外照射实用量及其局限性

张良安

外照射实用量及其局限性

张良安

外照射；实用量；局限性

1 概述

在辐射防护和核事故应急中，我们面临的问题就是用什么样的量进行测量和评估更为合理。通常把这样的量分为防护量和实用量两大类。这两类量随着人们对事物认识的深入和科学技术的发展，都发生了演变。

国际辐射防护委员会（ICRP）最先定义的辐射防护量是剂量当量，后来演变成有效剂量当量，从ICRP 60号出版物发表以来，有效剂量就成为了关键的辐射防护量。除了有效剂量外，通常将器官或组织的当量剂量也归属于辐射防护评价量。辐射防护中的剂量限值用辐射防护量表述，但辐射防护量不是点量，是不可测量的量。为了与剂量限值进行辐射防护评价，就需要通过一些可测量来对其进行估算，这类可测量就称为实用量。

早先用于外照射的实用量是最大容许剂量当量（MADE），这个量当时也有人用MPDE表示；在ICRP26号出版物中，将MADE演变为剂量当量指数；在ICRP60号出版物中将其演变为周围、定向和个人剂量当量。

物理量、辐射防护量和外照射实用量的关系如图1所示。

2 外照射实用量

图1 物理量、辐射防护量和外照射实用量的关系

2.1 外照射实用量 外照射实用量主要指周围剂量当量H*（d），定向剂量当量H′（d,α）和个人剂量当量HP（d）。他们的定义方式如图2所示。

图2 H*（d）、H′（d，α）和Hp（d）定义的图示

周围剂量当量，H*（d）：是相应的扩展和齐向场中，在ICRU球内与齐向场方向相反的半径上，其深度为d的辐射场中某一点处的剂量当量，其单位为焦耳每千克(J∙kg-1)，单位的专用名为希沃特（Sv）。对强贯穿辐射，d为10mm，周围剂量当量可表示为H*（10）；对弱贯穿辐射，皮肤深度为0.07mm，晶状体深度为3mm，分别表示为H*（0.07）和H*（3）。

上述定义中的扩展辐射场是一个假设的辐射场，它是参考点的实际辐射场内的感兴趣体积内的注量、角度和能量分布都相同的辐射场；扩展和齐向场是一个假设的辐射场，在这个辐射场内，注量及其能量分布是相同的，而且注量是单向的。

定向剂量当量H′（d,α）：辐射场中某一点的定向剂量当量H′（d,Ω），是在相应扩展场中，ICRU球内的特定方向Ω的半径上，深度为d处的剂量当量，其单位为焦耳每千克（J∙kg-1），专用名为希沃特（Sv）。

个人剂量当量是人体（或模体）表面指定点下，适当深度d处软组织的剂量当量，用Hp（d）表示。单位是焦耳每千克（J∙kg-1），专用名是希沃特（Sv）。

要注意的是，用适当模体，可以对HP（d）进行初级校准，而一般不对H*（d）、H′（d，α）进行初级校准，国际度量衡局（BIPM）具有一个估算H*（10）的ICRU的模拟球。

仪器校准时，通常用注量率φ(中子)，空气比释动能率Ka(光子)，ICRU 4元件的组织的吸收剂量率(电子)分别为其目标量，同时应用注量（或空气比释动能或组织吸收剂量）到剂量当量的换算系数。转换系数是国际辐射单位与测量委员会（ICRU）和ICRP建议的固定单能值参考值，并明确没有不确定度。各种实用量与防护评价目标的关系如表1所示。

ICRP 116号出版物指出：对大多数辐射实际应用防护实践而言，在较宽的粒子能量和方向分布范围，光子、中子和电子的实用量可继续提供评价量的良好近似；ICRP 74号出版物（1996）与本出版物剂量系数数值的基本一致性，表明“有效剂量”的稳健特性。因此，在“常规”能量范围，目前实用量的剂量系数仍然能非常好地满足防辐射的需求，但问题会发生在一些新增的辐射类型和更高能量范围，比如在空间应用及高能加速器辐射照射的应用越来越广泛，在这些高能量应用范围，实用量与辐射防护量之间的关系需要进一步研究。

表1 各种实用量与防护凭借目标的关系

2.2 空气比释动能近似 在ICRU 57号报告/ ICRP 74号出版物中发表的所有光子转换系数的计算均使用了比释动能近似。ICRP出版物116的有效剂量计算程序是跟踪次级带电粒子的完全输运计算方法。在比释动能近似中，是认为所发射的次级带电粒子的所有能量都沉积在发生反应处的体积元件里。如果在体积元中次级带电粒子平衡条件存在，这时比释动能与吸收剂量具有近似相同的值。需要注意的是在很多情况下，模体（或身体）表面次级带电粒子平衡条件存在是很难达到的，具体见图3。因此，这时的空气比释动能与吸收剂量的关系极其复杂，无法通过空气比释动能来确定吸收剂量。

在下列情况下比释动能与吸收剂量在数值上接近：H*(10)和Hp(10)，光子最大能量约3MeV；对H′（3，Ω）和（3），最大光子能量为750 keV；对H′（0.07，Ω）和Hp（0.07），最大光子能量为70 keV。在10MeV用的使用完全输运计算的光子转换系数，对H*(10)低估有效剂量大约3倍。

图3 在模体表面的剂量分布

2.3 外照射实用量的局限性 40多年前定义的ICRU球是基于ICRU4元件组织等效材料的定义，但这种材料并不真正存在，也不能制造，并且存在一些计算依赖于分子组合物的问题。

剂量当量定义为组织的吸收剂量乘以辐射品质因子Q，Q由函数Q(L)定义，其中L是水中（不是组织材料）感兴趣的带电粒子穿越点（或小体积）的非限制线性能量转移，L∞。在某些情况下，评估皮肤或晶状体的个人监测实用量与高LET辐射的确定性效应有关。

有两个不同组的能量密度，注量到空气比释动能的转换系数存在，即ICRU57号报告/ICRP 74号出版物两组值，应分析这两组的一致性。

H（p10）虽然定义在模体内异地深度，但实际是表面测量。

ICRP 110出版物所定义规范的模体对转换系数计算值会产生影响，因此应按新模体对相关系数进行重新计算，需要有晶状体、四肢和皮肤的模体。

3 ICRP116出版物

ICRP 74号出版物与ICRP 116号出版物在计算方法和计算所采用的模型上均有较大不相同。在方法上，ICR74号出版物采用的是比释动能近似，而ICRP 116号出版物采用的是跟踪次级带电粒子的完全输运方法。在模体上，ICRP 74号出版物采用的是医用内照射剂量（MIRD）数学模型，而ICRP 116号出版物采用的是ICRP 110号出版物推荐的参考人模型。应当说，ICRP 116号出版物给出的剂量转换系数及其有效剂量估算方法是对ICRP 74号出版物的计算方法的改进。

3.1 ICRP 116号出版物的简单介绍 ICRP 116号出版物的剂量系数考虑的粒子、粒子能量和入射几何方式，如图4所示。

图4 ICRP 116号出版物的剂量系数考虑的粒子、粒子能量和入射几何方式

ICRP 116号出版物的剂量系数考虑了性别的差异，图5（a）是后前入射时（PA）胃的剂量转换系数的性别差异；图5（b）是右侧入射（LLAT）时肝的剂量转换系数的性别差异。

图5 ICRP 116号出版物的剂量系数的性别差异

ICRP 116号出版物的剂量系数考虑了射线入射几何方式的差异。图6是光子不同入射几何方式时的剂量系数的差异，当光子能量在2×10-1～8×101范围，入射方式对剂量系数的影响不大。图7是中子不同入射几何方式时的剂量系数的差异，当中子能量＞6×101，入射方式对剂量系数的影响不大。

ICRP 116号出版物给出了正电子和电子的剂量系数，图8分析了这两种电子在不同入射方式时，胰腺剂量系数随能量的变化。从图中可以看出，PA和AP两种入射的正电子的胰腺剂量系数几乎没有变化，电子的变化趋势也类似。当能量＞4×101时，正电子与电子的胰腺剂量系数随能量的变化相同。但当能量＜4×101时，随能量的减少，正电子与电子的胰腺剂量系数随能量差异变大，能量2×10-2时，其差异在7个数量级以上，这时电子的胰腺剂量贡献可以不考虑，但正电子却应当考虑。

图6 光子不同入射几何方式时的剂量系数的差异

图7 中子不同入射几何方式时的剂量系数的差异

3.2 ICRP 74与ICRP 116结果差异举例 图9是ICRP 74号出版物与ICRP 116号出版物比释动能到晶状体剂量转换系数的比较分析图。从图中可以看出，当光子能量低于1MeV时，两个出版物给出的晶状体剂量的转换系数十分相近。但随着能量的增加，两个出版物给出的晶状体剂量的转换系数的差异就变得越来越大，但光子能量在6～10MeV，这个差值在3倍左右。

图8 两种电子的胰腺剂量系数随入射方式和电子能量的变化

图9 ICRP 74与ICRP 116眼晶体剂量转换系数的比较

图10是ICRP 74号出版物与ICRP 116号出版物比释动能到皮肤剂量转换系数的比较分析图。从图中可以看出，当光子能量低于0.8 MeV时，两个出版物物给出的皮肤剂量的转换系数十分相近。但随着能量的增加，两个出版物给出的皮肤剂量的转换系数的差异就变得越来越大，但光子能量在10 MeV，这个差值在2.1倍左右。

图11是ICRP 74号出版物与ICRP 116号出版物在同样情况下，光子不同入射方式估算的有效剂量的比值。图中ICRP 116号出版物表述为new。从图11可以看出：光子能量大于1MeV时，3种入射方式均表现出用ICRP 74号出版物方法估算的有效剂量要大些；当后前入射时（PA），用ICRP 74号出版物方法估算的有效剂量比用ICRP 116号出版物方法估算的有效剂量结果大，特别是能量低于0.04MeV时，这一问题更为明显；当前后入射（AP）和各向同性入射（ISO）时，用ICRP 116号出版物方法估算的有效剂量比用ICRP 74号出版物方法估算的有效剂量结果大，特别是能量低于0.07 MeV时，这一问题更为明显。

图10 ICRP 74与ICRP 116皮肤剂量转换系数的比较

图11 ICRP 74与ICRP 116光子不同入射方式估算的有效剂量的比值

图12是ICRP 74号出版物与ICRP 116号出版物在同样情况下，中子不同入射方式估算的有效剂量的比值。图中ICRP 116号出版物表述为new或present。从图12可以看出：当中子能量小于1MeV时，不同入射方式，均表现出用ICRP 74号出版物方法估算的有效剂量比用ICRP116号出版物方法估算的值要大些。中子能量低于0.1MeV时其比值在0.5～0.58范围，随后比值迅速上升到1；当中子能量在1～10 MeV时，不同入射方式均表现出用ICRP 74号出版物方法估算的有效剂量比用ICRP 116号出版物方法估算的值要小些，其比值在1.05～1.20范围。图12中还给出了ICRP 103号出版物与ICRP 60号出版物中子辐射权重因子的比值，其比值的变化趋势与上述有效剂量比值的变化趋势类似。

4 剂量转换系数还需解决的问题

尽管ICRP 116出版物采用跟踪次级带电粒子的完全输运计算方法，而且采用了新的模体，只能说是对ICRP 74出版物的改进，但实用量还面对一些新技术，特别是高能粒子的应用带来的新问题需要解决。例如，越来越多地使用具有≥20MV光子和电子的放疗医疗加速器（高能质子和重离子加速器放射治疗的应用）；使用回旋加速器生产放射性药物；研究用高能粒子加速器附近的辐射场；天然源中的高能量辐射（在高度恒高的航空和宇航）等。这时面临的主要问题如下。

图12 ICRP 74与ICRP 116中子不同入射方式估算的有效剂量的比值

在H*(10)and H´(d,Ω)的定义（真空中的球）中未包含沉积由外部次级粒子和初级辐射的散射对剂量当量的贡献。而且，对H*(10)而言，这些分量无法做到齐向。对光子，次级电子射程为10mm的能量为2 MeV，对中子的能量为35MeV，当光子能量＞2MeV，中子能量＞35MeV时，H*(10)和Hp(10)的定义就存在问题。

对于更高的能量，位于空气的ICRU球，为了实现在表面次级带电粒子平衡，需要确定源和球体之间的距离，该距离取决于光子能量，而且不具有相加特性。当前，用于剂量计校准的参考光子场中，次级带电粒子平衡是用辐射源和校准剂量计之间的组织等效材料来近似实现的，通常的深度为10mm。而10mm的深度对高能光子和中子是不充分的，这时需要加大深度，但这个深度又随能量变化，因此很难有一个准确的参考深度。

要解决上述问题，国际上还没有统一的意见。有的主张，常用能量范围，相关定义，ICRU球，Q值不改变，对高能光子、中子另定义实用量、ICRU球；也有的主张彻底修改实用量的定义；还有人提出改变剂量系数，确定最大有效剂量的剂量系数Emax/Φ（Φ是注量），和不同深度d的H*(d)/Φ,d是能量的函数，例如：对光子，能量＜3 MeV，d=10 mm；能量在3～10MeV，d=25mm；能量≥10MeV，d=105mm。对中子，能量＜10MeV，d=25mm；能量≥10MeV，d=105mm。

总之，实用量的相关剂量估算方法和剂量系数，ICRP 116号出版物（2010）相对ICRP 74号出版物（1997）和ICRU 57号报告有了很大改进。但在一些新增的辐射类型和更高能量范围，例如，在空间应用及高能加速器辐射照射的应用越来越广泛；在这些高能量应用范围，实用量与辐射防护量之间的关系需要进一步研究。

[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 编校：丁艳玲）

R 144

A

2095-3496（2015）04-0245-05

300092 天津，中国医学科学院放射医学研究所（张良安）