Поглощённая доза и экспозиционная доза
В основе количественной оценки взаимодействия ионизирующего излучения с веществом лежит понятие дозы. Поглощённая доза (обозначается D) — это количество энергии, переданное излучением единице массы вещества. Она выражается в джоулях на килограмм (Дж/кг), что эквивалентно 1 грэю (1 Гр). Это фундаментальная физическая величина, которая отражает энергетическое воздействие ионизирующего излучения на биологическую ткань.
Поглощённая доза определяется по формуле:
$$ D = \frac{dE}{dm} $$
где dE — энергия, поглощённая веществом, dm — масса вещества, в котором происходит поглощение.
Помимо поглощённой дозы, в рентгенодиагностике исторически использовалась экспозиционная доза (X), которая отражает ионизацию воздуха при прохождении фотонного излучения. Единицей измерения является кулон на килограмм (Кл/кг), но в прежней системе единиц применялся рентген (1 Р = 2.58·10⁻⁴ Кл/кг). Экспозиционная доза применима только к фотонному излучению (X- и γ-лучам) и лишь в воздушной среде. Она не применяется для оценки воздействия на ткань, но может быть преобразована в поглощённую дозу с учётом коэффициентов перехода.
Эквивалентная доза и коэффициенты качества
Поглощённая доза сама по себе не отражает биологический эффект, поскольку различные типы излучения — α-, β-, γ-лучи, нейтроны, протоны — при одной и той же поглощённой дозе вызывают различную степень биологического повреждения. Для учёта этого различия используется эквивалентная доза (H), которая рассчитывается с применением радиационно-взвешивающего коэффициента (wR), зависящего от типа и энергии излучения:
H = D ⋅ wR
Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт (Зв). Типичные значения коэффициента wR:
Таким образом, при равной поглощённой дозе, скажем, в 1 Гр, α-излучение даёт эквивалентную дозу 20 Зв, что отражает его большую биологическую опасность.
Эффективная доза
Для оценки общего риска облучения организма учитывается не только вид излучения, но и то, насколько чувствительны к радиации различные ткани. Это реализуется в понятии эффективной дозы (E), которая учитывает эквивалентные дозы в отдельных органах и тканевые весовые коэффициенты (wT). Эффективная доза определяется как сумма произведений эквивалентной дозы на тканевой коэффициент:
E = ∑TwT ⋅ HT
где wT — коэффициент относительной радиочувствительности тканей, HT — эквивалентная доза в конкретной ткани.
Некоторые значения wT по данным МКРЗ:
Эффективная доза также выражается в зивертах и позволяет сопоставлять различные виды облучения с точки зрения риска развития отдалённых эффектов, таких как рак или генетические изменения.
Керма (KERMA)
Ещё одной важной дозиметрической величиной является KERMA (Kinetic Energy Released per unit MAss) — кинетическая энергия всех первичных заряженных частиц, созданных в веществе под действием ионизирующего излучения, отнесённая к единице массы. Обозначается K, измеряется в грэях (Гр):
$$ K = \frac{dE_k}{dm} $$
KERMA особенно актуальна при описании взаимодействия фотонного излучения с веществом на начальных этапах, до начала замедления ионизирующих частиц. Она полезна в контексте дозиметрии при моделировании источников излучения и оценки распределения энергии.
Мощность дозы
Для медицинской физики важна не только величина дозы, но и скорость её поступления, особенно в радиотерапии. Это описывается понятием мощности дозы:
$$ \dot{D} = \frac{dD}{dt} $$
$$ \dot{H} = \frac{dH}{dt} $$
$$ \dot{E} = \frac{dE}{dt} $$
Единица — Гр/с или Зв/с (а также производные: мГр/ч, мЗв/ч и др.). Эти величины применяются при контроле безопасности, в реальном времени измеряя степень радиационного воздействия на персонал и пациентов.
Активность радиоактивного источника
Хотя активность не является дозиметрической величиной в строгом смысле, она тесно связана с процессами облучения. Активность (A) определяет количество распадов в единицу времени:
A = λN
где λ — постоянная распада, N — количество радиоактивных ядер.
Единица активности — беккерель (Бк): 1 Бк = 1 распад/с. Ранее применялся кюри (Ки): 1 Ки = 3.7·10¹⁰ Бк. Активность важна для оценки источников радионуклидного облучения, доз планирования в радионуклидной терапии и диагностики.
Коэффициенты преобразования между дозиметрическими величинами
Для практического применения необходимо знать переходные коэффициенты, позволяющие преобразовывать одну дозиметрическую величину в другую. Например:
D = f ⋅ X
Значение f зависит от состава среды (воздух, вода, мягкие ткани) и энергии излучения. Для мягких тканей при энергии γ-излучения в диагностическом диапазоне:
$$ f \approx 0.93\ \frac{\text{рад}}{\text{Р}} \quad \text{или} \quad \approx 0.0093\ \frac{\text{Гр}}{\text{Р}} $$
Калибровка дозиметрических приборов
Для точной регистрации доз необходимы откалиброванные измерительные приборы. В практике медицинской физики используются:
Калибровка проводится по стандартным источникам ионизирующего излучения с известной активностью и дозой. Процедура калибровки строго регламентирована и требует учёта таких факторов, как температура, давление, влажность и характеристики используемого материала.
Роль дозиметрии в медицинской физике
Понимание и точное измерение доз — основа безопасного применения ионизирующего излучения в медицине. В диагностике дозиметрические параметры помогают оценить облучение пациента при КТ, маммографии, флюорографии. В радиотерапии дозиметрия необходима для точного подбора дозы, достаточной для уничтожения опухоли при минимальном повреждении здоровых тканей. В радиационной защите — для контроля облучения персонала и соблюдения допустимых уровней.
Таким образом, дозиметрические величины представляют собой количественную основу для оценки, планирования и контроля воздействия ионизирующего излучения на организм человека.