Поглощенная доза

Количество энергии, выделяемой в материю ионизирующим излучением

Поглощенная доза — это величина дозы, которая является мерой энергии, выделяемой веществу ионизирующим излучением на единицу массы . Поглощенная доза используется при расчете поглощения дозы живыми тканями как в радиационной защите (снижение вредного воздействия), так и в радиологии (потенциальные полезные эффекты, например, при лечении рака). Он также используется для прямого сравнения воздействия радиации на неживую материю, например, при радиационном упрочнении .

Единицей измерения в системе СИ является грей (Гр), который определяется как один Джоуль энергии, поглощенной на килограмм вещества. ^[1] Иногда также используется более старая единица измерения СГС , не относящаяся к системе СИ, рад , преимущественно в США.

Детерминированные эффекты

Обычно в радиационной защите неизмененная поглощенная доза используется только для указания непосредственных последствий для здоровья из-за высоких уровней острой дозы. Это тканевые эффекты, например, при остром лучевом синдроме , которые также известны как детерминированные эффекты. Это эффекты, которые обязательно произойдут в течение короткого времени. ^{[ нужна ссылка ]} Время между воздействием и рвотой можно использовать в качестве эвристики для количественной оценки дозы, когда более точные средства тестирования недоступны. ^[2]

Последствия острого радиационного воздействия

Лучевая терапия

Измерение поглощенной дозы в тканях имеет фундаментальное значение в радиобиологии, поскольку оно является мерой количества энергии, которую падающее излучение передает ткани-мишени. ^{[ нужна цитата ]}

Расчет дозы

Поглощенная доза равна дозе облучения (ионов или Кл /кг) пучка излучения, умноженной на энергию ионизации ионизируемой среды.

Например, энергия ионизации сухого воздуха при 20 °С и  давлении 101,325 кПа равна33,97 ± 0,05 Дж/Кл . ^[4] (33,97 эВ на ионную пару). Следовательно, воздействие2,58 × 10 ^-4  Кл/кг (1 рентген ) приведет к выделению поглощенной дозы, равной8,76 × 10 ^-3  Дж/кг (0,00876 Гр или 0,876 рад) в сухом воздухе в этих условиях.

Когда поглощенная доза неоднородна или когда она применяется только к части тела или объекта, поглощенную дозу, репрезентативную для всего предмета, можно рассчитать путем взятия средневзвешенного значения поглощенных доз в каждой точке.

Точнее, ^[5]

$${\displaystyle {\overline {D_{T}}}={\frac {\displaystyle \int _{T}D(x,y,z)\,\rho (x,y,z)\,dV}{\displaystyle \int _{T}\rho (x,y,z)\,dV}}}$$

Где

• ${\displaystyle {\overline {D_{T}}}}$ – среднемассовая поглощенная доза всего предмета ; ${\displaystyle T}$
• ${\displaystyle T}$ является объектом интереса;
• ${\displaystyle D(x,y,z)}$ – поглощенная доза в зависимости от местоположения;
• ${\displaystyle \rho (x,y,z)}$ плотность как функция местоположения;
• ${\displaystyle V}$ это объем.

Медицинские соображения

Неравномерная поглощенная доза характерна для мягких излучений, таких как низкоэнергетическое рентгеновское излучение или бета-излучение. Самозащита означает, что поглощенная доза будет выше в тканях, обращенных к источнику, чем в более глубоких частях тела. ^{[ нужна цитата ]}

Среднее значение массы может иметь важное значение при оценке рисков лучевой терапии, поскольку они предназначены для воздействия на очень конкретные объемы тела, обычно на опухоль. Например, если 10% массы костного мозга пациента локально облучается дозой 10 Гр, то поглощенная доза в костном мозге в целом составит 1 Гр. Костный мозг составляет 4% массы тела, поэтому поглощенная доза на все тело составит 0,04 Гр. Первая цифра (10 Гр) свидетельствует о местном воздействии на опухоль, а вторая и третья цифры (1 Гр и 0,04 Гр) являются лучшими показателями общего воздействия на здоровье всего организма. На основе этих цифр необходимо будет провести дополнительные дозиметрические расчеты, чтобы получить значимую эффективную дозу, которая необходима для оценки риска рака или других стохастических эффектов.

Когда ионизирующее излучение используется для лечения рака, врач обычно назначает лучевую терапию в единицах серого. Дозы при медицинской визуализации могут быть описаны в единицах кулонов на килограмм , но при использовании радиофармацевтических препаратов их обычно вводят в единицах беккереля .

Стохастический риск – преобразование в эквивалентную дозу

Величины внешних доз, используемые в радиационной защите и дозиметрии

График, показывающий взаимосвязь величин «защитной дозы» в единицах СИ .

Для стохастического радиационного риска, определяемого как вероятность индукции рака и генетических эффектов, возникающих в течение длительного времени, необходимо учитывать тип радиации и чувствительность облученных тканей, что требует использования модифицирующих факторов для создания риска. коэффициент в зивертах . Согласно линейной беспороговой модели, один зиверт несет в себе 5,5%-ную вероятность развития рака . ^{[6] [7]} Этот расчет начинается с поглощенной дозы.

Для представления стохастического риска используются дозы, эквивалентные дозе H _T и эффективной дозе E , а для их расчета на основе поглощенной дозы используются соответствующие дозовые коэффициенты и коэффициенты. ^[8] Эквивалентные и эффективные дозы выражаются в зивертах или бэрах , что означает, что биологические эффекты были приняты во внимание. Вычисление стохастического риска соответствует рекомендациям Международного комитета по радиационной защите (ICRP) и Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям (ICRU). Разработанная ими стройная система величин радиологической защиты представлена ​​на прилагаемой схеме.

Для облучения всего тела гамма-лучами или рентгеновскими лучами модифицирующие коэффициенты численно равны 1, что означает, что в этом случае доза в греях равна дозе в зивертах.

Разработка концепции поглощенной дозы и серого

Использование раннего рентгеновского аппарата с трубкой Крукса в 1896 году. Один мужчина рассматривает свою руку с помощью флюороскопа , чтобы оптимизировать излучение трубки, другой держит голову близко к трубке. Никаких мер предосторожности не предпринимается.

Памятник мученикам радиологии, установленный в 1936 году в больнице Святого Георга в Гамбурге, в 1959 году добавлены новые имена.

Вильгельм Рентген впервые открыл рентгеновские лучи 8 ноября 1895 года, и их использование очень быстро распространилось для медицинской диагностики, особенно для диагностики сломанных костей и посторонних предметов, где они были революционным усовершенствованием по сравнению с предыдущими методами.

Из-за широкого использования рентгеновских лучей и растущего осознания опасности ионизирующего излучения возникла необходимость в стандартах измерения интенсивности излучения, и различные страны разработали свои собственные, но с использованием разных определений и методов. В конце концов, чтобы способствовать международной стандартизации, первый Международный конгресс радиологии (ICR), собравшийся в Лондоне в 1925 году, предложил создать отдельный орган для рассмотрения единиц измерения. Она называлась Международной комиссией по радиационным единицам и измерениям , или ICRU, ^[a] и была создана на Втором ICR в Стокгольме в 1928 году под председательством Манне Зигбана . ^{[9] [10] [б]}

Одним из первых методов измерения интенсивности рентгеновских лучей было измерение их ионизирующего действия на воздухе с помощью наполненной воздухом ионной камеры . На первом совещании ICRU было предложено определить одну единицу рентгеновской дозы как количество рентгеновских лучей, которое производит одну эсу заряда в одном кубическом сантиметре сухого воздуха при 0  °C и давлении в 1 стандартную атмосферу . . Эту единицу радиационного воздействия назвали рентгеном в честь Вильгельма Рентгена, умершего пятью годами ранее. На заседании ICRU в 1937 году это определение было распространено на гамма-излучение . ^[11] Этот подход, хотя и был большим шагом вперед в стандартизации, имел тот недостаток, что не был прямым измерением поглощения радиации и, следовательно, эффекта ионизации в различных типах материи, включая человеческие ткани, и был измерением только действие рентгеновских лучей в конкретных обстоятельствах; эффект ионизации в сухом воздухе. ^[12]

В 1940 году Луи Гарольд Грей , изучавший влияние нейтронного повреждения на ткани человека, вместе с Уильямом Валентайном Мейнордом и радиобиологом Джоном Ридом, опубликовал статью, в которой была введена новая единица измерения, получившая название «грамм рентген» (символ :gr) был предложен и определен как «то количество нейтронного излучения, которое производит приращение энергии в единице объема ткани, равное приращению энергии, производимой в единице объема воды, на один рентген радиации». ^[13] Было обнаружено, что эта единица эквивалентна 88 эрг в воздухе, и поэтому поглощенная доза, как она впоследствии стала известна, зависит от взаимодействия излучения с облучаемым материалом, а не просто является выражением радиационного воздействия или интенсивности, что представлял собой рентген. В 1953 году ICRU рекомендовал рад , равный 100 эрг/г, в качестве новой единицы измерения поглощенного излучения. Рад выражали в когерентных единицах СГС . ^[11]

В конце 1950-х годов CGPM предложила ICRU присоединиться к другим научным организациям для работы над разработкой Международной системы единиц , или СИ. ^[14] Было решено определить единицу поглощенного излучения в системе СИ как энергию, выделяемую на единицу массы (именно так определялся рад), но в единицах МКС это будет Дж/кг. Это было подтверждено в 1975 году 15-м CGPM, и единица была названа «серой» в честь Луи Гарольда Грея, умершего в 1965 году. Грей был равен 100 рад, единице СГС.

Другое использование

Поглощенная доза также используется для управления облучением и измерения воздействия ионизирующего излучения на неживую материю в ряде областей.

Живучесть компонентов

Поглощенная доза используется для оценки живучести таких устройств, как электронные компоненты, в условиях ионизирующего излучения.

Радиационная закалка

Измерение поглощенной дозы, поглощенной неодушевленными веществами, имеет жизненно важное значение в процессе радиационной закалки , которая повышает устойчивость электронных устройств к радиационному воздействию.

Облучение пищевых продуктов

Поглощенная доза – это физическая величина дозы, используемая для обеспечения того, чтобы облученная пища получила правильную дозу для обеспечения эффективности. В зависимости от применения используются переменные дозы, которые могут достигать 70 кГр.

Величины, связанные с радиацией

В следующей таблице показаны величины радиации в единицах СИ и других единицах СИ:

Хотя Комиссия по ядерному регулированию США разрешает использование единиц кюри , рад и бэр наряду с единицами СИ, ^[15] директивы Европейского Союза о европейских единицах измерения требуют, чтобы их использование в «целях общественного здравоохранения…» было постепенно прекращено. к 31 декабря 1985 г. ^[16]

Смотрите также

• Керма (физика)
• Средняя доза для желез
• Категория:Единицы дозы радиации

Примечания

1. Первоначально известный как Международный комитет рентгеновского отделения.
2. Принимающая страна назначила председателя первых заседаний ICRU.

Рекомендации

1. МКРЗ 2007, глоссарий.
2. «Радиационное воздействие и загрязнение - травмы; отравление» . Руководства Merck Профессиональная версия . Проверено 20 мая 2023 г.
3. «Радиационное воздействие и загрязнение - Травмы; Отравление - Профессиональное издание руководства Merck» . Руководства Merck Профессиональная версия . Проверено 6 сентября 2017 г.
4. Бутильон, М; Перрош-Ру, AM (1 февраля 1987 г.). «Повторная оценка значения W для электронов в сухом воздухе». Физика в медицине и биологии . 32 (2): 213–219. дои : 10.1088/0031-9155/32/2/005. ISSN  0031-9155. S2CID  250751778.
5. МКРЗ 2007, с. 1.
6. «Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 2007 г.» Анналы МКРЗ . Публикация МКРЗ 103. 37 (2–4). 2007. ISBN 978-0-7020-3048-2. Проверено 17 мая 2012 г.
7. МКРЗ заявляет: «В диапазоне низких доз, ниже примерно 100 мЗв, с научной точки зрения обоснованно предположить, что заболеваемость раком или наследственными эффектами будет расти прямо пропорционально увеличению эквивалентной дозы в соответствующих органах и тканях. " Публикация МКРЗ 103, пункт 64
8. МКРЗ 2007, параграфы 104 и 105.
9. Зигбан, Манн; и другие. (октябрь 1929 г.). «Рекомендации Международного комитета рентгеновского отделения» (PDF) . Радиология . 13 (4): 372–3. дои : 10.1148/13.4.372. S2CID  74656044 . Проверено 20 мая 2012 г.
10. «О ICRU - История». Международная комиссия по радиационным единицам и мерам . Проверено 20 мая 2012 г.
11. Гилл, Дж. Х.; Мотефф, Джон (июнь 1960 г.). «Дозиметрия в Европе и СССР». Документы третьего Тихоокеанского совещания — Материалы для ядерных применений . Симпозиум по радиационным эффектам и дозиметрии - Третье тихоокеанское совещание Американского общества по испытанию материалов, октябрь 1959 г., Сан-Франциско, 12–16 октября 1959 г. Техническая публикация Американского общества. Том. 276. АСТМ Интернэшнл. п. 64. LCCN  60014734 . Проверено 15 мая 2012 г.
12. Ловелл, С. (1979). «4: Дозиметрические величины и единицы». Введение в радиационную дозиметрию . Издательство Кембриджского университета. стр. 52–64. ISBN 0-521-22436-5. Проверено 15 мая 2012 г.
13. Гупта, СВ (19 ноября 2009 г.). «Луи Гарольд Грей». Единицы измерения: прошлое, настоящее и будущее: Международная система единиц . Спрингер. п. 144. ИСБН 978-3-642-00737-8. Проверено 14 мая 2012 г.
14. «CCU: Консультативный комитет по подразделениям» . Международное бюро мер и весов (МБМВ) . Проверено 18 мая 2012 г.
15. 10 CFR 20.1004. Комиссия по ядерному регулированию США. 2009.
16. Совет Европейских сообществ (1979-12-21). «Директива Совета 80/181/ЕЕС от 20 декабря 1979 г. о сближении законов государств-членов, касающихся единиц измерения, и об отмене Директивы 71/354/ЕЕС» . Проверено 19 мая 2012 г.

Литература

• МКРЗ (2007). «Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 2007 г.». Анналы МКРЗ . Публикация МКРЗ 103. 37 (2–4). ISBN 978-0-7020-3048-2. Проверено 17 мая 2012 г.

Внешние ссылки

• Конкретные константы дозы гамма-излучения для нуклидов, важных для дозиметрии и радиологической оценки, Лори М. Унгер и Д.К. Труби, Национальная лаборатория Ок-Ридж, май 1982 г. - содержит константы дозы гамма-излучения (в тканях) примерно для 500 радионуклидов.