張 璇，楊 揚，李德紅，黃建微，郝艷梅，范富有，劉 博

(1.中國計量科學研究院，北京 100029；2.四川大學華西醫(yī)院，成都 610041)

近年來，隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，電離輻射已深入到人們生產(chǎn)生活的各個方面中。雖然電離輻射的廣泛應用給人類帶來了極大的益處，但與此同時，也給人類帶來了一些危害，尤其是對于介入醫(yī)學、核醫(yī)學等崗位的工作人員，他們不得不長期接受小劑量的電離輻射照射。除了皮膚所產(chǎn)生的皮炎、紅斑、脫毛等確定性效應，眼晶體作為電離輻射的敏感器官之一，也易出現(xiàn)晶狀體渾濁等不良現(xiàn)象。電離輻射所引起的渾濁部位多為后囊下與皮質(zhì)，隨著時間的推移以及劑量的累積將誘發(fā)白內(nèi)障，從而視力減退。與此同時，越來越多的證據(jù)表明眼晶體對電離輻射更加敏感，誘發(fā)白內(nèi)障的劑量閾值可能比0.5 Gy更低，因此，國內(nèi)外關于眼晶體劑量的關注也越來越多[1]。為正確評估放射工作人員眼晶體的受照劑量，保障放射工作人員的健康，本文對眼晶體劑量當量Hp(3)的測量和量值傳遞研究工作進行了綜述。

1 劑量限值與監(jiān)測水平的設定

劑量限值是指在受控的輻射實踐活動中，使個人所受到的有效劑量或當量劑量不得超過的值，通過設定該值，可防止組織反應并將隨機性效應限制到可以接受的水平。早期關于眼晶體劑量限值設定的依據(jù)，主要是來源于高電離輻射劑量暴露的放射生物學和流行病學的研究結果，如基于廣島和長崎原子彈爆炸幸存者的調(diào)查[2]。國際放射防護委員會(ICRP)第 26號報告出于社會與經(jīng)濟因素，為使輻射暴露合理降低，將眼晶體當量劑量限值設為300 mSv(30 rem)/a[2]。1991年劑量限值理念從劑量限制系統(tǒng)延伸為輻射防護系統(tǒng)，ICRP第60號報告將劑量限值降至150 mSv/a[3]。2007年發(fā)布的ICRP 103號報告關于眼晶體劑量限值與ICRP 60號報告一致[4]。但是，近期流行病學研究表明單次照射誘發(fā)白內(nèi)障的劑量閾值并不需要2 Gy，0.5 Gy甚至更低的劑量均可誘發(fā)白內(nèi)障，同時沒有證據(jù)可以證明存在閾值劑量[5-6]，即眼晶體對電離輻射的敏感性比之前假定的要高，電離輻射劑量與白內(nèi)障發(fā)病率之間的關系尚未確定[1]。因此，2011年4月，ICRP建議將電離輻射職業(yè)性暴露的眼晶體年均當量劑量限值從150 mSv，降至20 mSv(5年中任何1年的當量劑量不得超過50 mSv)；公眾的眼晶體年當量劑量限值不變，仍是15 mSv[7]。該新建議逐漸被歐盟(EU)、國際原子能機構(IAEA)和國際標準化組織(ISO)所采納[8-10]。同時，各組織機構也制定了相應的監(jiān)測水平，并根據(jù)監(jiān)測水平對放射工作人員進行了劃分。表1列出了各組織機構制定的眼晶體年劑量限值和監(jiān)測水平。

表1 眼晶體的年劑量限值和監(jiān)測水平Tab.1 Annual dose limit and monitoring level for the dose to eye lens

2 當量劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)

眼晶體當量劑量是ICRP為輻射防護建立的一個與人體有關的量，可以量化電離輻射對人體的危害。防護量通常通過描述輻射場的物理量乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)獲得，因此轉(zhuǎn)換系數(shù)HT/φ(HT為眼晶體的當量劑量，φ為入射粒子的注量)的計算一直是輻射防護學中的重要問題。

對于電子輻射，ICRP第74號報告采用了Schultz和Zoetelief的數(shù)據(jù)[11]。Schultz和Zoetelief根據(jù)ADAM模型通過蒙特卡羅模擬計算得到當量劑量的轉(zhuǎn)換系數(shù)[12]。但是，該模型未對眼睛的幾何形狀進行詳細描述。由于不同部分對輻射的敏感度不一，且在輻射場分布不均，尤其在弱貫穿輻射情況下，計算結果往往低于實際的眼晶體劑量。因此，Behrens等采用了更詳細的模型(Charles和Brown設計的)進行了計算[13]。該眼睛模型不僅細分了眼球、角膜和眼晶體，還對眼瞼進行了描述[14]。基于此，Behrens等列出輻射敏感部分、不敏感部分和整個眼晶體的當量劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)。但是最新版ICRP第116號報告只采納了整個眼晶體的轉(zhuǎn)換系數(shù)[15]。之后，Behrens再次對轉(zhuǎn)換系數(shù)進行了計算，這次的模型不再只是眼晶體，而是將整個人體也包含了進去[16]，同時補充了能量范圍更廣的轉(zhuǎn)換系數(shù)。結果顯示當入射角分別為0°、15°、30°和45°時，新數(shù)據(jù)與舊數(shù)據(jù)相差不超過3%、4%、7%和16%。

同樣，Behrens等采用包含整個人體的模型計算了光子場中眼晶體的轉(zhuǎn)換系數(shù)[17]。該數(shù)據(jù)已被ICRP第116號報告采納[15]。

3 Hp(3)的測量

由于當量劑量無法通過儀器測量得到，因此劑量監(jiān)測中常用個人劑量當量Hp(d)進行評估，即距離人體表面深度d處的軟組織的劑量當量。在眼晶體的劑量限值未降至20 mSv/a時，通常將設計為測量Hp(0.07)的劑量計的監(jiān)測結果作為眼晶體所受劑量的估計值。但有研究表明只有在X射線(如放射學)輻射場中，且劑量計佩戴在眼睛周圍的情況下，才可提供眼晶體劑量的可靠值[18]。而在核醫(yī)學中，由于存在β射線，如果采用Hp(0.07)劑量計進行估計，易高估實際眼晶體劑量值至100倍以上[19]。Hp(10)劑量計的監(jiān)測結果用于眼晶體所受劑量評估，易造成眼晶體劑量的低估，尤其是在低能X射線和β射線條件下。根據(jù)眼睛模型，當尺寸被替換為組織等效材料(軟組織)中的厚度時，眼晶體敏感部分的組織等效深度大約位于3 mm處，因此，Hp(3)比Hp(0.07)或Hp(10)更能提供準確的眼晶體劑量結果[20]。ICRU和ICRP建議采用Hp(3)進行眼晶體的劑量評估[4,21]。

目前，對Hp(3)進行測量的儀器大多為熱釋光劑量測量系統(tǒng)，劑量計由劑量盒和熱釋光探測器組成，如醫(yī)務人員輻射防護優(yōu)化(ORAMED)項目開發(fā)的Eye-DTM劑量測量系統(tǒng)[22]，ISRN公司生產(chǎn)的DOSIRIS劑量計以及藍道爾公司生產(chǎn)的VISION眼晶體劑量計。Eye-DTM劑量盒材質(zhì)為聚酰胺，形狀為中空半球型，厚度為3 mm，密度為1.13 g·cm-3；探測器為LiF:(Mg,Cu,P)，直徑4.5 mm，厚0.9 mm。這種新型的劑量計配上熱釋光探測器，可以保證良好的能量響應和角度響應，并且這種膠囊型結構具有防水作用，方便更換熱釋光探測器，可多次重復使用。但這種劑量計在β射線下測量時膠囊結構的不一致將引起較大的偏差[23]。除了熱釋光劑量測量系統(tǒng)外，還存在基于光釋光劑量測量系統(tǒng)的眼晶體劑量計BR330[24]：該劑量計以卡扣式結構安裝在防護眼鏡上，探測器為BeO，尺寸為4.7 mm×4.7 mm×0.5 mm，在德國被廣泛使用。

眼晶體劑量測量的主動式測量儀表有直讀式電子劑量計，如瑞典Unfors公司生產(chǎn)的EDD-30和美國Fluke公司生產(chǎn)的RaySafe i2。EDD-30探測器為硅晶體二極管，測量范圍1 nSv～9 999 Sv，沒有能量響應限制[25]。RaySafe i2的探測器為半導體，重30 g，長44 mm，寬45 mm，厚10 mm，能量響應偏差<20%[26]。直讀式劑量計可獲得單例介入術中職業(yè)人員眼晶體的受照信息，從而對手術參與人員的監(jiān)測結果進行匹配分析，這是累積式劑量測量系統(tǒng)無法實現(xiàn)的；其次可以對劑量率進行實時監(jiān)測，方便設置報警閾值，有效進行防護。但直讀式劑量計存在成本較高、累積劑量有上限等問題，因此，更適用于對單例手術中瞬時劑量率和累積劑量進行監(jiān)控，暫不適用于長期個人劑量監(jiān)測。

為評價各個國家和實驗室對于眼晶體劑量監(jiān)測的能力，保障監(jiān)測結果的質(zhì)量，歐洲放射劑量學組(EURADOS)于2014年首次組織了眼晶體劑量監(jiān)測的比對[27]。來自15個國家的20個歐洲個人劑量監(jiān)測服務機構(IMS)參加了此次活動。結果顯示根據(jù)《輻射防護——定期評估X和γ輻射個人劑量計的標準和性能限制》(ISO 14146—2000)標準[28]要求，有17個機構的響應值高于90%(測得值/參考值)。當大角度或低能量照射時，少數(shù)參與者結果與參考劑量相比有些差異。2016年，EURADOS再次組織了眼晶體劑量計的比對，與之前不同在于這次比對首次采用了β射線進行輻照。共有12個國家的22個機構參與此次比對[29]。光子比對的結果較為滿意，90%以上機構的結果符合ISO 14146標準的要求。而β照射的結果則不然，這說明了對β輻射進行測量存在困難，主要在低β輻射能量下，易高估Hp(3)。同時，為Hp(0.07)設計的劑量計不適合監(jiān)測處于β照射情況下的眼晶體劑量。圖1列出了首次比對和第二次比對所用的劑量計類型。2019年，EURADOS組織開展了第三次眼晶體劑量計比對(IC2019exteye)[30]。

圖1 比對所提供的不同類型劑量計的照片[27,29]Fig.1 Photos of the different types of dosemeters provided by participants[27,29]

4 Hp(3)的量值傳遞

Hp(3)量值傳遞過程中通常采用替代法對儀器進行校準。第一步將經(jīng)過溯源的標準器置于輻射場校準位置處，測得該位置處的空氣比釋動能，將其與轉(zhuǎn)換系數(shù)相乘，獲得該位置處的Hp(3)約定值。第二步將待校準的劑量計與體模一起替代標準電離室，采用相同條件進行照射，獲得劑量計的測得值，將約定值與測得值進行比較得到儀器的校準因子。在這一過程中Hp(3)量值傳遞存在兩個重要因素：一是校準過程中所采用的體模，二是對Hp(3)賦值時所需的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4.1 體模

個人劑量計必須在體模上進行校準，以合理地模擬佩戴它們時，身體部位的反向散射特性。因此，選擇合適的體模至關重要。早先提出的校準體模為由30 cm×30 cm×15 cm的ICRU材料制成的水箱體模[11]。該體模雖可以很好地代表軀干，但不太適合眼晶體。原因如下：①該體模的尺寸(13 500 cm3)遠大于實際的頭部體積(6 300 cm3)，當前后位(AP位)照射時，與真實頭部相比，水箱體模較大的尺寸和質(zhì)量意味著較大的反向散射，因此易高估實際劑量；②15 cm的厚度較小，不足以代表頭部，將導致后前位(PA位)照射時缺少相應組織的屏蔽，易高估實際劑量；③當采用側(cè)位(LAT位)或較大入射角照射時，邊緣的存在會使Hp(3)測得值急劇下降，易低估實際劑量[31]；Hp(10)也存在同樣現(xiàn)象，水箱體模的寬度越大，衰減越大[32]。基于此，ICRU和國際標準化組織(ISO)都未發(fā)布關于Hp(0.07)slab和Hp(10)slab在90°入射的轉(zhuǎn)換系數(shù)[33-34]。

ENEA輻射防護研究所博洛尼亞團隊提出了一種簡化的平板模型，尺寸為20 cm×20 cm×15 cm[35]，雖然這種平板體?？梢暂^好地代表實際情況，但由于平板邊緣的存在，在90°入射時仍存在問題。歐盟在2008年—2011年開展的醫(yī)務人員輻射防護最優(yōu)化(ORAMED)項目中開發(fā)了圓柱體模(直徑20 cm，高度20 cm，壁厚0.5 cm，由PMMA制成，內(nèi)部裝滿水)[36]。選擇該體模的原因如下：①從解剖學角度考慮，頭部除軟組織外還有骨骼結構，而理論模型僅由軟組織組成，因此稍大的直徑可以補償骨骼的交互作用，有助于吸收和散射；②易于制造且價格便宜[23]。

德國R.Behrens和O.Hupe研究了體模形狀對Hp(3)劑量計校準結果的影響[37]：對于β射線，體模形狀對結果沒有顯著影響；對于光子輻射,當入射角度α≤45°時，角響應幾乎不依賴于體模形狀，但當入射角度α≥ 60°時，響應存在明顯不同。這是因為當大角度照射時，劑量計除直接照射外，還受板模表面散射到劑量計的輻射。當輻射入射角為90°時，輻射到達參考點所穿透的路徑長度在板模中為15 cm(實線和虛線箭頭)，而柱模大約只有2.4 cm(僅虛線箭頭)，詳見圖2，基于上述結果建議入射角較大(α>45°)時，采用圓柱體模進行試驗。圓柱體模已被《用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ參考輻射 第3部分：場所劑量儀和個人劑量計的校準及其能量響應和角響應的測定》(ISO 4037.3—2019)[34]、《β參考輻射：第3部分：場所和個人劑量儀的校準及其能量響應和角響應的確定》(ISO 6980.3—2019)[38]和《輻射防護儀 光子和β輻射的環(huán)境和個人監(jiān)測用無源整合放射量測定系統(tǒng)》(IEC 62387—2020)[39]所采納，且規(guī)定只允許這一種體模用于Hp(3)劑量計的校準。

圖2 不同入射角的輻射情況[37]Fig.2 Radiation conditions at different incident angles [37]

4.2 眼晶體劑量當量的轉(zhuǎn)換系數(shù)

由于不同形狀的體模其散射存在差異，尤其在光子場中，體模的形狀對眼晶體劑量當量Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù)影響較大，因此在進行Hp(3)定值時，需明確定義曝光條件與體模類型，針對不同的曝光條件(輻射能量、入射角等)和體模，使用不同的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

從空氣比釋動能到劑量當量Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù)主要通過蒙特卡羅法計算得到，通過在圓柱體模中放入不同體積的Hp(3)量積分區(qū)域，利用能量沉積或空氣比釋動能近似等原理，計算劑量當量Hp(3)和該點的空氣比釋動能，最終確定轉(zhuǎn)換系數(shù)，圖3列出了不同研究中所采用的Hp(3)模型。

a—F.Mariotti 2009，積分區(qū)域相距6 cm，對應36°(即，入射線兩側(cè)的扇形部分為18°)[23];b—J.Daures 2011:每隔15°處有一個積分區(qū)域。積分區(qū)域高5 cm，厚0.5 mm，寬0.4°(1 mm)，中心距表面3 mm[40];c—G.Gualdrini 2011:40個積分區(qū)域相互對稱，每個體積0.68 cm3(高5 cm，厚2 mm，寬4°)，中心距表面3 mm[41]。圖3 Hp(3)模擬的示意圖Fig.3 The scheme of geometry of Hp(3)simulations

R.Behrens采用國際標準化組織《用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ參考輻射 第1部分：輻射特性及產(chǎn)生辦法》(ISO 4037.1—1996)標準發(fā)布的X和γ輻射質(zhì)的數(shù)值[42]，通過將能譜注量與單能光子的相應轉(zhuǎn)換系數(shù)進行積分，得到轉(zhuǎn)換系數(shù)的能譜平均值[43]。表2列出了X和γ輻射的來源，表3列出了計算方法。該計算結果已被《用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ參考輻射 第3部分：場所劑量儀和個人劑量計的校準及其能量響應和角響應的測定》(ISO 4037.3—2019)所采納[34]。

表2 能譜的來源Tab.2 Sources for the spectra used

表3 從光子注量到空氣比釋動能的轉(zhuǎn)換，以及隨后的劑量當量Tab.3 Conversion from photon fluence to air kerma and subsequently to dose equivalent

5 結語

ICRP自2011年始提出將放射工作人員眼晶體年當量劑量限值降至20 mSv，5年內(nèi)最大劑量為50 mSv。該建議已廣泛被歐盟、IAEA和ISO所采納，但我國目前現(xiàn)行有效關于眼晶體的年劑量限值仍為150 mSv[48]，為了與國際接軌，保障職業(yè)人員的健康，有必要修訂該項劑量限值標準。

在Hp(3)量值傳遞方面，國際上給出了由空氣比釋動能到Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，并推薦了Hp(3)校準用體模，發(fā)布了眼晶體劑量計，建立了較為成熟的Hp(3)校準方法。但我國關于Hp(3)標準和校準方法目前仍處于空白狀態(tài)，亟需建立相關標準。

盡管眼晶體劑量測量方法日趨成熟，但仍存在一些問題：①目前國際標準對眼晶體當量劑量考慮的是針對整個眼晶體，然而事實上只有一部分晶狀體對輻射極其敏感，如此評估易對劑量產(chǎn)生低估；②鉛眼鏡和鉛面罩對防護β射線效果顯著，但鉛眼鏡和鉛面罩的材料和形狀尚未標準化，因此較少存在包括防護用品在內(nèi)的模擬，建議根據(jù)電子射程范圍設計防護材料的厚度，進而模擬計算；③利用劑量當量來評估當量劑量，存在著一些缺陷。兩個量都是用來衡量眼晶體受照劑量的大小，但在進行計算的過程中，所采用的模體、輻射權重因子等均不相同，因此，ICRU在2016年提出將個人吸收劑量Dp lens替代Hp(3)，作為新的實用量[49]。Dp lens是通過嵌入全身的程式化眼晶體模型計算得到，轉(zhuǎn)換系數(shù)值來源于ICRP 116號報告的附錄F。該實用量定義已被ICRU 95號報告采納[50]。

綜上所述，建立統(tǒng)一的Hp(3)測量和量值傳遞方法有利于開展職業(yè)人員的眼晶體劑量監(jiān)測、調(diào)查和劑量評估，對于進一步改善防護措施，保護職業(yè)人員身體健康，促進核技術安全利用具有實際意義。