Определение и физический смысл поглощённой дозы
Поглощённая доза (обозначается как D) представляет собой фундаментальную физическую величину, характеризующую количество энергии ионизирующего излучения, поглощённой единицей массы вещества. Эта величина критически важна в медицинской физике, радиобиологии и дозиметрии, так как напрямую связана с энергетическим воздействием излучения на ткани организма.
По определению, поглощённая доза равна:
$$ D = \frac{dE}{dm} $$
где:
Единицей поглощённой дозы в системе СИ является грэй (Гр), где:
$$ 1 \, \text{Гр} = 1 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг}} $$
Также ранее использовалась внесистемная единица рад (radiation absorbed dose), причём:
1 рад = 0, 01 Гр
Распределение поглощённой дозы в теле человека
Поглощение энергии излучения в организме неравномерно. Степень поглощения зависит от:
Фотонное излучение, например, демонстрирует экспоненциальное уменьшение интенсивности с глубиной (закон Бугера-Ламберта-Бера), что приводит к снижению дозы в глубжележащих тканях. Электроны, обладая ограниченной дальностью, создают область максимальной дозы на определённой глубине (так называемый “пик Брэгга”), что особенно ценно в лучевой терапии.
Формирование поглощённой дозы при различных видах излучения
Фотонное излучение (рентгеновское, γ-излучение) Передача энергии происходит через фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование пар. В результате этих процессов возникают вторичные электроны, которые и производят основное ионизационное и тепловое воздействие в тканях.
Корпускулярное излучение (α, β, протоны, тяжёлые ионы) Частицы с зарядом взаимодействуют с электронами вещества напрямую, теряя энергию через ионизацию и возбуждение. Эффективность отдачи энергии у таких частиц значительно выше (особенно у α-частиц), и доза концентрируется в малых объёмах.
Нейтронное излучение Не имея заряда, нейтроны не ионизируют напрямую, но могут взаимодействовать с ядрами атомов, вызывая ядерные реакции, при которых образуются вторичные ионизирующие частицы. Это приводит к высокой локализованной дозе.
Энергетический спектр и поглощённая доза
Поглощённая доза зависит не только от количества, но и от энергии излучения. Для одного и того же потока фотонов или частиц доза может отличаться в зависимости от энергетического спектра. Энергия определяет:
Линейная энергия отдачи и плотность дозы
LET определяет количество энергии, отдаваемой ионизирующим излучением на единицу пути в веществе. Чем выше LET, тем более локализован эффект:
Это различие имеет значение при расчёте биологического эффекта (используется в определении эквивалентной дозы), но также влияет и на распределение поглощённой дозы по объёму.
Методы измерения поглощённой дозы
Для практической дозиметрии поглощённая доза измеряется с использованием различных приборов, в зависимости от требуемой точности и условий измерения:
Каждый метод требует предварительной градуировки, учёта условий измерения, а также пересчёта зарегистрированной величины в поглощённую дозу с учётом чувствительности детектора к различным видам излучения.
Калибровка дозиметров и связь с эталонными условиями
Для обеспечения точности в медицинской физике дозиметры калибруются в условиях, максимально приближенных к клиническим. Это означает использование стандартных источников (например, Cs-137, Co-60) и геометрий, определённых протоколами (IAEA TRS-398, AAPM TG-51 и др.).
Для фотонного излучения, например, поглощённая доза в воде на глубине 10 см в условиях поля 10×10 см² при 100 см фокусно-поверхностном расстоянии является клиническим стандартом.
Поглощённая доза в различных тканях и органах
Из-за разницы в плотности и атомном составе ткани тела по-разному поглощают энергию:
Применение в клинической практике
В лучевой терапии дозы, передаваемые опухоли, строго рассчитываются на основе поглощённой дозы. Поглощённая доза — это та физическая величина, на основе которой формируется лечебная программа, план лечения и контрольные измерения.
Также в радиодиагностике (например, при КТ-исследованиях) определение эффективной дозы начинается с оценки локальной поглощённой дозы в отдельных органах.
Соотношение с другими дозиметрическими величинами
Хотя поглощённая доза — это первичная физическая величина, она используется в расчётах других дозиметрических понятий:
эквивалентная доза (H): учитывает радиобиологическое действие различного вида излучения, с помощью весового коэффициента wR,
H = D ⋅ wR
эффективная доза (E): дополнительно учитывает чувствительность разных органов и тканей к радиации,
E = ∑TwT ⋅ HT
Поглощённая доза также используется при определении операционных дозиметрических величин, таких как персональный глубинный эквивалент, поверхностный эквивалент, дозовый коэффициент и др.
Роль в радиационной защите и нормативные уровни
Нормирование уровней облучения населения и персонала в первую очередь базируется на понятии эквивалентной и эффективной дозы, но основой для всех расчётов служит именно поглощённая доза. Например, при аварийных ситуациях в ядерной медицине или радиационных инцидентах первично оценивается уровень поглощённой дозы, как индикатор потенциального биологического ущерба.
Закономерности временного и пространственного распределения дозы
В клинической дозиметрии важным аспектом является не только абсолютное значение дозы, но и её градиент, равномерность, а также временной профиль (например, при брахитерапии с радионуклидами). Формирование изодозных кривых позволяет визуализировать распределение поглощённой дозы в объёме тканей, что критично при планировании лечения.
Вывод
Поглощённая доза — это базовая и универсальная величина, без которой невозможно представить ни одну область медицинской физики. Её точное определение, измерение и анализ составляют основу для безопасного и эффективного применения ионизирующего излучения в диагностике, терапии и радиационной защите.