Поглощённая доза ионизирующего излучения: определение, единицы измерения и применение.

Введение

Количество энергии, переданной веществу ионизирующим излучением.

Поглощённая доза – это величина дозы, которая измеряет энергию, переданную веществу ионизирующим излучением на единицу массы. Поглощённая доза используется при расчёте дозы, получаемой живыми тканями, как в области радиационной защиты (для снижения вредного воздействия), так и в радиологии (для потенциально полезных эффектов, например, при лечении рака). Она также используется для непосредственного сравнения воздействия излучения на неживые материалы, например, при радиационной стойкости. Единицей измерения в системе СИ является грей (Gy), который определяется как один джоуль энергии, поглощённой на килограмм вещества. Более старая, несистемная единица CGS рад (rad) также иногда используется, преимущественно в США.

Детерминирующие эффекты

В радиационной защите поглощенная доза без модификаций обычно используется только для оценки немедленных эффектов для здоровья, вызванных высокими дозами облучения в короткий промежуток времени. Это тканевые эффекты, такие как острый лучевой синдром, также известные как детерминированные эффекты – эффекты, которые обязательно проявятся в ближайшее время. Время между облучением и появлением рвоты может служить приблизительной оценкой дозы, когда более точные методы определения недоступны.

Лучевая терапия

Измерение поглощенной дозы в ткани имеет фундаментальное значение в радиобиологии, поскольку оно определяет количество энергии, которое приходящее излучение передает целевой ткани.

Медицинские соображения

Неравномерное распределение поглощенной дозы часто встречается для мягкого излучения, такого как рентгеновские лучи низкой энергии или бета-излучение. Самоэкранирование означает, что поглощенная доза в тканях, обращенных к источнику, будет выше, чем в более глубоких слоях тела. Средняя доза по массе может быть важной при оценке рисков лучевой терапии, поскольку она направлена на очень специфические объемы в организме, как правило, на опухоль. Например, если 10% массы костного мозга пациента облучено локально дозой 10 Гр, то общая поглощенная доза в костном мозге составит 1 Гр. Костный мозг составляет 4% массы тела, поэтому поглощенная доза на весь организм составит 0,04 Гр. Первая величина (10 Гр) отражает локальные эффекты на опухоль, в то время как вторая и третья величины (1 Гр и 0,04 Гр) лучше отражают общее воздействие на здоровье всего организма. Для получения значимой эффективной дозы, необходимой для оценки риска развития рака или других стохастических эффектов, потребуются дополнительные дозиметрические расчеты, основанные на этих значениях. При использовании ионизирующего излучения для лечения рака врач обычно назначает лучевую терапию в единицах Грей. Дозы при медицинской визуализации могут быть указаны в единицах кулон на килограмм, но при использовании радиофармпрепаратов их обычно вводят в единицах Беккерель.

Стохастический риск - перевод на эквивалентную дозу

Для стохастического радиационного риска, определяемого как вероятность индуцирования рака и генетических эффектов в течение длительного времени, необходимо учитывать тип излучения и чувствительность облученных тканей, что требует применения корректирующих факторов для получения фактора риска, выраженного в зивертах. Один зиверт соответствует вероятности развития рака в 5,5% согласно линейной модели без порога. Расчет начинается с поглощенной дозы. Для оценки стохастического риска используются величины эквивалентной дозы H<sub>T</sub> и эффективной дозы E, которые рассчитываются из поглощенной дозы с использованием соответствующих коэффициентов и весовых факторов. Эквивалентная и эффективная дозы выражаются в зивертах или ремах, что подразумевает учет биологических эффектов. Определение стохастического риска осуществляется в соответствии с рекомендациями Международного комитета по радиационной защите (ICRP) и Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям (ICRU). Разработанная ими согласованная система радиологических величин защиты представлена на прилагаемой схеме. Для облучения всего тела гамма-излучением или рентгеновским излучением корректирующие факторы численно равны 1, что означает, что в этом случае доза в греях равна дозе в зивертах.

Разработка концепции поглощаемой дозы и серой

Вильгельм Рентген впервые обнаружил рентгеновские лучи 8 ноября 1895 года, и их применение очень быстро распространилось в медицинской диагностике, особенно при диагностике переломов костей и инородных тел, где они стали революционным улучшением по сравнению с предыдущими методами. В связи с широким использованием рентгеновских лучей и растущим осознанием опасностей ионизирующего излучения возникла необходимость в стандартах измерения интенсивности излучения, и различные страны разработали свои собственные, но с использованием различных определений и методов. В конечном итоге, для содействия международной стандартизации, на первом Международном конгрессе радиологии (ICR) в Лондоне в 1925 году было предложено создать отдельный орган для рассмотрения единиц измерения. Он получил название Международной комиссии по единицам и измерениям в радиации, или ICRU, и был учрежден на Втором ICR в Стокгольме в 1928 году под председательством Манне Зигбана. Одним из первых методов измерения интенсивности рентгеновских лучей было измерение их ионизирующего эффекта в воздухе с помощью воздушной ионизационной камеры. На первом заседании ICRU было предложено определить одну единицу дозы рентгеновского излучения как количество рентгеновских лучей, которое создает заряд в один эстатический кулон (эсу) в одном кубическом сантиметре сухого воздуха при 0 °C и одном стандартном атмосферном давлении. Эта единица экспозиции излучения была названа рентгеном в честь Вильгельма Рентгена, скончавшегося пять лет назад. На заседании ICRU в 1937 году это определение было распространено на гамма-излучение. Этот подход, хотя и являлся значительным шагом вперед в стандартизации, имел недостаток: он не являлся прямым измерением поглощения излучения и, следовательно, ионизирующего эффекта в различных веществах, включая человеческие ткани, а измерял лишь эффект рентгеновских лучей в конкретных условиях – ионизирующий эффект в сухом воздухе. В 1940 году Луи Гарольд Грей, изучавший влияние нейтронного повреждения на ткани человека, совместно с Уильямом Валентином Мейнордом и радиобиологом Джоном Ридом опубликовал статью, в которой была предложена новая единица измерения, названная "грамм-рентген" (символ: gr), и определенная как "количество нейтронного излучения, которое производит прирост энергии в единице объема ткани, равный приросту энергии, производимому в единице объема воды одним рентгеном излучения". Эта единица оказалась эквивалентной 88 эрг в воздухе и сделала поглощенную дозу, как она впоследствии стала известна, зависимой от взаимодействия излучения с облучаемым материалом, а не только выражением экспозиции или интенсивности излучения, которое представлял рентген. В 1953 году ICRU рекомендовал рад, равный 100 эрг/г, в качестве новой единицы измерения поглощенной радиации. Рад выражался в когерентных единицах СГС. Было решено определить единицу поглощенной радиации в системе СИ как энергию, отложенную на единицу массы, что соответствовало определению рада, но в единицах МКС это будет Дж/кг. Это было подтверждено в 1975 году 15-й Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM), и эта единица была названа "грэем" в честь Луи Гарольда Грея, скончавшегося в 1965 году. Грэй равен 100 рад, единице СГС.

Wilhelm Röntgen first discovered X rays on November 8, 1895, and their use spread very quickly for medical diagnostics, particularly broken bones and embedded foreign objects where they were a revolutionary improvement over previous techniques. Due to the wide use of X rays and the growing realisation of the dangers of ionizing radiation, measurement standards became necessary for radiation intensity and various countries developed their own, but using differing definitions and methods. Eventually, in order to promote international standardisation, the first International Congress of Radiology (ICR) meeting in London in 1925, proposed a separate body to consider units of measure. This was called the International Commission on Radiation Units and Measurements, or ICRU, and came into being at the Second ICR in Stockholm in 1928, under the chairmanship of Manne Siegbahn. One of the earliest techniques of measuring the intensity of X rays was to measure their ionising effect in air by means of an air filled ion chamber. At the first ICRU meeting it was proposed that one unit of X ray dose should be defined as the quantity of X rays that would produce one esu of charge in one cubic centimetre of dry air at 0 °C and 1 standard atmosphere of pressure. This unit of radiation exposure was named the roentgen in honour of Wilhelm Röntgen, who had died five years previously. At the 1937 meeting of the ICRU, this definition was extended to apply to gamma radiation. This approach, although a great step forward in standardisation, had the disadvantage of not being a direct measure of the absorption of radiation, and thereby the ionisation effect, in various types of matter including human tissue, and was a measurement only of the effect of the X rays in a specific circumstance; the ionisation effect in dry air. In 1940, Louis Harold Gray, who had been studying the effect of neutron damage on human tissue, together with William Valentine Mayneord and the radiobiologist John Read, published a paper in which a new unit of measure, dubbed the "gram roentgen" (symbol: gr) was proposed, and defined as "that amount of neutron radiation which produces an increment in energy in unit volume of tissue equal to the increment of energy produced in unit volume of water by one roentgen of radiation". This unit was found to be equivalent to 88 ergs in air, and made the absorbed dose, as it subsequently became known, dependent on the interaction of the radiation with the irradiated material, not just an expression of radiation exposure or intensity, which the roentgen represented. In 1953 the ICRU recommended the rad, equal to 100 erg/g, as the new unit of measure of absorbed radiation. The rad was expressed in coherent cgs units. It was decided to define the SI unit of absorbed radiation as energy deposited per unit mass which is how the rad had been defined, but in MKS units it would be J/kg. This was confirmed in 1975 by the 15th CGPM, and the unit was named the "gray" in honour of Louis Harold Gray, who had died in 1965. The gray was equal to 100 rad, the cgs unit.

Другие применения

Поглощенная доза также применяется для контроля облучения и оценки воздействия ионизирующего излучения на неживые объекты в различных областях.

Выживаемость компонента

Поглощенная доза используется для оценки устойчивости устройств, таких как электронные компоненты, к воздействию ионизирующего излучения.

Радиационное закаливание

Измерение поглощенной дозы, поглощенной инертными материалами, необходимо в процессе радиационной стойкости, который повышает устойчивость электронных устройств к радиационным воздействиям.

Облучение пищевых продуктов

Поглощенная доза – это физическая величина дозы, используемая для контроля за тем, чтобы облученная пища получила необходимое количество для достижения требуемой эффективности. Величина дозы варьируется в зависимости от области применения и может достигать 70 кГр.