急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量與防護措施研究

朱鴻浩，王 璐，程 勇，尚 靖，徐 浩

(暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院 廣州華僑醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科，廣東 廣州 510000)

在核能應(yīng)用以及國防科技中等涉及核鄰域的工作中，常常會接觸到電離輻射，但是由于一些工作人員對于電離輻射的認知有限，將其對人體的危害夸大，導(dǎo)致人們對它心存畏懼，無法正常工作，嚴重影響的工作進度以及工作效率[1-2]。急性電離輻射事故主要由電離輻射失控引發(fā)的異常事件，能夠直接、間接對生命、健康的能夠造成傷害。針對電離輻射的最大擔憂主要來源于其引發(fā)的疾病可能會對后代造成影響[3]。隨著人們對于電離輻射的了解越來越多，人們已經(jīng)研究出各種保護人類免受各種輻射源照射的防護方法，但是，人們的擔心依舊存在[4]。需要研究一種更為全面的方法進行有效防護。

目前，相關(guān)專家給出了一些較好的研究，例如雷鳴等人[5]提出一種基于耦合計算的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法，通過點燃耗程序與耦合計算相結(jié)合，分析活化核素劑量率貢獻及相應(yīng)衰減時間，實現(xiàn)急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算。但是該方法沒有提出相應(yīng)的保護措施。陳華等人[6]提出了一種基于Monte Carlo算法的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法，該方法分別采用AAA、CCC算法相結(jié)合，實現(xiàn)對急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算。但是該計算方法的計算結(jié)果存在誤差。

針對上述方法存在的一系列問題，我們提出了一種新的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法。通過放射事故計量對全身造血干細胞存活率進行計算，估計1 d內(nèi)的照射等效劑量，完成急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算。針對上述結(jié)果進行分析，給出具有針對性的防護措施。

1 急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量與防護措施研究

1.1 急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算

災(zāi)害事故損傷計量是指事故發(fā)生時提供受照者人體劑量學(xué)參數(shù)，在事故發(fā)生的情況下，人體所受到的照射是不均勻的，所以，描述病人全身照射的平均劑量以及中線劑量不適合用在不均勻的事故照射，所以，引用“干細胞活存模型”計算急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量，以下給出具體的計算過程。

如果受照劑量在引起骨髓型放射病的范圍內(nèi)，全身劑量是根據(jù)照射后全身造血干細胞存活率決定，以下給出幾個相關(guān)的因素：①全身各個部位紅骨髓的相對含量；②上述部位的受照劑量[7]；③干細胞的劑量存活關(guān)系。在不均勻的照射條件下，干細胞的存活率的計算式為：

(1)

式中：W代表受照人全身的紅骨髓質(zhì)量，D代表紅骨髓所吸收的劑量，m(D)代表在受照劑量為D時的紅骨髓質(zhì)量，m(D)dD代表受照劑量在D至D+dD范圍內(nèi)紅骨髓的質(zhì)量，Su(D)代表在受照劑量為D時干細胞的存活率。Su(D)的表達式為：

Su(D)=1-(1-e-D/D0)n。

(2)

式中：D0、n都為常數(shù)。

根據(jù)人體內(nèi)紅骨髓以及劑量分布的相關(guān)情況，通過式(1)得到了不均勻照射下的干細胞存活率[8]，將上述條件帶入到式(2)中，即Sn=Su，得到D。實際劑量估計應(yīng)用中，需要計算全身平均吸收劑量Dsw以及紅骨髓計權(quán)平均劑量Drw，將其與干細胞存活計權(quán)等效劑量Dsw進行粗略對比，以保證最終估算結(jié)果的準確性。全身平均吸收劑量Daw為：

(3)

式中：Daw代表全身的平均吸收劑量，Di代表第i塊小組織內(nèi)的吸收劑量，mi代表第i塊小組織內(nèi)的質(zhì)量。紅骨髓平均劑量Drw為：

(4)

式中：Drw代表紅骨髓的平均劑量，Wi代表第i個小立方體內(nèi)的紅骨髓質(zhì)量。有、無體模時第i層組織的照射量為：

(5)

(6)

i層組織的吸收劑量為：

(7)

總吸收劑量為：

(8)

干細胞活存計權(quán)等效劑量為：

Dsw=-D0InSn。

(9)

分次、延時照射比一次等劑量LET輻射的急性照射具有較小的輻射效應(yīng)。把分次、延時照射的累積劑量歸一為一次照射等效劑量。以下給出具體的計算方法。

分次照射的一次等效劑量為：

NSD=(TDF)1/1.538。

(10)

式中：TDF代表時間劑量因子。TDF的表達式為：

TDF=n·d1.538X0.169。

(11)

式中：n為分割次數(shù)[9]，d為分次照射劑量，X為分次進行照射的時間間隔。如果式(11)滿足n≥4的條件，則有：

(12)

式中：TDFi為第i次照射的時間劑量分次因子。

分別校正不同療程間的衰減因子，衰減因子DF為：

(13)

式中：T1為第一療程的治療時間間隔，R為兩個療程之間的時間間隔。求解兩個療程結(jié)束之后獲取的等效劑量，對式(10)進行校正，則有：

NSD=(TDF1)1/1.158·DF+(TDF2)1/1.158。

(14)

式中：TDF1為第一個療程的TDF值，TDF2為第二個療程的TDF值。

根據(jù)相關(guān)的照射原理劑量估計規(guī)定可知，延時照射一般情況下歸一為一次照射等效劑量，以下給出在延時照射情況下的等效劑量計算式：

(15)

式中：ED為一個星期內(nèi)的照射劑量當量，D為累積劑量，D′為劑量率，K為常數(shù)。

在急性電離輻射外射的情況下，通過染色體畸變分析法估計劑量的范圍在0.1～5 Gy。相對于估算全身受一次性均勻分布的貫穿性的過量照射較為準確，但是針對于不均勻的照射，只能給出相當于一次全身均勻照射的等效劑量，不能利用較小的劑量進行估算[10]。針對低傳能線密度的電離輻射，利用雙著絲?；冏鳛橹笜耍瑢⑵鋭┝吭O(shè)定為等效硬關(guān)系，則有：

p=c+αD+βD2。

(16)

式中：p為不同染色體發(fā)生畸變的概率，D為照射劑量，c為常數(shù)，α為劑量直線項系數(shù)。針對于LET輻射，大部分的劑量效應(yīng)關(guān)系為直線模式，即：

p=c+αD。

(17)

式(16)與式(17)中的p相同，即：

p=x/n。

(18)

式中：n為分析細胞數(shù)量，x為“雙+環(huán)”數(shù)。

通過上述的計算模型，通過發(fā)生畸變的概率得到生物劑量估計值：

D0=[a2-4b(c-p)]1/2/2b。

(19)

針對于LET射線，則有：

D=(p-c)/α。

(20)

針對劑量估計中不確定性的計算方法，急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量為：

Sp=x1/2/n。

(21)

1.2 急性電離輻射災(zāi)害事故防護措施研究

通過分析上述過程，以下給出具體的急性電離輻射災(zāi)害防護措施。

(1)時間防護。工作人員累積照射的劑量以受照射時間成正比，工作人員的受照時間越長，其受到的累積劑量也就越大。通常情況下，需要控制受照時間來減少受照人員所受的累積劑量。所以，在一切操作中應(yīng)該以有效減少受照時間為原則。在工作中，工作人員需要操作熟練，應(yīng)變能力強，迅速準確地排除故障。如果工作人員必須要在較強的輻射下進行工作，并且時間較長的時候，此時，需要采取輪流制，減少每個工作人員的操作時間。

(2)距離防護。增大人與輻射源之間的距離，能夠有效降低工作人員的照射量率。針對點狀放射源，輻射劑量率水平和放射源的距離平方成反比的關(guān)系。在實際的操作過程中，需要盡可能的采取長柄鉗以及自動控制裝置等。

(3)屏蔽防護。在日常工作中，單單依靠縮短受照時間來以及增大距離并不能夠達到安全操作的目的。在正常情況下，需要在放射源以及人體放入一層隔離物質(zhì)，能夠有效減少弱射線照射。針對不同類型的輻射，其隔離物質(zhì)的材質(zhì)也是不同的，盡量選取經(jīng)濟實惠的隔離材料。

(4)內(nèi)照射防護。以下給出幾種較為常見的放射性物質(zhì)進入人體內(nèi)的途徑：呼吸道進入、皮膚進入以及傷口侵入等。該物質(zhì)在進入人體以后，會引起全身以及組織的照射。為了有效防止放射性物質(zhì)進入人的身體內(nèi)部，在工作中需要加強個人防護，穿專業(yè)的服裝，戴好口罩、手套等。

(5)空氣凈化。通過過濾、防塵等方法將空氣進行凈化，減少空氣中放射性粉塵以及氣溶膠的濃度。

(6)針對所工作的區(qū)域以及周圍的環(huán)境，需要對其中具有代表性的產(chǎn)品進行常規(guī)檢測，及時發(fā)現(xiàn)操作中出現(xiàn)的問題，對其進行改進。

2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證本文研究所得出的方法的綜合有效性，需要進行實驗，實驗環(huán)境為：為MATLAB R2012a。計算機配置為：32位Windows7系統(tǒng)，Pentium雙核2.8GHz，運行內(nèi)存2GB。為研究不同劑量計算方法的計算誤差效果，進行如下實驗。

(1)分別對比不同方法的計算誤差(%)

分別將我們的方法與基于耦合計算的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法以及基于Monte Carlo算法的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法進行實驗對比，對比3種不同計算方法的計算誤差(%)，對比結(jié)果如圖1所示。圖1中，A代表所提方法，B代表基于耦合計算的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法，C代表基于Monte Carlo算法的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法。從圖1可知，隨著實驗次數(shù)的不斷變化，不同劑量計算方法的變化趨勢也在不斷發(fā)生變化。我們的方法的誤差在3種方法中為最小，幾乎接近0?；隈詈嫌嬎愕募毙噪婋x輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法的計算誤差次之，基于Monte Carlo算法的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法的計算誤差在3種方法中為最高，期間出現(xiàn)了兩次峰值，并且誤差值較大。通過實驗數(shù)據(jù)對比可知，本文方法能夠有效降低計算誤差，提高計算結(jié)果的準確性。

圖1 不同劑量計算方法的計算誤差對比結(jié)果

(2)分別對比不同方法的計算效率(%)

分別將我們的方法與基于耦合計算的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法以及基于Monte Carlo算法的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法進行實驗對比，對比3種不同計算方法的計算效率(%)，對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同劑量計算方法的計算效率對比結(jié)果

分析表1可知，不同劑量計算方法計算效率的變化趨勢也在不斷發(fā)生變化。在樣本數(shù)量較低時，我們的方法的計算效率到達98%，而傳統(tǒng)方法僅為87%與94%;隨著樣本數(shù)量增加，該的計算效率波動幅度較小，平均計算效率達到了97.2%，基于耦合計算的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法的計算效率呈上升取值，但是該方法的平均計算效率與所提方法相差了6.4%?；贛onte Carlo算法的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法的計算效率一直呈下降趨勢，該方法的平均計算效率與所提方法相差了9.4%。通過實驗數(shù)據(jù)對比可知，所提方法的計算效率在3種方法中為最高。因此，說明我們的方法比傳統(tǒng)方法擁有更高的計算效率，更加適合使用。

3 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方法存在的一系列問題，我們提出了一種新的急性電離輻射災(zāi)害事故損傷劑量計算方法。該研究了一種新的計算程序，通過可供劑量對使用的參數(shù)以及信息進行估算，并給出相關(guān)的防護措施。實驗結(jié)果表明，我們的方法能夠有效降低計算誤差，提高計算結(jié)果的準確性，以此同時，提高了所提方法的計算效率。此方法受到資金限制不能大量推廣使用，因此今后將研究重點放在節(jié)約成本上。