Введение
Производная единица СИ поглощённой дозы ионизирующего излучения
Грей (символ: Гр) — единица дозы ионизирующего излучения в Международной системе единиц (СИ), определяемая как поглощение одного джоуля энергии излучения на килограмм вещества. Она используется как единица величины излучения – поглощённой дозы, которая измеряет энергию, переданную ионизирующим излучением на единицу массы поглощающего материала, и применяется для измерения поглощённой дозы при лучевой терапии, облучении пищевых продуктов и радиационной стерилизации. Она важна для прогнозирования возможных острых эффектов для здоровья, таких как острый радиационный синдром, и используется для расчёта эквивалентной дозы с использованием зиверта, который является мерой стохастического воздействия на здоровье человека. Грей также используется в радиационной метрологии как единица величины излучения – кермы, определяемой как сумма начальных кинетических энергий всех заряженных частиц, высвобожденных незаряженным ионизирующим излучением в образце вещества на единицу массы. Единица названа в честь британского физика Луиса Гарольда Грея, пионера в измерении рентгеновского и радиевого излучения и их воздействия на живые ткани. Грей был принят в качестве части Международной системы единиц в 1975 году. Соответствующая единица СГС для грея – рад (эквивалентна 0,01 Гр), которая остаётся распространённой преимущественно в Соединённых Штатах, хотя её использование "настоятельно не рекомендуется" в руководстве по стилю Национального института стандартов и технологий США.
Радиобиологическая
Измерение поглощенной дозы в ткани имеет фундаментальное значение в радиобиологии и лучевой терапии, поскольку является мерой количества энергии, передаваемой ионизирующим излучением целевой ткани. Измерение поглощенной дозы – сложная задача из-за рассеяния и поглощения, и для этих измерений существует множество специализированных дозиметров, применимых в одном, двух и трех измерениях.
В лучевой терапии величина облучения варьируется в зависимости от типа и стадии рака. Для случаев с целью излечения типичная доза для солидной эпителиальной опухоли составляет от 60 до 80 Гр, в то время как лимфомы лечат дозами от 20 до 40 Гр. Профилактические (адъювантные) дозы обычно составляют около 45–60 Гр, разделенные на фракции по 1,8–2 Гр (при раке молочной железы, головы и шеи). Средняя доза облучения при рентгенографии брюшной полости составляет 0,7 миллизиверта (0,0007 Зв), при компьютерной томографии брюшной полости – 8 мЗв, при компьютерной томографии таза – 6 мГр, а при селективной компьютерной томографии брюшной полости и таза – 14 мГр.
Радиационная защита
Поглощенная доза также играет важную роль в радиационной защите, поскольку она является отправной точкой для расчета стохастического риска для здоровья при низких уровнях радиации, который определяется как вероятность возникновения рака и генетических повреждений. Грей измеряет общую поглощенную энергию излучения, но вероятность стохастического повреждения также зависит от типа и энергии излучения, а также от типов вовлеченных тканей. Эта вероятность связана с эквивалентной дозой в зивертах (Зв), которая имеет те же единицы измерения, что и грей. Она связана с греем посредством весовых коэффициентов, описанных в статьях об эквивалентной и эффективной дозах. Международный комитет мер и весов заявляет: "Для избежания риска путаницы между поглощенной дозой D и эквивалентной дозой H следует использовать специальные названия соответствующих единиц измерения, то есть название 'грей' следует использовать вместо джоулей на килограмм для единицы поглощенной дозы D, а название 'зиверт' – вместо джоулей на килограмм для единицы эквивалентной дозы H".
Сопровождающие схемы показывают, как поглощенная доза (в греях) сначала получается с помощью вычислительных методов, а затем на основе этого значения выводятся эквивалентные дозы. Для рентгеновского и гамма-излучения значение в греях численно совпадает со значением в зивертах, но для альфа-частиц один грей эквивалентен 20 зивертам, и соответствующий коэффициент взвешивания излучения применяется соответственно.
Радиационное отравление
Серый обычно используется для выражения степени тяжести так называемых "тканевых эффектов", вызванных дозами, полученными при остром воздействии высоких уровней ионизирующего излучения. Это эффекты, которые произойдут наверняка, в отличие от вероятностных эффектов низких доз радиации, которые имеют вероятность вызвать повреждение. Острое облучение всего тела дозой 5 Гр и более высокоэнергетическим излучением обычно приводит к смерти в течение 14 дней. LD1 составляет 2,5 Гр, LD50 – 5 Гр, а LD99 – 8 Гр. Доза LD50 соответствует 375 джоулям для взрослого человека весом 75 кг.
Поглощенная доза в веществе
Серый используется для измерения мощности поглощённой дозы в материалах, не являющихся тканями, в процессах, таких как радиационная стойкость, облучение пищевых продуктов и электронное облучение. Измерение и контроль значения поглощённой дозы критически важны для обеспечения корректного функционирования этих процессов.
Керма
Керма ("кинетическая энергия, высвобождаемая на единицу массы") используется в радиационной метрологии для измерения энергии ионизации, высвобождаемой при облучении, и выражается в греях. Важно отметить, что керма отличается от поглощенной дозы, в зависимости от энергий излучения, поскольку энергия ионизации не учитывается. Хотя при низких энергиях они приблизительно равны, при высоких энергиях керма значительно превышает поглощенную дозу, так как часть энергии покидает поглощающий объем в виде тормозного излучения (рентгеновских лучей) или быстрых электронов. Керма, применительно к воздуху, эквивалентна устаревшей единице измерения радиационного воздействия – рентгену, однако определения этих двух единиц различаются. Грей определяется независимо от какого-либо поглощающего материала, в то время как рентген определялся конкретно по эффекту ионизации в сухом воздухе, что не всегда соответствовало эффекту в других средах.
Разработка концепции поглощаемой дозы и серой
Вильгельм Рентген открыл 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 собственные стандарты, 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. Этот орган 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 рентгеновских лучей 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 живые ткани, а измерял лишь эффект рентгеновских лучей в конкретных условиях – ионизирующий эффект в сухом воздухе. В 1940 году Луи Гарольд Грей, изучавший влияние нейтронного излучения на ткани человека, совместно с Уильямом Валентином Мейнордом и радиобиологом Джоном Ридом опубликовал статью, в которой была предложена новая единица измерения, названная грамм-рентгеном (символ: gr), и определена 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 от выражения 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. CCU приняло решение определить единицу поглощенной радиации в системе СИ как энергию, переданную заряженными частицами на единицу массы поглощающего материала, что соответствовало определению рада, но в единицах МКС это будет эквивалентно джоулю на килограмм. Это было подтверждено на 15-й CGPM в 1975 году, и эта единица была названа «грэем» в честь Луи Гарольда Грея, скончавшегося в 1965 году. Таким образом, грэй равен 100 рад. Следует отметить, что сантигрэй (числовое значение которого эквивалентно рад) до сих пор широко используется для описания абсолютных поглощенных доз в лучевой терапии. Принятие грэя 15-й Генеральной конференцией по весам и мерам в качестве единицы измерения поглощения ионизирующего излучения, удельной энергии и кермы в 1975 году стало кульминацией более чем полувековой работы, как в понимании природы ионизирующего излучения, так и в создании согласованных величин и единиц радиации.
Количества, связанные с излучением
В следующей таблице представлены величины радиации в единицах СИ и внесистемных единицах.