Эквивалентная доза

Определение и физический смысл

Эквивалентная доза — это величина, учитывающая не только количество поглощённой энергии и массу облучённого вещества (что выражается через поглощённую дозу), но и биологическую эффективность различных видов ионизирующего излучения. Разные типы излучения (например, α-частицы, β-излучение, γ-излучение, нейтроны) при одинаковой поглощённой дозе могут вызывать неодинаковые биологические эффекты. Именно для отражения этих различий и введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза обозначается как H и измеряется в зивертах (Зв). Один зиверт соответствует эквивалентной дозе, полученной при воздействии одного грэя излучения, обладающего коэффициентом радиационного веса, равным единице.

Математическая формулировка

Эквивалентная доза рассчитывается по следующей формуле:

HT = ∑RwR ⋅ DT, R

где:

  • HT — эквивалентная доза в органе или ткани T;
  • DT, R — поглощённая доза в органе или ткани T от излучения типа R;
  • wR — коэффициент радиационного веса (radiation weighting factor) для излучения R.

Коэффициенты wR установлены Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ) и отражают относительную биологическую эффективность (RBE) разных видов излучения.

Коэффициенты радиационного веса (МКРЗ-103)

Вид излучения wR
Фотонное излучение (γ, X) 1
Электроны и мюоны 1
Протоны и заряженные пионы 2
Альфа-частицы, фрагменты деления, тяжёлые ионы 20
Нейтроны (в зависимости от энергии) 5–20

Например, если ткань поглотила дозу в 1 Гр от α-частиц, эквивалентная доза составит:

H = 20 ⋅ 1 = 20 Зв

Назначение и значение в радиационной защите

Эквивалентная доза используется как промежуточный шаг для расчёта эффективной дозы — интегрального параметра, позволяющего оценивать суммарный риск радиационного поражения всего организма при неоднородном облучении.

Однако и сама по себе эквивалентная доза имеет важное значение при анализе локального воздействия излучения на отдельные органы и ткани, особенно в медицинских и аварийных ситуациях, а также при планировании лучевой терапии и дозиметрии персонала.

Сравнение с другими дозиметрическими величинами

  • Поглощённая доза (Гр) — описывает количество энергии, переданной ионизирующим излучением единице массы вещества, но не учитывает различий в биологическом воздействии разных видов излучения.
  • Эквивалентная доза (Зв) — учитывает биологическую эффективность излучения, но не дифференцирует чувствительность разных органов и тканей.
  • Эффективная доза (Зв) — дальнейшее развитие понятия эквивалентной дозы, с учётом радиочувствительности различных тканей.

Таким образом, эквивалентная доза представляет собой важнейшее звено в иерархии дозиметрических величин, отражающее биофизический подход к оценке радиационных рисков.

Особенности расчётов в медицинской физике

В медицинской практике важно учитывать, что облучение, даже направленное, может включать в себя различные типы излучения. Например, при лучевой терапии могут использоваться пучки фотонного и электронного излучения одновременно. В этом случае расчёт эквивалентной дозы требует раздельного учета вкладов каждого типа излучения и соответствующего применения коэффициентов wR.

Для оценки дозы, получаемой пациентом при рентгеновских или радиоизотопных исследованиях, важно понимать, что, несмотря на то, что коэффициенты wR для фотонов и электронов равны 1, биологический эффект может сильно различаться в зависимости от распределения дозы в теле пациента.

Примеры расчётов

  1. Пример 1: монотипное излучение

Пациент получил локальную дозу 0,05 Гр от протонного излучения. Тогда:

wR = 2,  H = 2 ⋅ 0, 05 = 0, 1 Зв

  1. Пример 2: смешанное излучение

В ткань поступила доза:

  • 0,02 Гр от γ-излучения ( wR = 1 )
  • 0,01 Гр от нейтронов средней энергии ( wR = 10 )

Тогда:

H = (1 ⋅ 0, 02) + (10 ⋅ 0, 01) = 0, 02 + 0, 1 = 0, 12 Зв

Физико-биологические аспекты

Коэффициент радиационного веса связан с линейной передачей энергии (ЛПЭ, или LET). Чем выше ЛПЭ, тем больше локализация повреждений в биологической ткани, а значит, тем выше вероятность необратимых изменений, таких как разрывы ДНК, хромосомные аберрации и некроз.

Например:

  • α-частицы имеют высокую ЛПЭ и вызывают плотную ионизацию на короткой дистанции, приводя к массивным биологическим повреждениям, даже при относительно малых дозах.
  • γ-кванты обладают низкой ЛПЭ, проникают глубоко, но распределяют энергию более равномерно и менее эффективно вызывают прямое повреждение клеток.

Нормативные аспекты

МКРЗ и национальные регуляторы (например, в РФ — НРБ и ОСПОРБ) используют эквивалентную дозу как ключевой нормативный параметр при установлении допустимых уровней облучения:

  • Для персонала — не более 500 мЗв в год на любой орган или ткань.
  • Для населения — не более 50 мЗв в год на орган.

В случае превышения этих значений требуется анализ причин, пересмотр дозиметрического контроля, а также возможная медицинская помощь.

Заключение о значении величины

Эквивалентная доза — это базовая физико-биологическая характеристика радиационного воздействия, позволяющая перейти от чисто физического измерения к оценке потенциального ущерба здоровью. Она объединяет два аспекта — физический (поглощённая энергия) и биологический (эффективность излучения), делая её незаменимой в медицинской физике, радиационной безопасности и лучевой диагностике.

Оглавление