外照射小劑量電離輻射所致器官劑量的估算應用研究*

朱衛國 張 慶 牛昊巍 張守志 孫全富*

外照射小劑量電離輻射所致器官劑量的估算應用研究*

朱衛國①張 慶①牛昊巍①張守志①孫全富①*

目的：探索一種可行的γ能譜分析用于輻射流行病學調查現場常見場景情況下外照射所致器官劑量的估算方法，并展望此方法在器官劑量估算中的應用前景。方法：采用無源效率刻度方法對陽江高本底地區居民居住環境所測量的γ能譜進行分析，根據已有的轉換系數對居民器官劑量進行估算和分析，并和對應位置所測量的空氣比釋動能所估算出來的全身有效劑量進行對比。結果：采用無源效率刻度方法，分析陽江高本底地區和對照地區居民(成年男性)包括紅骨髓、結腸(壁)、甲狀腺及眼晶體等30個人體器官的年器官吸收劑量和全身有效劑量。高本底地區居民全身有效劑量的估算結果(不含宇宙射線)為1.97～2.93 mSv/a，計算得到的測量點的空氣比釋動能和在同一測量點實測的結果相一致。結論：該實驗設計方案合理，其結果可信，同時表明該方法在小劑量電離輻射所致器官劑量估算中的應用可行。

無源效率刻度；外照射；器官劑量

[First-author’s address] National Institute for Radiological Protection, China CDC, Beijing 100088, China.

1972年，我國對廣東陽江天然放射性高本底地區開展了天然放射性高本底輻射與居民健康關系的研究，劑量學的研究貫穿其始終。在以往的研究中，對輻射所致癌癥危險估計時采用了有效劑量評估，而國際放射防護委員會(ICRP)的研究認為，不適宜使用有效劑量來估計流行病學輻射致癌危險度，應通過器官吸收劑量評估輻射致癌危險度[1-2]。為此，本研究對γ能譜分析中無源效率刻度方法在小劑量電離輻射所致器官劑量估算中的應用進行研究，提出小劑量電離輻射所致器官劑量的估算方法。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

(1)用于現場γ能譜測量的γ能譜儀為美國ORTEC公司生產，型號為DETECTIVE-DX-100T的電致冷HPGe γ核素甄別器和譜儀，采用同軸P型高純鍺探測晶體，相對于3 in×3 in碘化鈉晶體的探測效率為40%，能量分辨率在60Co 1332 keV處≤2.3 keV。

(2)使用德國AUTOMESS生產的6150AD 5/h型便攜式X、γ劑量率儀及配備6150AD b/h環境級探頭對現場γ能譜測量的點位的空氣比釋動能率進行測量，測量時劑量率儀處于檢定有效期內。

(3)本研究中使用的儀器設備為ORTEC Detective-DX-100T型多用途電致冷高純鍺譜儀，由卡迪諾科技(北京)有限公司提供刻度和使用指導。

1.2 無源效率刻度方法

通過γ能譜分析，可根據γ能譜全能峰峰位和面積確定樣品中放射性核素的種類和含量等信息。γ能譜分析包括能量刻度和效率刻度兩個重要步驟。根據刻度方法的不同，在對γ能譜儀進行效率刻度時，通常分為相對測量法、有源效率刻度測量法和無源效率刻度測量法。

相對測量法和有源效率刻度測量法是一般實驗室γ能譜測量的常用方法，測量比較方便[3-5]。無源效率刻度測量法是γ能譜分析發展過程中的一個新興技術，相對于其他兩種方法具有一些無可替代的優點，克服了以上兩種方法在使用中的一些局限性，如刻度過程無需制備標準樣品，測量對象可以是不規則的天然狀態的放射源，僅需一次刻度即可用于不同結構和空間分布的樣品中放射性核素的分析，是對天然環境樣品放射性核素分析的一種重要手段。

1.3 器官劑量估算方法

本研究選取廣東陽江高天然輻射本底地區作為研究對象，在以往的劑量學研究劃分的高、中、低以及對照4個劑量組各選取一個村莊，每個村莊選取了不同主體建材(土、磚、石頭)的房屋進行了居室內現場γ譜測量，各劑量組別測量一個野外測量點的γ譜[6]。根據γ譜測量的結果，采用無源效率刻度的方法分析房屋建材中的天然放射性核素的分布情況，從而估算出外照射所致居民器官劑量。

無源效率刻度需要對被探測樣品的空間分布進行合理的描述，其目的為估算天然環境中的放射性核素所產生的外照射所致居民器官劑量，因此將建筑材料以及地面等含有天然放射性核素的實體結構均視為探測對象進行處理。采用UG NX4.0軟件來構建外照射的結構模型，并設置模型中材料的構成和密度等信息。為了便于計算，模型的構建進行了適當的簡化。簡化的模型中采用了圓柱狀面源模型和圓盤狀面源模型兩種空間構造的組合來模擬住宅環境的結構。

根據所構建的被探測樣品空間分布的模型，采用γ譜儀生產廠商提供的HPGe探測器無源效率刻度表征文件，對所設置照射模型下的能量效率進行計算，得到兩個模型對應的效率刻度曲線，效率刻度曲線如圖1所示，各能量點的效率和擬合曲線均具有良好的一致性。將計算得到的效率刻度曲線導入γ能譜分析軟件后對現場測量所獲得的γ能譜圖進行分析，以確定被探測樣品中的放射性核素的種類和含量信息。

圖1 核素種類和含量效率刻度曲線圖

通過無源效率刻度的方法計算出特定模型中需要分析的天然放射性核素對應的γ能量的探測效率之后，可以由公式1計算出第j種放射性核素在照射模型上的總活度Qj(Bq)：

式中Net樣品為被測樣品能量為E的γ光子凈計數；Lt樣品為被測樣品測量時間，s；Pji為第j種核素發射第i個γ光子的概率；εEi為第i個γ光子能量所對應的效率值。

計算得到實驗中所設計的模型上各天然放射性核素的總活度后即可計算參考點(HPGe探測器中心點位置)處的空氣比釋動能率。參考點處的空氣比釋動能率的貢獻來自于所建立的有底圓柱型模型上的放射性核素，為了簡化計算，本研究中假定所分析出的核素按面積平均分布于所建立的模型表面。不同形狀源所對應的參考點處的空氣比釋動能率的計算方法如下。

(1)圓盤狀面源。如圖2所示，假設圓盤面源半徑為α，圓盤狀面源上放射性核素總活度為A，則過圓盤狀面源中心軸線上距離為h的一點Q處的空氣比釋動能率·(Gy/s)由公式2進行計算：

圖2 圓盤狀面源照射示圖

式中Γk為第k種核素的比釋動能率常數，通過對γ能譜的分析，陽江高本底地區對外照射有貢獻的核素包括238U、232Th、226Ra、40K和137Cs(部分測量點)5種核素，這5種核素的空氣比釋動能率常數見表1[7]。

表1 空氣比釋動能率常數[Gy·m2/(Bq·s)]

(2)圓柱狀面源。如圖3所示，假設不包括上下底面的空心圓柱半徑為a，高度為h，圓柱狀面源上放射性核素總活度為A，則過圓柱軸線上距底部l的一點Q處的空氣比釋動能率K·由公式3進行計算：

圖3 圓柱狀面源照射示圖

表2 主要γ光子能量及其分支比

考慮單能光子每單位注量產生的空氣比釋動能進行分解，計算核素各個能量的光子對參考點產生的空氣比釋動能的大小，各個能量的分支比η按公式4計算：

式中Fi為第i個能量的γ光子發射的分支比(%)；ai為第i個能量的γ光子每注量的空氣比釋動能轉換系數。

計算得到所有關注的天然放射性核素各能量分支對參考點所產生的比釋動能率和對應能量的光子外照射劑量轉換系數之后，采用劉立業等[9]建立的中國成年參考人體素模型(Chinese reference adult model，CRAM)所計算的旋轉照射模型下空氣比釋動能率到器官劑量的轉換系數，最終計算得到各天然放射性核素不同能量分支所致器官劑量的數值，將這些結果累加并按居民居室內的居留因子[10]分別計算居民在居室內和居室外的器官劑量相加，得到最終的器官劑量的結果。

1.4 質量保證

每個測量點均實地測量了空氣比釋動能率，通過和現場γ計算過程中得到的空氣比釋動能率進行統計分析，統計分析結果用于對無源效率刻度計算結果的驗證。

1.5 統計學方法

研究中使用SPSS 18.0統計軟件對實測吸收劑量和通過模型所計算的結果進行成對樣本t檢驗，根據統計檢驗的結果來確定所建立的照射模型和實際照射情況是否相符。

分析60例行靜脈溶栓治療的患者，其中38例為發病后6 h內進行治療，其血管再通率為89.47%，22例發病后6～12 h治療患者的血管再通率為72.73%，二者之間的比較差異有統計學意義（P＜0.05）。見表3。

表3 γ能譜分析計算和實測的居室內空氣比釋動能率(mGy/a)

2 結果

2.1 測量點空氣比釋動能率

居室內共42個測量點的γ能譜所計算出的空氣比釋動能率(mGy/a)見表3，在γ能譜分析中不含宇宙射線對空氣比釋動能率。6150AD 5/h型劑量率儀實測的空氣比釋動能率也列于表3，此數據扣除了宇宙射線所致的空氣比釋動能率(0.24 mGy/a)[10-11]。將42組實測值和γ能譜分析所計算的空氣比釋動能率進行配對樣本t檢驗，實測值和計算值之間差異無統計學意義(df=41，t=1.624，P=0.112)，此結果驗證了建立模型時對實際照射條件的簡化是可行的，模型的簡化可極大縮短效率刻度的計算過程。

2.2 不同類型房屋中核素構成和含量

采用無源效率刻度方法進行γ能譜的分析，計算出各個劑量分組的不同類型的房屋模型中的天然放射性核素含量(同一模型上的核素總量按劑量組所有同類型房屋的計算結果計算平均值，其中中劑量組無石頭房子，因此無石頭房子核素含量信息)，見表4。根據核素含量的計算結果，高本底地區(高、中、低劑量組)房屋中的238U、232Th、226Ra及40K含量明顯高于對照組，137Cs僅在一部分房屋中測出，因此計算結果和劑量分組不是太吻合，但137Cs在劑量貢獻中不占主導因素。

表4 同一模型不同劑量分組和不同房屋類型中計算出的核素含量(Bq)

表5 陽江高本底地區居民器官年吸收劑量

表5 陽江高本底地區居民器官年吸收劑量

劑量組別房屋類型器官劑量(mGy/a)紅骨髓結腸(壁)甲狀腺眼晶體對照組低劑量組中劑量組高劑量組土房0.35±0.010.35±0.010.38±0.010.36±0.01磚房0.72±0.010.73±0.010.80±0.010.75±0.01石頭房0.75±0.010.76±0.010.83±0.010.78±0.01土房2.01±0.022.02±0.022.23±0.022.09±0.02磚房2.44±0.022.46±0.022.71±0.022.54±0.02石頭房2.27±0.022.29±0.022.52±0.022.36±0.02土房2.00±0.022.01±0.022.22±0.022.08±0.02磚房1.97±0.021.98±0.022.19±0.022.05±0.02石頭房——土房1.62±0.011.63±0.011.79±0.021.69±0.02磚房2.09±0.022.10±0.022.32±0.022.17±0.02石頭房1.91±0.021.93±0.022.12±0.021.99±0.02

表6 陽江高本底地區居民年有效劑量估算結果

2.3 器官劑量及有效劑量

根據核素含量和模型結構可以計算出陽江高本底地區和對照地區不同劑量分組和住宅類型的30個居民人體器官的年器官吸收劑量和全身有效劑量(男性)，對輻射流行病調查中比較關注的紅骨髓、結腸(壁)、甲狀腺及眼晶體的器官劑量見表5，有效劑量的計算結果數據見表6。此結果與高本底輻射研究以往的劑量學調查資料處于同一輻射水平(按村人口的加權平均值：對照組0.686 mSv/a，高本底地區組1.835～2.455 mSv/a)[6]。

3 討論

HPGe探頭對低于100 keV能量的光子不太敏感，而一般情況下238U的用于γ能譜分析的γ光子能量處于此低能區內，若要獲得較理想的全能峰，則需要對樣品測量相當長的時間。鑒于本研究現場測量時的實際情況，不適宜對現場γ能譜進行無限制的測量，因此本研究未獲得能夠直接分析238U核素的理想全能峰。本研究對居室外的檢測點進行了土壤樣品的采集，用于實驗室γ能譜的分析，結果顯示該地區處于238U、226Ra平衡狀態，在238U含量的分析計算中，采用了長期平衡衰變鏈中的分支比對238U的含量進行了估計，根據對土壤樣品實驗室γ能譜的分析結果，采用這種方法在最終結果上不會有較大的誤差引入。

由于研究的局限，本次研究中所測量的布點無法與以往的劑量學調查中的測量點一一對應，以往的劑量學分組是按村人口加權平均的劑量進行村莊的劑量學分組，本次在樣本的選取時對應村莊劑量分組并不具有代表性，致使本研究最終的計算結果中高、中、低劑量分組的數據與以往的劑量學調查的劑量分組不相符，此結果的不一致需要更多的實驗來證實。總體而言，計算所得的有效劑量數據與以往的劑量學調查中的劑量水平范圍相一致[6]。

在照射幾何條件的選擇上本研究選用了ICRP 74號報告中的標準照射幾何條件(ROT照射幾何條件)，這種照射幾何條件對墻壁中的天然放射性核素所造成的照射情形描述較好。但對于地面，尤其是接近γ能譜儀探頭的地面土壤中的天然放射性核素的描述會存在誤差，對應真實的環境輻射對人體的照射，可能會造成人體靠近地面的器官(如性腺、直腸壁等)吸收劑量的偏低估計和遠離地面的器官吸收劑量的偏高估計，如何建立一個適合陽江高本底地區居民實際照射幾何條件來計算光子外照射換算系數，如何提高對各器官吸收劑量估算精度，值得進一步研究和探討。

為了便于計算，模型的建立過程中采取了一定的簡化假設，通過計算結果估算的全身有效劑量和采用其他方法實際測量所估算的結果進行配對樣本t檢驗，P=0.112，統計分析的結果表明這種簡化對結果的影響，按照α=0.05水準，尚不能認為兩組間有差異，因此可以認為此種近似所引入的偏差是可以接受的。本研究為陽江高本底輻射研究劑量學研究中器官劑量的估算探索了一個新的方法，但該種方法僅適用于外照射所致器官劑量的估算，內照射對器官劑量的影響更為復雜，需要進一步的研究提出適合于內照射所致器官劑量的估算方法。

在考慮的常見天然放射性核素中，包含了以往數十年中大氣核試驗和反應堆事故等所造成的一些人工放射性核素的全球性沉積，這些人工放射性核素中半衰期較長的137Cs的沉積對輻射劑量的貢獻最為顯著，經過分析，研究區域中137Cs所造成的有效劑量在總有效劑量中僅占4.58×10-9的份額，對居民所受的總有效劑量可以忽略不計。

[1]International Commission on Radiological Protection.Conversion Coefficients for Radiological Protection Quantities for External Radiation Exposures[R].ICRP Publication 116，2010：35-39.

[2]國際放射防護委員會.國際放射防護委員會第103號出版物[M].北京：原子能出版社，2008：345-347.

[3]向長興.一組實用γ能譜分析效率刻度曲線[J].核電子學與探測技術，1994，14(6)：363.

[4]龐巨豐.γ能譜數據分析[M].陜西科學技術出版社，1990：722.

[5]俞森標，姜讓榮.HPGeγ能譜儀對體源的效率與源高度近似關系的驗證[J].輻射防護，1998，7(4)：314.

[6]袁鏞齡，沈泓，孫全富，等.陽江高本底輻射地區的個人外照射劑量估算和人員的劑量分組[J].中華放射醫學與防護雜志，1999，19(2)：99-103.

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[8]劉立業.中國成年男性參考人體素模型及在劑量測量評價中的應用[D].清華大學博士論文，2010.

[9]魏履新，查永如，陶祖范，等.中國陽江高本底輻射研究[M].北京：原子能出版社，1996：85-121.

[10]United Nations.Sources and effects of ionizing radiation[C].New York：United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation，1993.

[11]United Nations.Sources，efects and risks of ionizing radiation[C].New York：United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation，1988.

Applied research on organ doses induced by small doses ionizing radiation estimation

ZHU Wei-guo, ZHANG Qing, NIU Hao-wei, et al// China Medical Equipment,2015,12(1):20-24.

Objective: To explore a feasible γ energy spectrum method for estimating organ doses which induced by external irradiation, and the application prospect of this method in the organ dose estimation. Methods: Analysis the γ energy spectrum which measured in high background areas of Yangjiang by Efficiency calibration without Radioactive Source method, based on the existing residents of organ dose conversion factors for estimating and analysis, and the corresponding position of the measured air kerma the effective dose estimated by comparison of the whole body. Results: Through the passive efficiency calibration method to analyze 30 organ absorbed dose and effective dose (adult males) of residents who living in the high background areas of Yangjiang and control area, including red bone marrow, colon (wall), thyroid, eye lens, etc. Residents in high background areas of the body effective dose estimates range from 1.97 mSv/a to 2.93 mSv/a, which consistent with the results and the measurement of air kerma estimate. Conclusion: The experimental design is reasonable, but also shows that the method is feasible for small doses of ionizing radiation induced organ dose estimates application.

Efficiency calibration; External irradiation; Organ dose

朱衛國,男,(1979- ),碩士，助理研究員。中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室，從事輻射防護工作。

1672-8270(2015)01-0020-05

R144.1

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.006

2014-04-03

衛生行業科研專項(201002009)“輻射危害控制與核輻射衛生應急處置關鍵技術研究及其應用”

①中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所 輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室 北京 100088

*通信作者：qfusun@nirp.cn