ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ДОЗЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ — физические величины, принятые в дозиметрии ионизирующих излучений для количественной характеристики поля излучения и воздействия излучения на облучаемый объект.

Основной величиной, применимой к любому виду ионизирующего излучения (альфа- и бета-частицы, гамма-излучение, протоны, нейтроны, мезоны и т. д.), является поглощенная доза излучения (D) — отношение энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме (D — dE/dm). Специальная единица поглощенной дозы — рад (pad). 1 рад соответствует поглощению энергии излучения 100 эрг в 1 г вещества (1 рад = 100 эрг/г). В Международной системе единиц (СИ) единицей поглощенной дозы излучения является грей (Гй), который определяется как 1 Дж/кг. Единицы рад и грей связаны следующим соотношением: 1 рад = 10^-2 Гй.

Производные единицы поглощенной дозы — килорад (крад), милли-рад (мрад), микрорад (мкрад) и т. д.

Увеличение поглощенной дозы излучения, отнесенное к единице времени, называется мощностью поглощенной дозы (P). P = dD/dt, где dD — приращение поглощенной дозы за интервал времени dt. Единицей мощности поглощенной дозы является любое частное от деления рада (грея) или его производной единицы на единицу времени (рад/час, рад/мин, рад/сек, мрад/час, мкрад/сек, Гй/с и т. д.).

Физ. мерой воздействия излучения на все облучаемое тело или на определенную его часть является интегральная поглощенная доза Dинт. Она равна поглощенной энергии излучения в массе тела (или его части). Интегральная доза излучения измеряется в единицах г-рад, кг-рад и т. п.

Поскольку поглощенная доза излучения неоднозначно определяет воздействие фотонов и частиц различных видов и энергии на живой организм, для сопоставлений при хрон, облучении введена величина эквивалентная доза излучения (D_экв), единицей измерения к-рой является бэр (бэр). За 1 бэр принимается такая поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, к-рая при хрон, облучении вызывает такой же биол, эффект, что и 1 рад рентгеновского или гамма-излучения (см. Относительная биологическая эффективность излучений, Фактор качества).

Наряду с поглощенной дозой излучения, являющейся универсальной величиной, широко пользуются экспозиционной дозой (D₀) излучения, применимой только для воздуха и для фотонного (рентгеновского и гамма-) излучения с энергией до 3 МэВ.

Экспозиционная доза основана на ионизирующем действии излучения.

Для фотонного излучения не всегда наблюдается однозначная связь между поглощенной (т. е. переданной электронам в результате элементарных актов взаимодействия) энергией фотонов в данном объеме и ионизацией, произведенной этими вторичными электронами, т. к. часть вторичных электронов, пробеги которых больше линейных размеров этого объема или которые образованы у его границ, произведет ионизацию вне этого объема. Кроме того, в объеме могут произвести ионизацию вторичные электроны, образованные фотонами, поглощенными вне этого объема.

Исходя из особенностей взаимодействия фотонного излучения с веществом, экспозиционную дозу определяют как отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха dm в указанном объеме: D0 — dQ/ dm.

Специальная единица экспозиционной дозы излучения — рентген (см. Радиологические величины, единицы). В Международной системе единиц (СИ) единицей экспозиционной дозы излучения является кулон на килограмм (Кл/кг). Единица рентген связана с ней следующим соотношением: 1 P = = 2,58*10^-4 Кл/кг. Производные единицы экспозиционной дозы излучения — миллирентген (мР) и микрорентген (мкР). Экспозиционная доза излучения, отнесенная к единице времени, называется мощностью экспозиционной дозы. Она измеряется в Р/час, мР/мин, мкР/час, мкР/сек и т.д.

При экспозиционной дозе в 1 P электроны и позитроны, образованные фотонами в 1 см³ воздуха (при 0° и 760 мм рт. ст.), создадут в воздухе 2,08*10⁹ пар ионов. Если учесть, что средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов в воздухе, равна 34 эВ, то при экспозиционной дозе 1 P энергия фотонов, переданная электронам и позитронам в 1 см³, равна 0,114 эрг/см³, а поглощенная доза — 88 эрг/г, или 0,88*10^-2 Гй.

Однозначная связь между экспозиционной и поглощенной дозами может быть установлена, когда поглощенная доза измеряется в воздушном объеме, окруженном слоем воздуха или воздухоэквивалентного вещества, толщина к-рого больше или равна пробегу вторичных электронов, т. е. когда соблюдается условие электронного равновесия.

В этом случае при экспозиционной дозе 1 P поглощенная доза в воздухе равна 88 эрг/г. Это энергетический эквивалент рентгена.

Между экспозиционной дозой D0 и измеренной в условиях электронного равновесия поглощенной дозой D в какой-либо другой среде существует следующее соотношение D = kD0, где k имеет размерность рад/Р.

Поглощенная доза в воде и мышечной ткани отличается на 4—10% от поглощенной дозы в воздухе вследствие того, что эффективный атомный номер Z_эфф воды и мышечной ткани близок, но не равен Z_эфф воздуха. Вследствие этого в интервале энергии фотонного излучения 150 кэВ —3 МэВ k = 0,93 рад/P для воды и мышечной ткани и 0,97 рад/Р для жировой клетчатки, т. е. при экспозиционной дозе в 1 Р, поглощенная доза в воде и мышечной ткани в условиях электронного равновесия будет равна 93 рад. Для костной ткани, Z_Эфф к-рой больше, чем у воздуха, а следовательно, и более существенно фотоэлектрическое поглощение в области малых энергий, значение k будет изменяться от 4,74 до 0,88 рад/P с увеличением энергии от 10 до 200 кэВ; начиная с 200 кэВ значение k остается примерно постоянным и равным 0,88 рад/Р.

При гамма-терапии, а также при ряде биол, экспериментов важно знать распределение дозного поля (см.) в облучаемом объекте, на основании чего можно судить о поглощенной дозе излучения в различных точках. Определение дозы в какой-либо точке внутри облучаемого объекта можно производить при наличии внутри него воздушной полости, что позволяет измерить в ней ионизацию. Такие измерения проводят обычно на моделях (фантомах). Фантомы изготовляются из тканеэквивалентных веществ, т. е. из веществ, у которых ослабление и рассеяние излучения происходят так же, как и в мышечной ткани (см. Фантомы дозиметрические). Такими веществами являются вода, парафин, картон, плексиглас. Помещая ионизационную камеру с тканеэквивалентными стенками в различных точках фантома, определяют распределение дозного поля, по к-рому можно судить о распределении поглощенной дозы.

Доза, создаваемая в глубине облучаемого объекта, называется глубинной дозой (D_гл). Она складывается из дозы, создаваемой прямым излучением источника и рассеянным излучением. Доза, создаваемая рассеянным излучением, зависит от энергии излучения, геометрии облучения и размера объекта.

Поверхностная доза (Dп) — доза, создаваемая на поверхности облучаемого объекта. Она больше, чем доза, измеренная в воздухе в той же точке в отсутствие объекта, что обусловлено обратным рассеянием. Напр., для излучения с энергией 200 кэВ обратное рассеяние может достигать 20—25% от дозы первичного излучения в этой же точке, для гамма-излучения ⁶⁰Со оно равно 1 — 3% в зависимости от размеров поля облучения.

Отношение глубинной дозы к дозе в воздухе в месте расположения поверхности облученного объекта D’ называется относительной глубинной дозой (Dгл/D’). Эта величина, выраженная в процентах, называется процентной глубинной дозой (Dгл/D’×100). Иногда относительной глубинной дозой называют отношение глубинной дозы к поверхностной (Dгл/Dп).

Дозы ионизирующих излучений в медицине и биологии. В естественных условиях организм животных и человека подвергается постоянному воздействию космических лучей и излучения естественных радиоактивных элементов, присутствующих в воздухе, почве и в тканях самого организма. Уровни природного излучения от всех источников в среднем соответствуют 100 мбэр в год, но в отдельных районах — до 1000 мбэр в год.

В современных условиях в процессе жизнедеятельности человек сталкивается с превышениями этого среднего уровня радиации. Для лиц, работающих в сфере действия ионизирующего излучения, установлены значения предельно допустимой дозы (ПДД) на все тело (см. Предельно допустимые дозы, излучения), которые при длительном воздействии не вызывают у человека нарушения общего состояния, а также изменения функций кроветворения и воспроизводства. Для ионизирующего излучения установлена ПДД 5 бэр в год. Расчет дозовых нагрузок производится с учетом коэффициента качества разных видов ионизирующего излучения.

Для оценки отдаленных проявлений действия излучения в потомстве учитывают возможность увеличения частоты мутаций. Доза излучения, вероятнее всего удваивающая частоту самопроизвольных мутаций у человека, не превышает 100 бэр на поколение; имеются, однако, указания и на еще меньшие значения этой дозы (3—12 бэр).

Генетически значимые дозы для населения находятся в пределах 7 — 55 мбэр/год.

Использование излучения в мед. практике приводит к увеличению дозовых нагрузок на население. Рентгенол. обследование сопровождается лучевым воздействием на те или иные поверхности тела в дозах 0,04 Р — 7,0 P при производстве снимков и до 50 P при просвечиваниях (табл. 1—4). Эти значения дозы имеют тенденцию к снижению.

Дозовые нагрузки при радиоизотопной диагностике в зависимости от используемого радиоактивного нуклида при однократном применении колеблются от 0,01 до 600 бэр/мкКи на все тело и от 0,003 до 6000 бэр/мКи на отдельные органы и ткани (см. Критический орган).

Медперсонал рентгеновских кабинетов, врачи-радиологи и медперсонал радиоманипуляционных кабинетов при выполнении различных работ подвергаются лучевому воздействию на отдельные области тела в дозах 0,03—0,18 бэр/сут (табл. 5).

При лучевой терапии злокачественных опухолей в зависимости от характера патол, процесса проводятся локальные облучения в дозах в среднем до 8000 бэр за 3—4 недели.

В радиобиологии различают следующие дозовые величины, характеризующие гибель животных в течение фиксированного времени (30— 60 дней): минимальная летальная доза (DLM), доза половинной (50%) выживаемости или смертности (DL50) в течение определенного срока, минимальная абсолютно летальная доза (МАЛД)— минимальная доза, вызывающая гибель всех животных.

Значения этих доз колеблются в зависимости от вида и линии животных. Так, напр., DL50 при однократном равномерном воздействии гамма-излучением лежат в пределах от 250 рад (2,5 Гй) для собак до 900 рад (9 Гй) для отдельных линий мышей. Для человека при тотальном облучении гамма-излучением МАЛД принимается равной 600 рад (6 Гй), a DL50 —400 рад (4 Гй).

Зависимость смертности от дозы выражается S-образной кривой (рис. 1). Зависимость средней продолжительности жизни от дозы (рис.2) проявляется в том, что по мере увеличения дозы происходит постепенное сокращение продолжительности жизни, пока она не достигает 3—3,5 сут. (ок. 1000 рад)— отрезок АБ. При дальнейшем возрастании дозы до 6000—10 000 рад (60— 100 Гй) средняя продолжительность жизни не изменяется — отрезок БВ. Увеличение дозы св. 10 000 рад (100 Гй) приводит к сокращению продолжительности жизни до одних суток, а затем и нескольких часов— отрезок ВГ. Начиная с дозы 20 000 рад отмечаются случаи «смерти под лучом». В зависимости от этих данных определяются формы лучевой болезни (см.): острая, острейшая и молниеносная.

См. также Ионизирующие излучения, Облучение.

Таблица 1. Экспозиционная доза на поверхности тела и интегральная доза, получаемые обследуемым при рентгеноскопии без электронно-оптического преобразователя

Вид исследования	Напряжение на трубке, кВ	Анодный ток, мА	Расстояние источник-кожа, см	Поле облучения, см2	Время исследования, сек	Экспозиционная доза на поверхности тела, P	Интегральная доза
							кг•рад	Дж
Рентгеноскопия органов грудной клетки профилактическая	61	3,0	50	1225 300*	15 33	3,5	11,0	1,1•10-1
Рентгеноскопия органов грудной клетки по показаниям	61	3,0	50	1225 300*	30 50	5,9	21,0	2,1•10-1
Рентгеноскопия желудка	70	3,0	50	1225 300*	23 249	25,0	57,0	5,7•10-1
Рентгеноскопия пищевода	70	3,0	50	300	90	8,5	15,0	1,5•10-1
* Размер поля при прицельном облучении.

Таблица 2. Экспозиционная и интегральная дозы излучения, получаемые обследуемым при рентгенографии (один снимок)

Вид исследования	Напряжение на трубке (кВ)	Экспозиция(мА•сек)	Расстояние источник-кожа, см	Поле облучения, см2	Экспозиционная доза на поверхности тела, P	Интегральная доза
						кг•рад	Дж
Рентгенография легких, прямая	61	6,0	40	1225	0,15	1,0	1,0•10-2
Рентгенография легких, боковая	73	7,5	40	1225	0,29	2,1	2,1•10-2
Прицельный снимок легких	61	6,7	40	108	0,17	0,1	1•10-3
Телеснимок легких Томография легких, прямая	73 85	12,0 75,0	130 120	750 525	0, 04 0,6	0,16 1 , 75	1,6•10-3 1,75•10-2
Томография легких, боковая	95	112	110	443	1,4	3,46	3,46•10-2
Флюорография малокадровая	71	16,0	70	490	1,1	3,0	3•10-2
Флюорография крупнокадровая	75	24	70	1125	0,52	3,5	3,5•10-2
Рентгенография желудка (прицельный снимок)	70	12	50	300	0,46	0,8	8•10-3
Рентгенография пищевода	80	6	50	300	0,27	0,5	5•10-3

Таблица 3. Экспозиционная доза излучения на поверхности тела и в области гонад обследуемого при снимках

Исследуемая область	Режим снимков					Экспозиционная доза
	напряжение* на трубке(кВ)	анодный ток (мА)	фильтр (мм Al)	расстояние источник — кожа (см)	выдержка (сек.)	на поверхности тела 1 (P) |	на гонадах
							у женщин		у мужчин
							P	%	P	%
Грудная клетка	80	40	0,5	65	0,4	0,853	0,00063	0,074	0,00033	0,03
	61	40	0,5	65	0,4	0,472	0,00025	0,053	0,00016	0,03
Грудные позвонки	80	40	0,5	75	4,0	4,95	0,0037	0,075	0,0087	0,17
	80	40	2,0	75	4,0	3,29	0,0025	0,076	0,0037	0,11
Желудок	73	85	0,5	65	0,6	2,07	0,0127	0,61	0,0025	0,12
	80	85	0,5	65	0,4	1,81	0,0139	0,77	0,0021	0,12
Желчный пузырь	67	85	0,5	65	1,0	2,95	0,094	3,2	0,0087	0,29
	73	85	0,5	65	1,0	3,44	0,12	3,5	0,0113	0,33
Почки	67	55	0,5	75	2,5	2,97	0,0825	2,79	0,0343	1,15
	67	55	2,0	75	2,5	1,58	0,0627	3,99	0,0253	1,6
	80	40	0,5	75	1,5	1 ,85	0,059	3,20	0 ,0222	1,2
	80	40	2,0	75	1,5	1,38	0,048	3,49	0,017	1,2
Крестцово-поясничная область и поясничные позвонки	67	55	0,5	75	6,0	7,25	1,33	18,4	0,37	5,1
	67	55	2,0	75	6,0	4,48	1,035	23,1	0,28	6,2
	80	40	0,5	75	4,0	5,15	1,56	30,2	0,259	5,05
	80	40	2,0	75	4,0	4,95	1,316	26,5	0,22	4,4
Малый таз	67	40	0,5	75	2,5	2,98	0,59	19,8	2,4	83,0
	67	60	2,0	75	1,5	1,12	0,237	21,1	1,08	96,0
	80	40	0,5	75	1,5	1 ,90	0,427	22,5	1,69	89,0
	80	40	2,0	75	1,5	1,35	0,295	22,0	1,25	93,0
* Первые числа — при боковом снимке; вторые — при обзорном.

Таблица 4. Экспозиционная доза на поверхности тела и интегральная доза излучения, получаемые обследуемым при некоторых специальных рентгенодиагностических исследованиях

Вид исследования	Напряжение на трубке(кВ)	Анод ный ток (мА)	Расстояние источник — кожа (см)	Поле облуче ния (см2)	Среднее время исследования	Экспозиционная доза на поверхности тела, P		Интегральная доза
							кг•рад		Дж
Бронхография
рентгеноскопия	61	3	50	35×35 30×10 20×15	1    мин. 10 сек. 2    мин. 42 сек. 3    мин. 03 сек.	30,8	81,6	87,5	8,16•10-1	8,75•10-1
рентгенография	73 80	30 30	50 50	30×40 24×30	0,15 сек. 0,2 сек.	0,34 0, 54	5,9		5,9•10-1
Ирригоскопии
рентгеноскопия	80	3	50	35×35	6 мин. 36 сек.	52,0	200,0	202,5	2,0	2,03
рентгенография	80	30	50	30×10	0,2 сек.	0,54	2,5		2,5•10-2

Таблица 5. Доза излучения, получаемая врачом-рентгенологом при рентгеноскопии без электронно-оптического преобразователя

Рентгеноскопия	Среднее время исследования* (мин.)	Средняя доза излучения за исследование (мбэр)
Органов грудной клетки	2	0,3
Жел.-киш. тракта	14,5	1,96
Толстой кишки (с применением контрастной клизмы)	14,8	2,1
При бронхографии**	6	0,78
При холецистографии**	2,5	0,33
* Время работы рентгеновской трубки.
** Доза излучения при рентгенографии с выдержкой 1 сек. составляет 0,1 мбэр.

Библиография: Зольникова Н.И., Меркулова Т. И. и Ищенко 3. Г. Лучевые нагрузки персонала при работе на различных гамма-терапевтических установках, Мед. радиол., т. 20, № 5, с. 46, 1975; Иванов В. И. Курс дозиметрии, М., 1970; Кацман А. Я. Лучевые нагрузки и противолучевая защита при рент-гено-диагностических процедурах, JI., 1966, библиогр.; Кронгауз А.Н., Ляпидевский В. К. и Фролова А. В. Физические основы клинической дозиметрии, М., 1969, библиогр.; Нормы радиационной безопасности (НРБ-76), М., 1977; Нормы радиационной безопасности для пациентов при использовании радиоактивных веществ с диагностической целью, Мед. радиол., т. 18, № 6, с. 87. 1973; Радиационная безопасность, Величины, единицы, методы и приборы, пер. с англ., под ред. И. Б. Кеирим-Маркуса, М., 1974, библиогр.

У. Я. Маргулис; Н. Г. Даренская (дозы ионизирующих излучений в медицине и биологии), А. Н. Кронгауз (табл.).