轰击另外的打拿级产生新的电子，最终产生的增益可达107以上。

3 结语

辐射剂量学是辐射防护基础，现已从宏观剂量参数测量发展到纳米量级剂量参数测量，研究领域涉及个人防护、放射治疗以及放射生物学领域。微剂量测量技术虽然剂量能响较好，但存在探测效率较低的问题一直未得到很好的解决；在国外该技术主要用于放疗研究中重粒子LET效应研究，太空中重粒子或中子剂量分布测量和航天员剂量评估，放射生物学中LET效应与辐射损伤参数关系研究等。随着GEM等技术的发展，已逐步克服了探测效率较低的问题，以TEPC作为个人剂量、场所剂量的测量方法逐渐发展成熟，例如法国开发了基于GEM的个人剂量探测设备，该探测器由144个小单元组成，总尺寸为60 mm×60 mm×60 mm，通过增大计数器有效面积的办法可使灵敏度达到20计数/μSv。

纳剂量学是20世纪初才发展起来的测试技术，其应用主要集中在辐射生物损伤效应基础问题研究。由于常规辐射探测原理已不在适用，需要建立新的测试方法，国外只有几家研究单位建立了测试方法，国内并未开展相关研究。随着辐射生物效应研究的深入到DNA尺度，必须获取纳剂量的基本辐射参数。

综上所述，我国的剂量测试技术与国外差距较大。为此急需拓展微剂量测量技术的应用领域，为工作人员的防护和放疗领域的基础研究提供探测方法。同时需要紧跟国外纳米剂量的测量技术，为DNA尺度的射线与物质相互作用的理论建模提供实验验证方法，为深入理解射线对人体产生的辐射危害提供实验手段。

参考文献

[1] 张文忠，郭勇.微剂量的发展及其应用[J].Radiation Pretection，2004，24（6）：388-398.

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[4] Soo Hyun Byun， Gloria M.Spirou，HanuA，et al. Simulation and first test of a micro-dosimetric detector based on a thick gas electron multiplier[J].IEEE T NUCL SCI，2009，56（3）：1108-1113.

[5] 张伟华，王志强.组织等效正比计数器的测量原理和方法[J].剂量研究，2008（3）：45-54.

[6] Shonka， R.F.， Rose， J.E.，Faila， G. Conducting Plastic Equivalent to Tissue， Air and Polystyrene[J].Proc Second Uniten Nations Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy，1958.

[7] Reinhard Schulte.Vladimir BashkirovaMapping the sensitive volume of an ion-counting nanodosimeter[J]. INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING AND SISSA， 2006.

[8] G. Garty， S. Shchemelinin， A. Breskin， etal.The performance of a novel ion-counting nanodosimeter[J]. Nucl. Instrum. Meth. A 492 （2002） 212.

[9] G. Garty， R. Schulte， S. Shchemelinin， etal.First attempts at prediction of DNA strand-break yields using nanodosimetric data[J].Radiation Protection Dosimetry，2007，122（1-4）：451-454.