外照射小剂量电离辐射所致器官剂量的估算应用研究*

朱卫国 张 庆 牛昊巍 张守志 孙全富*

外照射小剂量电离辐射所致器官剂量的估算应用研究*

朱卫国①张 庆①牛昊巍①张守志①孙全富①*

目的：探索一种可行的γ能谱分析用于辐射流行病学调查现场常见场景情况下外照射所致器官剂量的估算方法，并展望此方法在器官剂量估算中的应用前景。方法：采用无源效率刻度方法对阳江高本底地区居民居住环境所测量的γ能谱进行分析，根据已有的转换系数对居民器官剂量进行估算和分析，并和对应位置所测量的空气比释动能所估算出来的全身有效剂量进行对比。结果：采用无源效率刻度方法，分析阳江高本底地区和对照地区居民(成年男性)包括红骨髓、结肠(壁)、甲状腺及眼晶体等30个人体器官的年器官吸收剂量和全身有效剂量。高本底地区居民全身有效剂量的估算结果(不含宇宙射线)为1.97～2.93 mSv/a，计算得到的测量点的空气比释动能和在同一测量点实测的结果相一致。结论：该实验设计方案合理，其结果可信，同时表明该方法在小剂量电离辐射所致器官剂量估算中的应用可行。

无源效率刻度；外照射；器官剂量

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

1972年，我国对广东阳江天然放射性高本底地区开展了天然放射性高本底辐射与居民健康关系的研究，剂量学的研究贯穿其始终。在以往的研究中，对辐射所致癌症危险估计时采用了有效剂量评估，而国际放射防护委员会(ICRP)的研究认为，不适宜使用有效剂量来估计流行病学辐射致癌危险度，应通过器官吸收剂量评估辐射致癌危险度[1-2]。为此，本研究对γ能谱分析中无源效率刻度方法在小剂量电离辐射所致器官剂量估算中的应用进行研究，提出小剂量电离辐射所致器官剂量的估算方法。

1 材料与方法

1.1 仪器设备

(1)用于现场γ能谱测量的γ能谱仪为美国ORTEC公司生产，型号为DETECTIVE-DX-100T的电致冷HPGe γ核素甄别器和谱仪，采用同轴P型高纯锗探测晶体，相对于3 in×3 in碘化钠晶体的探测效率为40%，能量分辨率在60Co 1332 keV处≤2.3 keV。

(2)使用德国AUTOMESS生产的6150AD 5/h型便携式X、γ剂量率仪及配备6150AD b/h环境级探头对现场γ能谱测量的点位的空气比释动能率进行测量，测量时剂量率仪处于检定有效期内。

(3)本研究中使用的仪器设备为ORTEC Detective-DX-100T型多用途电致冷高纯锗谱仪，由卡迪诺科技(北京)有限公司提供刻度和使用指导。

1.2 无源效率刻度方法

通过γ能谱分析，可根据γ能谱全能峰峰位和面积确定样品中放射性核素的种类和含量等信息。γ能谱分析包括能量刻度和效率刻度两个重要步骤。根据刻度方法的不同，在对γ能谱仪进行效率刻度时，通常分为相对测量法、有源效率刻度测量法和无源效率刻度测量法。

相对测量法和有源效率刻度测量法是一般实验室γ能谱测量的常用方法，测量比较方便[3-5]。无源效率刻度测量法是γ能谱分析发展过程中的一个新兴技术，相对于其他两种方法具有一些无可替代的优点，克服了以上两种方法在使用中的一些局限性，如刻度过程无需制备标准样品，测量对象可以是不规则的天然状态的放射源，仅需一次刻度即可用于不同结构和空间分布的样品中放射性核素的分析，是对天然环境样品放射性核素分析的一种重要手段。

1.3 器官剂量估算方法

本研究选取广东阳江高天然辐射本底地区作为研究对象，在以往的剂量学研究划分的高、中、低以及对照4个剂量组各选取一个村庄，每个村庄选取了不同主体建材(土、砖、石头)的房屋进行了居室内现场γ谱测量，各剂量组别测量一个野外测量点的γ谱[6]。根据γ谱测量的结果，采用无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况，从而估算出外照射所致居民器官剂量。

无源效率刻度需要对被探测样品的空间分布进行合理的描述，其目的为估算天然环境中的放射性核素所产生的外照射所致居民器官剂量，因此将建筑材料以及地面等含有天然放射性核素的实体结构均视为探测对象进行处理。采用UG NX4.0软件来构建外照射的结构模型，并设置模型中材料的构成和密度等信息。为了便于计算，模型的构建进行了适当的简化。简化的模型中采用了圆柱状面源模型和圆盘状面源模型两种空间构造的组合来模拟住宅环境的结构。

根据所构建的被探测样品空间分布的模型，采用γ谱仪生产厂商提供的HPGe探测器无源效率刻度表征文件，对所设置照射模型下的能量效率进行计算，得到两个模型对应的效率刻度曲线，效率刻度曲线如图1所示，各能量点的效率和拟合曲线均具有良好的一致性。将计算得到的效率刻度曲线导入γ能谱分析软件后对现场测量所获得的γ能谱图进行分析，以确定被探测样品中的放射性核素的种类和含量信息。

图1 核素种类和含量效率刻度曲线图

通过无源效率刻度的方法计算出特定模型中需要分析的天然放射性核素对应的γ能量的探测效率之后，可以由公式1计算出第j种放射性核素在照射模型上的总活度Qj(Bq)：

式中Net样品为被测样品能量为E的γ光子净计数；Lt样品为被测样品测量时间，s；Pji为第j种核素发射第i个γ光子的概率；εEi为第i个γ光子能量所对应的效率值。

计算得到实验中所设计的模型上各天然放射性核素的总活度后即可计算参考点(HPGe探测器中心点位置)处的空气比释动能率。参考点处的空气比释动能率的贡献来自于所建立的有底圆柱型模型上的放射性核素，为了简化计算，本研究中假定所分析出的核素按面积平均分布于所建立的模型表面。不同形状源所对应的参考点处的空气比释动能率的计算方法如下。

(1)圆盘状面源。如图2所示，假设圆盘面源半径为α，圆盘状面源上放射性核素总活度为A，则过圆盘状面源中心轴线上距离为h的一点Q处的空气比释动能率·(Gy/s)由公式2进行计算：

图2 圆盘状面源照射示图

式中Γk为第k种核素的比释动能率常数，通过对γ能谱的分析，阳江高本底地区对外照射有贡献的核素包括238U、232Th、226Ra、40K和137Cs(部分测量点)5种核素，这5种核素的空气比释动能率常数见表1[7]。

表1 空气比释动能率常数[Gy·m2/(Bq·s)]

(2)圆柱状面源。如图3所示，假设不包括上下底面的空心圆柱半径为a，高度为h，圆柱状面源上放射性核素总活度为A，则过圆柱轴线上距底部l的一点Q处的空气比释动能率K·由公式3进行计算：

图3 圆柱状面源照射示图

表2 主要γ光子能量及其分支比

考虑单能光子每单位注量产生的空气比释动能进行分解，计算核素各个能量的光子对参考点产生的空气比释动能的大小，各个能量的分支比η按公式4计算：

式中Fi为第i个能量的γ光子发射的分支比(%)；ai为第i个能量的γ光子每注量的空气比释动能转换系数。

计算得到所有关注的天然放射性核素各能量分支对参考点所产生的比释动能率和对应能量的光子外照射剂量转换系数之后，采用刘立业等[9]建立的中国成年参考人体素模型(Chinese reference adult model，CRAM)所计算的旋转照射模型下空气比释动能率到器官剂量的转换系数，最终计算得到各天然放射性核素不同能量分支所致器官剂量的数值，将这些结果累加并按居民居室内的居留因子[10]分别计算居民在居室内和居室外的器官剂量相加，得到最终的器官剂量的结果。

1.4 质量保证

每个测量点均实地测量了空气比释动能率，通过和现场γ计算过程中得到的空气比释动能率进行统计分析，统计分析结果用于对无源效率刻度计算结果的验证。

1.5 统计学方法

研究中使用SPSS 18.0统计软件对实测吸收剂量和通过模型所计算的结果进行成对样本t检验，根据统计检验的结果来确定所建立的照射模型和实际照射情况是否相符。

分析60例行静脉溶栓治疗的患者，其中38例为发病后6 h内进行治疗，其血管再通率为89.47%，22例发病后6～12 h治疗患者的血管再通率为72.73%，二者之间的比较差异有统计学意义（P＜0.05）。见表3。

表3 γ能谱分析计算和实测的居室内空气比释动能率(mGy/a)

2 结果

2.1 测量点空气比释动能率

居室内共42个测量点的γ能谱所计算出的空气比释动能率(mGy/a)见表3，在γ能谱分析中不含宇宙射线对空气比释动能率。6150AD 5/h型剂量率仪实测的空气比释动能率也列于表3，此数据扣除了宇宙射线所致的空气比释动能率(0.24 mGy/a)[10-11]。将42组实测值和γ能谱分析所计算的空气比释动能率进行配对样本t检验，实测值和计算值之间差异无统计学意义(df=41，t=1.624，P=0.112)，此结果验证了建立模型时对实际照射条件的简化是可行的，模型的简化可极大缩短效率刻度的计算过程。

2.2 不同类型房屋中核素构成和含量

采用无源效率刻度方法进行γ能谱的分析，计算出各个剂量分组的不同类型的房屋模型中的天然放射性核素含量(同一模型上的核素总量按剂量组所有同类型房屋的计算结果计算平均值，其中中剂量组无石头房子，因此无石头房子核素含量信息)，见表4。根据核素含量的计算结果，高本底地区(高、中、低剂量组)房屋中的238U、232Th、226Ra及40K含量明显高于对照组，137Cs仅在一部分房屋中测出，因此计算结果和剂量分组不是太吻合，但137Cs在剂量贡献中不占主导因素。

表4 同一模型不同剂量分组和不同房屋类型中计算出的核素含量(Bq)

表5 阳江高本底地区居民器官年吸收剂量

表5 阳江高本底地区居民器官年吸收剂量

剂量组别房屋类型器官剂量(mGy/a)红骨髓结肠(壁)甲状腺眼晶体对照组低剂量组中剂量组高剂量组土房0.35±0.010.35±0.010.38±0.010.36±0.01砖房0.72±0.010.73±0.010.80±0.010.75±0.01石头房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砖房2.44±0.022.46±0.022.71±0.022.54±0.02石头房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砖房1.97±0.021.98±0.022.19±0.022.05±0.02石头房——土房1.62±0.011.63±0.011.79±0.021.69±0.02砖房2.09±0.022.10±0.022.32±0.022.17±0.02石头房1.91±0.021.93±0.022.12±0.021.99±0.02

表6 阳江高本底地区居民年有效剂量估算结果

2.3 器官剂量及有效剂量

根据核素含量和模型结构可以计算出阳江高本底地区和对照地区不同剂量分组和住宅类型的30个居民人体器官的年器官吸收剂量和全身有效剂量(男性)，对辐射流行病调查中比较关注的红骨髓、结肠(壁)、甲状腺及眼晶体的器官剂量见表5，有效剂量的计算结果数据见表6。此结果与高本底辐射研究以往的剂量学调查资料处于同一辐射水平(按村人口的加权平均值：对照组0.686 mSv/a，高本底地区组1.835～2.455 mSv/a)[6]。

3 讨论

HPGe探头对低于100 keV能量的光子不太敏感，而一般情况下238U的用于γ能谱分析的γ光子能量处于此低能区内，若要获得较理想的全能峰，则需要对样品测量相当长的时间。鉴于本研究现场测量时的实际情况，不适宜对现场γ能谱进行无限制的测量，因此本研究未获得能够直接分析238U核素的理想全能峰。本研究对居室外的检测点进行了土壤样品的采集，用于实验室γ能谱的分析，结果显示该地区处于238U、226Ra平衡状态，在238U含量的分析计算中，采用了长期平衡衰变链中的分支比对238U的含量进行了估计，根据对土壤样品实验室γ能谱的分析结果，采用这种方法在最终结果上不会有较大的误差引入。

由于研究的局限，本次研究中所测量的布点无法与以往的剂量学调查中的测量点一一对应，以往的剂量学分组是按村人口加权平均的剂量进行村庄的剂量学分组，本次在样本的选取时对应村庄剂量分组并不具有代表性，致使本研究最终的计算结果中高、中、低剂量分组的数据与以往的剂量学调查的剂量分组不相符，此结果的不一致需要更多的实验来证实。总体而言，计算所得的有效剂量数据与以往的剂量学调查中的剂量水平范围相一致[6]。

在照射几何条件的选择上本研究选用了ICRP 74号报告中的标准照射几何条件(ROT照射几何条件)，这种照射几何条件对墙壁中的天然放射性核素所造成的照射情形描述较好。但对于地面，尤其是接近γ能谱仪探头的地面土壤中的天然放射性核素的描述会存在误差，对应真实的环境辐射对人体的照射，可能会造成人体靠近地面的器官(如性腺、直肠壁等)吸收剂量的偏低估计和远离地面的器官吸收剂量的偏高估计，如何建立一个适合阳江高本底地区居民实际照射几何条件来计算光子外照射换算系数，如何提高对各器官吸收剂量估算精度，值得进一步研究和探讨。

为了便于计算，模型的建立过程中采取了一定的简化假设，通过计算结果估算的全身有效剂量和采用其他方法实际测量所估算的结果进行配对样本t检验，P=0.112，统计分析的结果表明这种简化对结果的影响，按照α=0.05水准，尚不能认为两组间有差异，因此可以认为此种近似所引入的偏差是可以接受的。本研究为阳江高本底辐射研究剂量学研究中器官剂量的估算探索了一个新的方法，但该种方法仅适用于外照射所致器官剂量的估算，内照射对器官剂量的影响更为复杂，需要进一步的研究提出适合于内照射所致器官剂量的估算方法。

在考虑的常见天然放射性核素中，包含了以往数十年中大气核试验和反应堆事故等所造成的一些人工放射性核素的全球性沉积，这些人工放射性核素中半衰期较长的137Cs的沉积对辐射剂量的贡献最为显著，经过分析，研究区域中137Cs所造成的有效剂量在总有效剂量中仅占4.58×10-9的份额，对居民所受的总有效剂量可以忽略不计。

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

[2]国际放射防护委员会.国际放射防护委员会第103号出版物[M].北京：原子能出版社，2008：345-347.

[3]向长兴.一组实用γ能谱分析效率刻度曲线[J].核电子学与探测技术，1994，14(6)：363.

[4]庞巨丰.γ能谱数据分析[M].陕西科学技术出版社，1990：722.

[5]俞森标，姜让荣.HPGeγ能谱仪对体源的效率与源高度近似关系的验证[J].辐射防护，1998，7(4)：314.

[6]袁镛龄，沈泓，孙全富，等.阳江高本底辐射地区的个人外照射剂量估算和人员的剂量分组[J].中华放射医学与防护杂志，1999，19(2)：99-103.

[7]International Commission on Radiological Protection，Nuclear Decay Data for Dosimetric Calculations[R].ICRP Publication 107，2009.

[8]刘立业.中国成年男性参考人体素模型及在剂量测量评价中的应用[D].清华大学博士论文，2010.

[9]魏履新，查永如，陶祖范，等.中国阳江高本底辐射研究[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

朱卫国,男,(1979- ),硕士，助理研究员。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室，从事辐射防护工作。

1672-8270(2015)01-0020-05

R144.1

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.006

2014-04-03

卫生行业科研专项(201002009)“辐射危害控制与核辐射卫生应急处置关键技术研究及其应用”

①中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室 北京 100088

*通信作者：qfusun@nirp.cn