Эквивалентная доза.

Понятие эквивалентной дозы введено в связи с тем, что различные виды ионизирующих излучений даже при одинаковых поглощенных дозах вызывают различный биологический эффект.

Эффективность биологического действия излучения зависит от величины потери энергии частиц на единицу длины пути dE/dx, которая получила название «линейная передача энергии» (ЛПЭ). В математических выражениях ЛПЭ обозначается символом L :

.

Величина ЛПЭ в кэВ/мкм зависит от плотности вещества. При делении ЛПЭ на плотность вещества r получаем значение L/r, которое не зависит от плотности. Эту величину тоже называют ЛПЭ или тормозной способностью вещества, и измеряется она в МэВ/см²×г^-1. Как видно из определения, величина ЛПЭ характеризует распределение энергии, переданной веществу, вдоль трека частицы.

Зная ЛПЭ, можно определить среднее число ионов, образованных на единицу пути частицы. Для этого необходимо разделить значение ЛПЭ на величину энергии, необходимой для образования одной пары ионов (W ). Отношение L/W называют линейной плотностью ионизации (ЛПИ). Точное значение W тканей неизвестно. Для газов значение W составляет около 34 эВ. Поэтому для газов:

ЛПИ = ЛПЭ/34 (пар ионов на мкм пути).

Чем выше значение ЛПЭ, тем больше энергии оставляет частица на единицу пути, тем плотнее распределены создаваемые ею ионы вдоль трека.

Ориентировочные значения ЛПИ для разных видов излучений

Для рентгеновского и гамма-излучения ЛПИ составляет примерно десятки и сотни пар ионов на 1 мкм пути в воде.

Для a‑излучения — ЛПИ составляет тысячи пар ионов.

При облучении клеток ионизирующими излучениями величина поглощенной дозы показывает лишь среднее количество энергии, переданной облучаемой системе. О плотности же ионизации в микрообъемах вещества, например в клетке, клеточной органелле или макромолекуле, можно судить по величине ЛПЭ. Если движущаяся частица производит ионизации, значительно удаленные друг от друга, то вероятность возникновения нескольких ионов в пределах макромолекулы, субклеточной органеллы или клетки в целом сравнительно невелика. Напротив, когда акты ионизации следуют непрерывно вдоль трека частицы, можно ожидать возникновения многих ионов в пределах одной субклеточной структуры, например двух ионизации в комплементарных участках двухнитевой молекулы ДНК. Биологические последствия повреждения (в результате ионизации) обеих нитей ДНК значительно ощутимее для клетки, чем разрушение какого-либо участка одной спирали ДНК при сохранении целостности комплементарной цепи. Так как с ростом линейной плотности ионизации возрастает вероятность именно такого «двухнитевого разрыва», ясно, что плотноионизирующие частицы (с высокой ЛПЭ) должны значительно эффективнее поражать ДНК и связанные с ней клеточные функции, чем редкоионизирующее излучение.

На различных биологических объектах и на различных радиобиологических эффектах (летальное действие излучений, различные отдаленные эффекты, такие, как появление лучевых катаракт и злокачественных опухолей, снижение продолжительности жизни) было проведено сопоставление эффективности различных типов ионизирующих частиц. Биологическую эффективность различных видов излучений при этом обычно сравнивают по отношению к стандартному излучению, в качестве которого используют рентгеновское излучение с граничной энергией квантов 200 кэВ.

Коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) определяется из соотношения

Важно понимать, что значения ОБЭ конкретного вида излучения могут различаться для разных радиобиологических эффектов (например по критерию выживаемости клеток — одни значения ОБЭ, по критерию злокачественного перерождения клеток — другие значения ОБЭ, по критерию образования катаракты — третьи значения ОБЭ и т.д.).

Теперь, после столь длинного вступления дадим, наконец, определение понятия эквивалентной дозы.

Доза эквивалентная (H_T,R)для определенного вида ионизирующего излучения R определяется как произведение средней поглощенной дозы D_T,_R данного вида излучения в органе или ткани T на соответствующий этому виду излучения взвешивающий коэффициент W_R:

.

Взвешивающие коэффициенты для различных видов излучений W_R (или как раньше их называли — «коэффициенты качества» разных видов излучений) представляют собой регламентированные значения ОБЭ разных видов ионизирующих излучений, установленные в целях оценки радиационной опасности данных видов излучений для человека в отношении возникновения отдаленных неблагоприятных эффектов (т.е. эффектов, возникающих в результате воздействия относительно низких доз хронического или кратковременного облучения).

Взвешивающие коэффициенты для различных видов излучения следующие:

для фотонов любых энергий (т.е. для рентгеновского и гамма‑излучения) принят равным 1,

для электронов любых энергий — 1,

для нейтронов с энергией менее 10 кэВ — 5,

от 10 кэВ до 100 кэВ — 10,

от 100 кэВ до 2 МэВ — 20,

от 2 МэВ до 20 МэВ — 10,

более 20 МэВ — 5,

для протонов с энергией более 2 МэВ (кроме протонов отдачи) — 5,

для альфа‑частиц, осколков деления и тяжелых ядер — 20.

При действии смешанного излучения Д.э.и.и. H_T определяется как сумма эквивалентных доз воздействующих видов излучения:

.

Единица Д.э.и.и. в системе СИ — зиверт (Зв).

Внесистемная единица Д.э. — бэр (биологический эквивалент рентгена) (или, что то же самое — рэм — рентген-эквивалент медицинский).

Соотношение этих единиц следующее: 1 Зв = 100 бэр.

1 Зв — это эквивалентная доза любого вида ионизирующего излучения, которая создает такой же биологический эффект, что и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения.

Эквивалентная доза, равная 1 Зв, создается при средней поглощенной дозе в органе или ткани, равной 1/W_R Гр.

Так, например, для a‑излучения эквивалентная доза, равная 1 Зв, создается при поглощенной дозе 1/20 Гр = 0,05 Гр.

Важно помнить что понятие эквивалентной дозы имеет отношение, во-первых, только к человеку (нельзя говорить об эквивалентной дозе в отношении других биологических объектов).

И, во‑вторых, только в отношении возникновения отдаленных неблагоприятных эффектов (т.е. эффектов, возникающих в результате воздействия относительно низких доз хронического или кратковременного облучения), т.к. приведенные взвешивающие коэффициенты для различных видов излучений относятся только к таким эффектам.

Эффективная доза.

Доза эффективная (E) ионизирующего излучения — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его тканей и органов с учетом предрасположенности разных тканей и органов к возникновению в них стохастических эффектов излучения. Определяется как сумма произведений эквивалентной дозы H_T в тканях и органах T на соответствующие взвешивающие коэффициенты для тканей и органов W_T:

W_T предназначены для учета различной предрасположенности разных органов и тканей человека к возникновению в них стохастических эффектов излучения. Представляют собой относительный вклад различных органов или тканей в общий риск (вероятность) возникновения стохастических эффектов во всем организме при равномерном облучении тела. Для разных органов и тканей приняты следующие значения W_T: гонады — 0,20; красный костный мозг — 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; щитовидная железа — 0,05; кожа — 0,01; клетки костных поверхностей — 0,01; остальное (надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа, матка) — 0,05.

Единицы Д.э.и.и. совпадают с единицами эквивалентной дозы (в системе СИ — зиверт, внесистемная единица — бэр). Введение понятия Д.э.и.и. обусловлено необходимостью проведения оценки и сравнения риска возникновения отдаленных неблагоприятных последствий при равномерном и разных случаях неравномерного облучения организма человека. При равномерном облучении организма человека Д.э.и.и. равна эквивалентной дозе, т.к. в этом случае эквивалентная доза H_T в каждой ткани и органе одинакова, а .

Мощность дозы.

[1] Элементарный объем среды — это наименьший объем среды, который воспринимается как однородный.