微觀劑量學現狀及發展趨勢

張向龍

摘 要：輻射劑量學是輻射防護的基礎，它不僅為輻射防護評價提供理論依據和評價量等參數的實驗測量方法，同時還為輻射與人體的作用過程研究、輻射生物效應的評價提供基礎數據，為輻射致癌效應和治療癌癥的方法提供技術手段。該文對輻射劑量學的應用領域、發展趨勢、理論基礎以及劑量學參數的實驗測量方法進行了歸納總結，結合我國的劑量學發展的現狀，提出了我國急需發展的劑量測試技術以及需要拓展的應用領域。

關鍵詞：宏觀劑量學 微劑量學 納劑量學 組織等效正比計數器

中圖分類號：O43 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0002-03

以輻射與物質相互作用的尺度為基準，劑量學通常可以劃分為三個層次：宏觀劑量學、微劑量學和納劑量學。宏觀劑量學量是反映組織或器官接受輻射照射水平的平均量，但當組織對特定電離輻射產生大小為D的吸收劑量時，組織中的不同細胞所受的輻射程度是不同的，基于統計平均值的吸收劑量無法體現這種微觀作用的隨機性。同時，輻射對人體造成的生物效應并不能通過吸收劑量來度量，吸收劑量既沒有考慮輻射類型的因素，也沒有考慮微觀尺度上輻射與人體作用的隨機特性。宏觀劑量學引入品質因子Q的概念（ICRP103采用輻射權重因子）解決吸收劑量的局限性，并且將品質因子Q與輻射的傳能線密度LET聯系到一起。

吸收相同劑量引起的生物效應因電離輻射能量沉積的微觀分布的不同而有別， 即決定生物效應的因素不僅僅是受照器官或組織中沉積的平均能量，更重要的是能量沉積在時間和微觀空間中的分布情況。隨著粒子作用靶尺度的減小，尤其降至亞微米量級時，帶電粒子能量損失的空間分布不是連續的，能量沉積呈現明顯的隨機性，此時輻射生物效應很大程度上是由某個物理點所沉積能量的實際大小所決定，而非平均值，因此采用微劑量學[1-2]對輻射效應進行描述更為適宜。20世紀50年代逐漸發展了微劑量學分支，微劑量學研究電離輻射在人體細胞中或尺度為微米級的人體組織中能量沉積事件的分布以及與此相關的人體宏觀生物學效應。不同于采用統計平均值的宏觀劑量學量，微劑量學采用比能、線能等隨機變量來研究輻射的劑量特征。微劑量學原理不僅從理論上為研究輻射生物效應與微觀能量沉積分布提供了紐帶，而且實驗微劑量學原理可以對輻射場的性質進行表征，得到混合輻射場的劑量學特征。

描述微劑量學的核心參數傳能線密度是帶電粒子能損關于其徑跡的平均值，它本身并不能描述帶電粒子的徑跡結構。而輻射品質同粒子的徑跡結構有密切關系，因此通過LET表征輻射品質有一定的局限性。微劑量學期望引入線能的概念代替LET來認識輻射品質的意義，但與傳能線密度一樣，線能也是能量沉積在徑跡長度上的平均值，線能更多地反映出不同事件之間能量沉積的漲落，并不能反映單次能量沉積事件中不同作用過程（電離過程、激發過程等）的隨機性，而后者才是決定徑跡結構的直接因素。使這種隨機性變得顯著的方法就是減小與輻射作用的靶的體積，以至于在這種尺寸下輻射與物質的作用不具有統計性。隨著放射生物學深入研究，輻射對生物細胞的損傷起始于對細胞內遺傳物質DNA某一片段的損傷，對于不同品質的輻射粒子，在2～3 nm區域內的電離產額同DNA雙鏈斷裂的產額成正相關，為此產生了納劑量學。納劑量學通過理論或實驗得到電離輻射在DNA尺度（染色質纖維尺度：25 nm）產生的電離數目ν（包括次級帶電粒子引起的電離）的分布，根據此分布定義相關參數與遺傳物質DNA發生損傷（單鏈斷裂和雙鏈斷裂）的幾率建立聯系，在考慮粒子徑跡結構的基礎上評估輻射的品質。

1 理論基礎

1.1 宏觀劑量學

宏觀劑量學采用吸收劑量描述射線在人體組織中的沉積能量。吸收劑量表示授予某一點處單位質量的物質的能量期望值，由下式定義：

（1）

1.2 微劑量學

線能

線能定義為電離輻射與物質小體元發生相互作用時，單次能量沉積事件造成的授予能同該體積元的平均弦長之比，線能由下式表示：

（2）

對于給定的體積元，平均弦長可以通過柯西定理推導得到，由下式確定：

（3）

1.3 納劑量學

不同于吸收劑量和線能，納劑量學定義的基本參數是電離簇的大小ν（cluster size）。它是粒子在指定體積內發生電離的次數。理論納劑量學和實驗納劑量學最終都得到了電離數目ν的分布，它表示一個品質因子為Q的初級輻射粒子穿過特定靶體積時，在靶體積內發生ν個電離過程的概率。

2 實驗方法

2.1 微劑量學實驗方法

2.1.1 TEPC測量原理

TEPC最早由H.H.Rossi于1960年左右首次提出并用于研究電離輻射在人體細胞中能量沉積事件分布。組織等效材料正比計數器用于微小體積模擬的原理為法諾理論，即粒子在TEPC的壁中能量沉積的空間分布與在氣體空腔中相同。當用正比計數器測量線能的概率密度函數f（y）時，可以使用大電離室和低密度填充氣體來模擬密度為1 cm3的人體組織在細胞層面上的線能分布[3]。

根據人體細胞等效的組織等效氣體的密度可按下式計算組織等效氣體的壓強。

（4）

2.1.2 探測器結構

H.H.Rossi最早提出并使用正比計數器測量微劑量參數[4]，TEPC具有組織等效性和模擬微觀尺寸的可行性[5]，探測器結構見圖1。

TEPC的室壁采用了組織等效材料。作為組織等效材料，必須具備組織等效性和導電性。所謂組織等效是指該材料必須和人體組織一樣對輻射有相同的阻止本領，而且同人體組織有相同的元素組分。計數管內所充的氣體也必須是組織等效氣體。通過使用組織等效材料，當輻射通過探測器時可以得到和輻射通過人體組織時相同的能量沉積結果，達到模擬人體組織細胞的目的。ICRU規定了用于人體不同組織的等效材料，比如肌肉組織，腦組織和前列腺組織。用作TEPC室壁的材料除了具有組織等效性還必須考慮到導電性和機械強度等因素。所以實際選材時除了盡量保證所選材料的組織等效性，還要綜合考慮其他因素。現在最常用的TEPC的室壁材料是代號為A-150的材料[6]。

在TEPC中填充有組織等效氣體。填充氣體的成份對TEPC的性能影響較大，尤其是對氣體倍增系數的影響。另外還需要使組織等效氣體與探測器壁的組織等效材料的元素組分盡量接近。常用的主要有兩種氣體組分作為組織等效氣體，一種是Rossi和Failla發展的基于甲烷的組織等效氣體，另一種是Srdoc發展的基于丙烷的組織等效氣體。

2.2 納劑量學實驗方法

由于實驗條件的限制，納劑量學發展最初主要依靠徑跡結構的蒙卡程序，這些蒙卡程序采用輻射與水的反應截面來近似輻射與DNA分子的作用。目前，探測器技術提供的位置分辨率以及探測器本身的靈敏尺寸都遠大于納米量級，因此采用傳統探測技術無法測量發生在納米尺度范圍內的電離事件。

實驗微劑量學的技術手段不適用于納劑量學范疇[7-9]。在納劑量學中，電離離子對數目非常少，而且平均電離能的概念也失去意義，因此期望通過氣體放大來測量電離數目不可行，唯一的辦法就是對電離過程產生的電子或離子進行計數。目前，常用單離子計數方法測量納劑量參數。

2.2.1 單離子計數納劑量儀原理

單離子納劑量儀結構見圖2，該譜儀主要有三個腔室，最上端的為低氣壓的電離室，提供初級粒子反應所需的靈敏體積；接著便是處于中度真空的離子漂移通道；最下方是高真空的區域，電離離子在該區域被離子計數器探測到。

2.2.2 離子計數器

正離子在E2作用下最終被電子倍增器（EM）探測到的概率P2則通常認為是100%。電子倍增器件（EM）的工作原理類似于光電倍增管，正離子打到EM的打拿級時會發射出電子，這些電子在EM內部電場的作用下不斷的轟擊另外的打拿級產生新的電子，最終產生的增益可達107以上。

3 結語

輻射劑量學是輻射防護基礎，現已從宏觀劑量參數測量發展到納米量級劑量參數測量，研究領域涉及個人防護、放射治療以及放射生物學領域。微劑量測量技術雖然劑量能響較好，但存在探測效率較低的問題一直未得到很好的解決；在國外該技術主要用于放療研究中重粒子LET效應研究，太空中重粒子或中子劑量分布測量和航天員劑量評估，放射生物學中LET效應與輻射損傷參數關系研究等。隨著GEM等技術的發展，已逐步克服了探測效率較低的問題，以TEPC作為個人劑量、場所劑量的測量方法逐漸發展成熟，例如法國開發了基于GEM的個人劑量探測設備，該探測器由144個小單元組成，總尺寸為60 mm×60 mm×60 mm，通過增大計數器有效面積的辦法可使靈敏度達到20計數/μSv。

納劑量學是20世紀初才發展起來的測試技術，其應用主要集中在輻射生物損傷效應基礎問題研究。由于常規輻射探測原理已不在適用，需要建立新的測試方法，國外只有幾家研究單位建立了測試方法，國內并未開展相關研究。隨著輻射生物效應研究的深入到DNA尺度，必須獲取納劑量的基本輻射參數。

綜上所述，我國的劑量測試技術與國外差距較大。為此急需拓展微劑量測量技術的應用領域，為工作人員的防護和放療領域的基礎研究提供探測方法。同時需要緊跟國外納米劑量的測量技術，為DNA尺度的射線與物質相互作用的理論建模提供實驗驗證方法，為深入理解射線對人體產生的輻射危害提供實驗手段。

參考文獻

[1] 張文忠，郭勇.微劑量的發展及其應用[J].Radiation Pretection，2004，24（6）：388-398.

[2] F.H.阿蒂克思，著.放射物理和輻射劑量學導論[M].崔高顯，雷家榮，譯.北京：原子能出版社，2004.

[3] H.H.Rossi.Development of microdosimetric counters， past， present and future[J].Radiation Protection Dosimetry，1984，9（3）：161-168.

[4] Soo Hyun Byun， Gloria M.Spirou，HanuA，et al. Simulation and first test of a micro-dosimetric detector based on a thick gas electron multiplier[J].IEEE T NUCL SCI，2009，56（3）：1108-1113.

[5] 張偉華，王志強.組織等效正比計數器的測量原理和方法[J].劑量研究，2008（3）：45-54.

[6] Shonka， R.F.， Rose， J.E.，Faila， G. Conducting Plastic Equivalent to Tissue， Air and Polystyrene[J].Proc Second Uniten Nations Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy，1958.

[7] Reinhard Schulte.Vladimir BashkirovaMapping the sensitive volume of an ion-counting nanodosimeter[J]. INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING AND SISSA， 2006.

[8] G. Garty， S. Shchemelinin， A. Breskin， etal.The performance of a novel ion-counting nanodosimeter[J]. Nucl. Instrum. Meth. A 492 （2002） 212.

[9] G. Garty， R. Schulte， S. Shchemelinin， etal.First attempts at prediction of DNA strand-break yields using nanodosimetric data[J].Radiation Protection Dosimetry，2007，122（1-4）：451-454.

在TEPC中填充有組織等效氣體。填充氣體的成份對TEPC的性能影響較大，尤其是對氣體倍增系數的影響。另外還需要使組織等效氣體與探測器壁的組織等效材料的元素組分盡量接近。常用的主要有兩種氣體組分作為組織等效氣體，一種是Rossi和Failla發展的基于甲烷的組織等效氣體，另一種是Srdoc發展的基于丙烷的組織等效氣體。

2.2 納劑量學實驗方法

由于實驗條件的限制，納劑量學發展最初主要依靠徑跡結構的蒙卡程序，這些蒙卡程序采用輻射與水的反應截面來近似輻射與DNA分子的作用。目前，探測器技術提供的位置分辨率以及探測器本身的靈敏尺寸都遠大于納米量級，因此采用傳統探測技術無法測量發生在納米尺度范圍內的電離事件。

實驗微劑量學的技術手段不適用于納劑量學范疇[7-9]。在納劑量學中，電離離子對數目非常少，而且平均電離能的概念也失去意義，因此期望通過氣體放大來測量電離數目不可行，唯一的辦法就是對電離過程產生的電子或離子進行計數。目前，常用單離子計數方法測量納劑量參數。

2.2.1 單離子計數納劑量儀原理

單離子納劑量儀結構見圖2，該譜儀主要有三個腔室，最上端的為低氣壓的電離室，提供初級粒子反應所需的靈敏體積；接著便是處于中度真空的離子漂移通道；最下方是高真空的區域，電離離子在該區域被離子計數器探測到。

2.2.2 離子計數器

正離子在E2作用下最終被電子倍增器（EM）探測到的概率P2則通常認為是100%。電子倍增器件（EM）的工作原理類似于光電倍增管，正離子打到EM的打拿級時會發射出電子，這些電子在EM內部電場的作用下不斷的轟擊另外的打拿級產生新的電子，最終產生的增益可達107以上。

3 結語

輻射劑量學是輻射防護基礎，現已從宏觀劑量參數測量發展到納米量級劑量參數測量，研究領域涉及個人防護、放射治療以及放射生物學領域。微劑量測量技術雖然劑量能響較好，但存在探測效率較低的問題一直未得到很好的解決；在國外該技術主要用于放療研究中重粒子LET效應研究，太空中重粒子或中子劑量分布測量和航天員劑量評估，放射生物學中LET效應與輻射損傷參數關系研究等。隨著GEM等技術的發展，已逐步克服了探測效率較低的問題，以TEPC作為個人劑量、場所劑量的測量方法逐漸發展成熟，例如法國開發了基于GEM的個人劑量探測設備，該探測器由144個小單元組成，總尺寸為60 mm×60 mm×60 mm，通過增大計數器有效面積的辦法可使靈敏度達到20計數/μSv。

納劑量學是20世紀初才發展起來的測試技術，其應用主要集中在輻射生物損傷效應基礎問題研究。由于常規輻射探測原理已不在適用，需要建立新的測試方法，國外只有幾家研究單位建立了測試方法，國內并未開展相關研究。隨著輻射生物效應研究的深入到DNA尺度，必須獲取納劑量的基本輻射參數。

綜上所述，我國的劑量測試技術與國外差距較大。為此急需拓展微劑量測量技術的應用領域，為工作人員的防護和放療領域的基礎研究提供探測方法。同時需要緊跟國外納米劑量的測量技術，為DNA尺度的射線與物質相互作用的理論建模提供實驗驗證方法，為深入理解射線對人體產生的輻射危害提供實驗手段。

參考文獻

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[9] G. Garty， R. Schulte， S. Shchemelinin， etal.First attempts at prediction of DNA strand-break yields using nanodosimetric data[J].Radiation Protection Dosimetry，2007，122（1-4）：451-454.

在TEPC中填充有組織等效氣體。填充氣體的成份對TEPC的性能影響較大，尤其是對氣體倍增系數的影響。另外還需要使組織等效氣體與探測器壁的組織等效材料的元素組分盡量接近。常用的主要有兩種氣體組分作為組織等效氣體，一種是Rossi和Failla發展的基于甲烷的組織等效氣體，另一種是Srdoc發展的基于丙烷的組織等效氣體。

2.2 納劑量學實驗方法

由于實驗條件的限制，納劑量學發展最初主要依靠徑跡結構的蒙卡程序，這些蒙卡程序采用輻射與水的反應截面來近似輻射與DNA分子的作用。目前，探測器技術提供的位置分辨率以及探測器本身的靈敏尺寸都遠大于納米量級，因此采用傳統探測技術無法測量發生在納米尺度范圍內的電離事件。

實驗微劑量學的技術手段不適用于納劑量學范疇[7-9]。在納劑量學中，電離離子對數目非常少，而且平均電離能的概念也失去意義，因此期望通過氣體放大來測量電離數目不可行，唯一的辦法就是對電離過程產生的電子或離子進行計數。目前，常用單離子計數方法測量納劑量參數。

2.2.1 單離子計數納劑量儀原理

單離子納劑量儀結構見圖2，該譜儀主要有三個腔室，最上端的為低氣壓的電離室，提供初級粒子反應所需的靈敏體積；接著便是處于中度真空的離子漂移通道；最下方是高真空的區域，電離離子在該區域被離子計數器探測到。

2.2.2 離子計數器

正離子在E2作用下最終被電子倍增器（EM）探測到的概率P2則通常認為是100%。電子倍增器件（EM）的工作原理類似于光電倍增管，正離子打到EM的打拿級時會發射出電子，這些電子在EM內部電場的作用下不斷的轟擊另外的打拿級產生新的電子，最終產生的增益可達107以上。

3 結語

輻射劑量學是輻射防護基礎，現已從宏觀劑量參數測量發展到納米量級劑量參數測量，研究領域涉及個人防護、放射治療以及放射生物學領域。微劑量測量技術雖然劑量能響較好，但存在探測效率較低的問題一直未得到很好的解決；在國外該技術主要用于放療研究中重粒子LET效應研究，太空中重粒子或中子劑量分布測量和航天員劑量評估，放射生物學中LET效應與輻射損傷參數關系研究等。隨著GEM等技術的發展，已逐步克服了探測效率較低的問題，以TEPC作為個人劑量、場所劑量的測量方法逐漸發展成熟，例如法國開發了基于GEM的個人劑量探測設備，該探測器由144個小單元組成，總尺寸為60 mm×60 mm×60 mm，通過增大計數器有效面積的辦法可使靈敏度達到20計數/μSv。

納劑量學是20世紀初才發展起來的測試技術，其應用主要集中在輻射生物損傷效應基礎問題研究。由于常規輻射探測原理已不在適用，需要建立新的測試方法，國外只有幾家研究單位建立了測試方法，國內并未開展相關研究。隨著輻射生物效應研究的深入到DNA尺度，必須獲取納劑量的基本輻射參數。

綜上所述，我國的劑量測試技術與國外差距較大。為此急需拓展微劑量測量技術的應用領域，為工作人員的防護和放療領域的基礎研究提供探測方法。同時需要緊跟國外納米劑量的測量技術，為DNA尺度的射線與物質相互作用的理論建模提供實驗驗證方法，為深入理解射線對人體產生的輻射危害提供實驗手段。

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[5] 張偉華，王志強.組織等效正比計數器的測量原理和方法[J].劑量研究，2008（3）：45-54.

[6] Shonka， R.F.， Rose， J.E.，Faila， G. Conducting Plastic Equivalent to Tissue， Air and Polystyrene[J].Proc Second Uniten Nations Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy，1958.

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[8] G. Garty， S. Shchemelinin， A. Breskin， etal.The performance of a novel ion-counting nanodosimeter[J]. Nucl. Instrum. Meth. A 492 （2002） 212.

[9] G. Garty， R. Schulte， S. Shchemelinin， etal.First attempts at prediction of DNA strand-break yields using nanodosimetric data[J].Radiation Protection Dosimetry，2007，122（1-4）：451-454.