Hp(3)测量与量值传递研究进展

张 璇，杨 扬，李德红，黄建微，郝艳梅，范富有，刘 博

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.四川大学华西医院，成都 610041)

近年来，随着科技与经济的发展，电离辐射已深入到人们生产生活的各个方面中。虽然电离辐射的广泛应用给人类带来了极大的益处，但与此同时，也给人类带来了一些危害，尤其是对于介入医学、核医学等岗位的工作人员，他们不得不长期接受小剂量的电离辐射照射。除了皮肤所产生的皮炎、红斑、脱毛等确定性效应，眼晶体作为电离辐射的敏感器官之一，也易出现晶状体浑浊等不良现象。电离辐射所引起的浑浊部位多为后囊下与皮质，随着时间的推移以及剂量的累积将诱发白内障，从而视力减退。与此同时，越来越多的证据表明眼晶体对电离辐射更加敏感，诱发白内障的剂量阈值可能比0.5 Gy更低，因此，国内外关于眼晶体剂量的关注也越来越多[1]。为正确评估放射工作人员眼晶体的受照剂量，保障放射工作人员的健康，本文对眼晶体剂量当量Hp(3)的测量和量值传递研究工作进行了综述。

1 剂量限值与监测水平的设定

剂量限值是指在受控的辐射实践活动中，使个人所受到的有效剂量或当量剂量不得超过的值，通过设定该值，可防止组织反应并将随机性效应限制到可以接受的水平。早期关于眼晶体剂量限值设定的依据，主要是来源于高电离辐射剂量暴露的放射生物学和流行病学的研究结果，如基于广岛和长崎原子弹爆炸幸存者的调查[2]。国际放射防护委员会(ICRP)第 26号报告出于社会与经济因素，为使辐射暴露合理降低，将眼晶体当量剂量限值设为300 mSv(30 rem)/a[2]。1991年剂量限值理念从剂量限制系统延伸为辐射防护系统，ICRP第60号报告将剂量限值降至150 mSv/a[3]。2007年发布的ICRP 103号报告关于眼晶体剂量限值与ICRP 60号报告一致[4]。但是，近期流行病学研究表明单次照射诱发白内障的剂量阈值并不需要2 Gy，0.5 Gy甚至更低的剂量均可诱发白内障，同时没有证据可以证明存在阈值剂量[5-6]，即眼晶体对电离辐射的敏感性比之前假定的要高，电离辐射剂量与白内障发病率之间的关系尚未确定[1]。因此，2011年4月，ICRP建议将电离辐射职业性暴露的眼晶体年均当量剂量限值从150 mSv，降至20 mSv(5年中任何1年的当量剂量不得超过50 mSv)；公众的眼晶体年当量剂量限值不变，仍是15 mSv[7]。该新建议逐渐被欧盟(EU)、国际原子能机构(IAEA)和国际标准化组织(ISO)所采纳[8-10]。同时，各组织机构也制定了相应的监测水平，并根据监测水平对放射工作人员进行了划分。表1列出了各组织机构制定的眼晶体年剂量限值和监测水平。

表1 眼晶体的年剂量限值和监测水平Tab.1 Annual dose limit and monitoring level for the dose to eye lens

2 当量剂量的转换系数

眼晶体当量剂量是ICRP为辐射防护建立的一个与人体有关的量，可以量化电离辐射对人体的危害。防护量通常通过描述辐射场的物理量乘以转换系数获得，因此转换系数HT/φ(HT为眼晶体的当量剂量，φ为入射粒子的注量)的计算一直是辐射防护学中的重要问题。

对于电子辐射，ICRP第74号报告采用了Schultz和Zoetelief的数据[11]。Schultz和Zoetelief根据ADAM模型通过蒙特卡罗模拟计算得到当量剂量的转换系数[12]。但是，该模型未对眼睛的几何形状进行详细描述。由于不同部分对辐射的敏感度不一，且在辐射场分布不均，尤其在弱贯穿辐射情况下，计算结果往往低于实际的眼晶体剂量。因此，Behrens等采用了更详细的模型(Charles和Brown设计的)进行了计算[13]。该眼睛模型不仅细分了眼球、角膜和眼晶体，还对眼睑进行了描述[14]。基于此，Behrens等列出辐射敏感部分、不敏感部分和整个眼晶体的当量剂量转换系数。但是最新版ICRP第116号报告只采纳了整个眼晶体的转换系数[15]。之后，Behrens再次对转换系数进行了计算，这次的模型不再只是眼晶体，而是将整个人体也包含了进去[16]，同时补充了能量范围更广的转换系数。结果显示当入射角分别为0°、15°、30°和45°时，新数据与旧数据相差不超过3%、4%、7%和16%。

同样，Behrens等采用包含整个人体的模型计算了光子场中眼晶体的转换系数[17]。该数据已被ICRP第116号报告采纳[15]。

3 Hp(3)的测量

由于当量剂量无法通过仪器测量得到，因此剂量监测中常用个人剂量当量Hp(d)进行评估，即距离人体表面深度d处的软组织的剂量当量。在眼晶体的剂量限值未降至20 mSv/a时，通常将设计为测量Hp(0.07)的剂量计的监测结果作为眼晶体所受剂量的估计值。但有研究表明只有在X射线(如放射学)辐射场中，且剂量计佩戴在眼睛周围的情况下，才可提供眼晶体剂量的可靠值[18]。而在核医学中，由于存在β射线，如果采用Hp(0.07)剂量计进行估计，易高估实际眼晶体剂量值至100倍以上[19]。Hp(10)剂量计的监测结果用于眼晶体所受剂量评估，易造成眼晶体剂量的低估，尤其是在低能X射线和β射线条件下。根据眼睛模型，当尺寸被替换为组织等效材料(软组织)中的厚度时，眼晶体敏感部分的组织等效深度大约位于3 mm处，因此，Hp(3)比Hp(0.07)或Hp(10)更能提供准确的眼晶体剂量结果[20]。ICRU和ICRP建议采用Hp(3)进行眼晶体的剂量评估[4,21]。

目前，对Hp(3)进行测量的仪器大多为热释光剂量测量系统，剂量计由剂量盒和热释光探测器组成，如医务人员辐射防护优化(ORAMED)项目开发的Eye-DTM剂量测量系统[22]，ISRN公司生产的DOSIRIS剂量计以及蓝道尔公司生产的VISION眼晶体剂量计。Eye-DTM剂量盒材质为聚酰胺，形状为中空半球型，厚度为3 mm，密度为1.13 g·cm-3；探测器为LiF:(Mg,Cu,P)，直径4.5 mm，厚0.9 mm。这种新型的剂量计配上热释光探测器，可以保证良好的能量响应和角度响应，并且这种胶囊型结构具有防水作用，方便更换热释光探测器，可多次重复使用。但这种剂量计在β射线下测量时胶囊结构的不一致将引起较大的偏差[23]。除了热释光剂量测量系统外，还存在基于光释光剂量测量系统的眼晶体剂量计BR330[24]：该剂量计以卡扣式结构安装在防护眼镜上，探测器为BeO，尺寸为4.7 mm×4.7 mm×0.5 mm，在德国被广泛使用。

眼晶体剂量测量的主动式测量仪表有直读式电子剂量计，如瑞典Unfors公司生产的EDD-30和美国Fluke公司生产的RaySafe i2。EDD-30探测器为硅晶体二极管，测量范围1 nSv～9 999 Sv，没有能量响应限制[25]。RaySafe i2的探测器为半导体，重30 g，长44 mm，宽45 mm，厚10 mm，能量响应偏差<20%[26]。直读式剂量计可获得单例介入术中职业人员眼晶体的受照信息，从而对手术参与人员的监测结果进行匹配分析，这是累积式剂量测量系统无法实现的；其次可以对剂量率进行实时监测，方便设置报警阈值，有效进行防护。但直读式剂量计存在成本较高、累积剂量有上限等问题，因此，更适用于对单例手术中瞬时剂量率和累积剂量进行监控，暂不适用于长期个人剂量监测。

为评价各个国家和实验室对于眼晶体剂量监测的能力，保障监测结果的质量，欧洲放射剂量学组(EURADOS)于2014年首次组织了眼晶体剂量监测的比对[27]。来自15个国家的20个欧洲个人剂量监测服务机构(IMS)参加了此次活动。结果显示根据《辐射防护——定期评估X和γ辐射个人剂量计的标准和性能限制》(ISO 14146—2000)标准[28]要求，有17个机构的响应值高于90%(测得值/参考值)。当大角度或低能量照射时，少数参与者结果与参考剂量相比有些差异。2016年，EURADOS再次组织了眼晶体剂量计的比对，与之前不同在于这次比对首次采用了β射线进行辐照。共有12个国家的22个机构参与此次比对[29]。光子比对的结果较为满意，90%以上机构的结果符合ISO 14146标准的要求。而β照射的结果则不然，这说明了对β辐射进行测量存在困难，主要在低β辐射能量下，易高估Hp(3)。同时，为Hp(0.07)设计的剂量计不适合监测处于β照射情况下的眼晶体剂量。图1列出了首次比对和第二次比对所用的剂量计类型。2019年，EURADOS组织开展了第三次眼晶体剂量计比对(IC2019exteye)[30]。

图1 比对所提供的不同类型剂量计的照片[27,29]Fig.1 Photos of the different types of dosemeters provided by participants[27,29]

4 Hp(3)的量值传递

Hp(3)量值传递过程中通常采用替代法对仪器进行校准。第一步将经过溯源的标准器置于辐射场校准位置处，测得该位置处的空气比释动能，将其与转换系数相乘，获得该位置处的Hp(3)约定值。第二步将待校准的剂量计与体模一起替代标准电离室，采用相同条件进行照射，获得剂量计的测得值，将约定值与测得值进行比较得到仪器的校准因子。在这一过程中Hp(3)量值传递存在两个重要因素：一是校准过程中所采用的体模，二是对Hp(3)赋值时所需的转换系数。

4.1 体模

个人剂量计必须在体模上进行校准，以合理地模拟佩戴它们时，身体部位的反向散射特性。因此，选择合适的体模至关重要。早先提出的校准体模为由30 cm×30 cm×15 cm的ICRU材料制成的水箱体模[11]。该体模虽可以很好地代表躯干，但不太适合眼晶体。原因如下：①该体模的尺寸(13 500 cm3)远大于实际的头部体积(6 300 cm3)，当前后位(AP位)照射时，与真实头部相比，水箱体模较大的尺寸和质量意味着较大的反向散射，因此易高估实际剂量；②15 cm的厚度较小，不足以代表头部，将导致后前位(PA位)照射时缺少相应组织的屏蔽，易高估实际剂量；③当采用侧位(LAT位)或较大入射角照射时，边缘的存在会使Hp(3)测得值急剧下降，易低估实际剂量[31]；Hp(10)也存在同样现象，水箱体模的宽度越大，衰减越大[32]。基于此，ICRU和国际标准化组织(ISO)都未发布关于Hp(0.07)slab和Hp(10)slab在90°入射的转换系数[33-34]。

ENEA辐射防护研究所博洛尼亚团队提出了一种简化的平板模型，尺寸为20 cm×20 cm×15 cm[35]，虽然这种平板体模可以较好地代表实际情况，但由于平板边缘的存在，在90°入射时仍存在问题。欧盟在2008年—2011年开展的医务人员辐射防护最优化(ORAMED)项目中开发了圆柱体模(直径20 cm，高度20 cm，壁厚0.5 cm，由PMMA制成，内部装满水)[36]。选择该体模的原因如下：①从解剖学角度考虑，头部除软组织外还有骨骼结构，而理论模型仅由软组织组成，因此稍大的直径可以补偿骨骼的交互作用，有助于吸收和散射；②易于制造且价格便宜[23]。

德国R.Behrens和O.Hupe研究了体模形状对Hp(3)剂量计校准结果的影响[37]：对于β射线，体模形状对结果没有显著影响；对于光子辐射,当入射角度α≤45°时，角响应几乎不依赖于体模形状，但当入射角度α≥ 60°时，响应存在明显不同。这是因为当大角度照射时，剂量计除直接照射外，还受板模表面散射到剂量计的辐射。当辐射入射角为90°时，辐射到达参考点所穿透的路径长度在板模中为15 cm(实线和虚线箭头)，而柱模大约只有2.4 cm(仅虚线箭头)，详见图2，基于上述结果建议入射角较大(α>45°)时，采用圆柱体模进行试验。圆柱体模已被《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射 第3部分：场所剂量仪和个人剂量计的校准及其能量响应和角响应的测定》(ISO 4037.3—2019)[34]、《β参考辐射：第3部分：场所和个人剂量仪的校准及其能量响应和角响应的确定》(ISO 6980.3—2019)[38]和《辐射防护仪 光子和β辐射的环境和个人监测用无源整合放射量测定系统》(IEC 62387—2020)[39]所采纳，且规定只允许这一种体模用于Hp(3)剂量计的校准。

图2 不同入射角的辐射情况[37]Fig.2 Radiation conditions at different incident angles [37]

4.2 眼晶体剂量当量的转换系数

由于不同形状的体模其散射存在差异，尤其在光子场中，体模的形状对眼晶体剂量当量Hp(3)的转换系数影响较大，因此在进行Hp(3)定值时，需明确定义曝光条件与体模类型，针对不同的曝光条件(辐射能量、入射角等)和体模，使用不同的转换系数。

从空气比释动能到剂量当量Hp(3)的转换系数主要通过蒙特卡罗法计算得到，通过在圆柱体模中放入不同体积的Hp(3)量积分区域，利用能量沉积或空气比释动能近似等原理，计算剂量当量Hp(3)和该点的空气比释动能，最终确定转换系数，图3列出了不同研究中所采用的Hp(3)模型。

a—F.Mariotti 2009，积分区域相距6 cm，对应36°(即，入射线两侧的扇形部分为18°)[23];b—J.Daures 2011:每隔15°处有一个积分区域。积分区域高5 cm，厚0.5 mm，宽0.4°(1 mm)，中心距表面3 mm[40];c—G.Gualdrini 2011:40个积分区域相互对称，每个体积0.68 cm3(高5 cm，厚2 mm，宽4°)，中心距表面3 mm[41]。图3 Hp(3)模拟的示意图Fig.3 The scheme of geometry of Hp(3)simulations

R.Behrens采用国际标准化组织《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射 第1部分：辐射特性及产生办法》(ISO 4037.1—1996)标准发布的X和γ辐射质的数值[42]，通过将能谱注量与单能光子的相应转换系数进行积分，得到转换系数的能谱平均值[43]。表2列出了X和γ辐射的来源，表3列出了计算方法。该计算结果已被《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射 第3部分：场所剂量仪和个人剂量计的校准及其能量响应和角响应的测定》(ISO 4037.3—2019)所采纳[34]。

表2 能谱的来源Tab.2 Sources for the spectra used

表3 从光子注量到空气比释动能的转换，以及随后的剂量当量Tab.3 Conversion from photon fluence to air kerma and subsequently to dose equivalent

5 结语

ICRP自2011年始提出将放射工作人员眼晶体年当量剂量限值降至20 mSv，5年内最大剂量为50 mSv。该建议已广泛被欧盟、IAEA和ISO所采纳，但我国目前现行有效关于眼晶体的年剂量限值仍为150 mSv[48]，为了与国际接轨，保障职业人员的健康，有必要修订该项剂量限值标准。

在Hp(3)量值传递方面，国际上给出了由空气比释动能到Hp(3)的转换系数，并推荐了Hp(3)校准用体模，发布了眼晶体剂量计，建立了较为成熟的Hp(3)校准方法。但我国关于Hp(3)标准和校准方法目前仍处于空白状态，亟需建立相关标准。

尽管眼晶体剂量测量方法日趋成熟，但仍存在一些问题：①目前国际标准对眼晶体当量剂量考虑的是针对整个眼晶体，然而事实上只有一部分晶状体对辐射极其敏感，如此评估易对剂量产生低估；②铅眼镜和铅面罩对防护β射线效果显著，但铅眼镜和铅面罩的材料和形状尚未标准化，因此较少存在包括防护用品在内的模拟，建议根据电子射程范围设计防护材料的厚度，进而模拟计算；③利用剂量当量来评估当量剂量，存在着一些缺陷。两个量都是用来衡量眼晶体受照剂量的大小，但在进行计算的过程中，所采用的模体、辐射权重因子等均不相同，因此，ICRU在2016年提出将个人吸收剂量Dp lens替代Hp(3)，作为新的实用量[49]。Dp lens是通过嵌入全身的程式化眼晶体模型计算得到，转换系数值来源于ICRP 116号报告的附录F。该实用量定义已被ICRU 95号报告采纳[50]。

综上所述，建立统一的Hp(3)测量和量值传递方法有利于开展职业人员的眼晶体剂量监测、调查和剂量评估，对于进一步改善防护措施，保护职业人员身体健康，促进核技术安全利用具有实际意义。