Современная система дозиметрических и радиометрических величин

• с начала 30-х годов XX в. и до Второй мировой войны экспозиционная доза;
• после Второй мировой войны и до конца 70-х годов эквивалент дозы;   
• в 80-е годы эффективный эквивалент дозы;
• начиная с 90-х годов прошлого века и по настоящее время эффективная эквивалентная доза.

1.2.1. Эффекты ионизирующего излучения

Согласно  современным представлениям, воздействие  ионизирующего излучения на людей  может привести к возникновению у некоторых из облученных лиц детерминированных и стохастических эффектов излучения.

Детерминированные эффекты излучения являются основой лучевой болезни при местном и общем облучении с высокими дозами. К этой категории эффектов относятся лучевые поражения отдельных органов и тканей, а также аномалии и пороки развития, являющиеся детерминированными эффектами облучения плода в эмбриональном периоде. В основе детерминированных эффектов лежит гибель значительной части клеток облученного органа или ткани, поэтому в отношении таких эффектов предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше тяжесть эффекта зависит от дозы. Значение пороговой дозы определяется радиочувствительностью клеток пораженного органа или ткани и способностью организма компенсировать или восстанавливать та кое поражение. Как правило, детерминированные эффекты излучения специфичны и не возникают под действием других физических факторов, а связь между эффектом и облучением однозначна (детерминирована). Пороговые дозы возникновения детерминированных эффектов, приводящих к скорой гибели взрослых людей, приведены в табл. 1. В случае длительного хронического облучения детерминированные эффекты возникают при больших суммарных дозах, чем в случае однократного облучения.

В производственных условиях возникновение  детерминированных эффектов возможно только при радиационной аварии, когда источник излучения находится в неуправляемом состоянии. В этом случае ограничение облучения людей осуществляется путем принятия срочных мер вмешательства. Принятые дозовые критерии срочного вмешательства в случае радиационной аварии основаны на данных о пороговых дозах возникновения опасных для жизни детерминированных эффектах, как это показано в табл. 2.

Таблица 1

Детерминированные эффекты однократного равномерного облучения всего тела фотонами

Основная причина смерти	Срок гибели половины облученных, сутки	Пороговая доза, Гр
Повреждение костного мозга	30 ...60	3 ...5
Повреждение желудочно-кишечного тракта и легких	10...2O	5... 15
Повреждение нервной системы	1...5	>15

 

Таблица 2

Пороговые дозы возникновения детерминированных  эффектов и критерии срочного вмешательства при радиационной аварии

Облучаемый орган	Детерминированный эффект	Пороговая доза, Гр	Критерий срочного вмешательства при аварии, Гр
Все тело	Рвота	0,5	1
	Смерть	4
Легкие	Пневмония	5	6
	Смерть	10
Кожа	Эритема	3	3
Щитовидная железа	Деструкция железы	10	5
Семенники	Стерильность	4	3

 

Значения  пороговых доз возникновения  детерминированных эффектов в десятки  и сотни раз превосходят пределы доз профессионального облучения, поэтому главной задачей современной радиационной безопасности является ограничение последствий возможного возникновения стохастических эффектов у человека вследствие его облучения ионизирующим излучением в нормальных условиях. В основе стохастического эффекта излучения лежит радиационно-индуцированная мутация отдельных клеток облученного органа или ткани. Мутацией называют внезапно возникающее естественное или искусственно вызываемое стойкое изменение структур клетки, ответственных за хранение наследственной информации и ее передачу от клетки к клетке в процессе клеточного деления, без которого невозможно существование живого организма. Возникающие под действием излучения мутации половых клеток родителей могут привести к возникновению генетических (передающихся по наследству) эффектов излучения у потомков облученных лиц. Мутации соматических клеток тела человека могут привести к возникновению раковых заболеваний. Согласно представлениям современной радиобиологии, и возникновение мутаций под действием излучения, и их реализация в виде наблюдаемого стохастического эффекта излучения имеют вероятностную природу. Мутация соматических и половых клеток живого организма является мощным фактором биологического развития. Клеточные мутации под действием природных и искусственных факторов окружающей среды являются первопричиной и того, что дети не являются копиями своих родителей и того, что любой человеческой популяции присущ определенный фоновый уровень спонтанных раковых и генетических заболеваний. До настоящего времени среди стохастических эффектов излучения не обнаружено специфических заболеваний, которые возникают только под действием излучения. Ионизирующее излучение является всего лишь одним из факторов, воздействие которых может увеличить вероятность возникновения онкологических или генетических заболеваний в популяции. С представлением о мутагенном механизме лучевого канцерогенеза согласуется весьма широко распространенное мнение о беспороговом характере действия излучения и о линейной зависимости эффекта от дозы. Считается, что начало развитию опухоли может дать одна измененная клетка носитель соматической мутации. Первичным изменением в клетке, достаточным для возникновения мутации, может быть разрыв ДНК вследствие одного акта передачи энергии излучения среде (одной ионизации). В организме человека всегда имеется большое число клеток, которые могут иметь повреждения ДНК, необходимые для возникновения соматической мутации, способной развиться в раковое заболевание. Работа системы репарации ДНК имеет важнейшее значение в судьбе клеток облученного органа или ткани. При правильной репарации (как правило, такая репарация возможна только при возникновении однонитевых разрывов ДНК) не наблюдается никаких последствий облучения. Одним из возможных исходов репарации является неправильное восстановление структуры ДНК, результатом которой будет возникновение при делении клетки жизнеспособных потомков с новыми свойствами (мутантов).

В отношении стохастических эффектов излучения предполагается отсутствие дозового порога. Поскольку природный  радиационный фон всегда существует, как существует и спонтанный уровень стохастических эффектов, то любая практическая деятельность, приводящая к дополнительному облучению, приводит к увеличению вероятности стохастических эффектов. Вероятность их возникновения предполагается пропорциональной дозе, а тяжесть проявления не зависящей от дозы облучения. Рис. 1 иллюстрирует связь между заболеванием раком и облучением, которую характеризует значительный уровень спонтанных раков в популяции и относительно небольшая вероятность возникновения дополнительных заболеваний под действием излучения.

Рис. 1. Соотношение  между дополнительным облучением, обусловленным  практической деятельностью, и увеличением  вероятности заболевания раком

 

К тому же по данным НКДАР ООН спонтанный уровень заболеваемости и смертности от раковых заболеваний значительно варьирует и от страны к стране и от года к году в одной отдельно взятой стране. Это означает, что, анализируя последствия воздействия излучения на большую группу людей, облученных с одинаковой дозой, при определенных условиях можно установить вероятностную связь между дозой об лучения и числом раков, возникших вследствие облучения дополнительно к ожидаемому числу спонтанных раков, однако невозможно указать, какое заболевание является следствием облучения, а какое возникло спонтанно.

 

Рис. 2. Численность группы одинаково  облученных взрослых людей, необходимая  для достоверного подтверждения  связи между увеличением общего числа раковых заболеваний в группе и дозой облучения

 

На  рис. 2 приведена оценка численности  группы одинаково облученных взрослых людей, необходимой для достоверного подтверждения связи между увеличением общего числа раковых заболеваний в группе и дозой облучения. Линия A-B на рисунке определяет теоретическую оценку численности группы, необходимой для выявления дополнительных стохастических эффектов излучения с доверительным интервалом 90 %. На плоскости доза-численность группы выше этой линии расположена область условий облучения, при выполнении которых теоретически воз можно доказательство связи между увеличением числа стохастических эффектов в группе и облучением. Для условий облучения, соответствующих точкам, расположенным ниже этой линии, доказать эту связь теоретически невозможно. График показывает, что для достоверного выявления дополнительных эффектов от равномерно го облучения тела взрослых людей фотонами с дозой 20 мГр, равной пределу дозы профессионального облучения, необходимо обследовать не менее 1 000 000 человек.

Указанные трудности в обнаружении связи  между облучением и возникновением дополнительных раков привели к тому, что в настоящее время нет каких-либо фактических материалов помимо сведений о радиационном канцерогенезе у жителей Хиросимы и Нагасаки, а также у шахтеров урановых рудников, которые могли бы подтвердить существующие данные о возникновении дополни тельных (относительно спонтанного уровня) раковых заболеваний у людей, подвергшихся действию ионизирующей радиации в не больших дозах. Эпидемиологические данные о раке легких у шахтеров используются для нормирования облучения радоном. Результаты исследования медицинских последствий атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки являются важнейшей частью научной базы радиационной защиты человека и его потомков от вредно го действия ионизирующего излучения.

Тщательное  изучение медицинских последствий  военного применения атомного оружия началось сразу после бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в августе 1945 г. Уже через два года в Японии приступила к работе Комиссия по учету пострадавших от атомной бомбардировки, организованная Национальной академией наук США при финансовой поддержке Комиссии по атомной энергии США. Взамен этой Комиссии в 1975 г. с целью оказания помощи поддержанию здоровья и благосостояния оставшихся в живых свидетелей атомной бомбардировки был учрежден Фонд исследования радиационных эффектов, который поддерживают Министерство здравоохранения и социального обеспечения Японии и Министерство энергетики Соединенных Штатов. В настоящее время в Фонде сосредоточена вся информация о дозах облучения и о состоянии здоровья свидетелей атомной бомбардировки и их потомков. В 1950 г. в Японии была проведена национальная перепись населения. Согласно переписи к категории лиц, облученных в результате атомной бомбардировки, было отнесено 280 000 человек. Для исследования отдаленных последствий атомной бомбардировки из них были выбраны когорты общей численностью приблизительно 280 000 человек. Целью эпидемиологического наблюдения за этими людьми было исследование отдаленных последствий действия ионизирующего излучения, в том числе и радиогенного рака, которые после однократного облучения могли возникнуть в течение всего периода жизни людей и их потомков.

Накопленный к настоящему времени обширный экспериментальный  материал и клинические наблюдения показали, что под влиянием облучения могут возникать новообразования практически во всех органах. Выяснилось, что под действием ионизирующего излучения, как и при действии других канцерогенных агентов, между облучением и возникновением злокачественных новообразований проходит длительный латентный период (ΔТ_лат) период скрытого развития заболевания, отделяющий воздействие ионизирующей радиации на организм от проявления эффекта в виде диагностируемого заболевания. Латентные периоды стохастических эффектов сравнимы с продолжительностью жизни человека. Рис. 3 иллюстрирует зависимость вероятности заболевания раком в результате облучения в зависимости от времени, прошедшего после однократного облучения всего тела фотонами. В области малых доз эта вероятность пропорциональна дозе облучения. Для времен много меньших или много больших длительности латентного периода вероятность возникновения заболевания близка к нулю. Раньше других в облученной популяции возможно возникновение дополнительных лейкозов, которые имеют наименьшие значения ΔТ_лат, равные 10-15 годам. Латентные периоды развития радиогенных раков других локализаций, т.н. твердых раков, мало различаются и примерно в 2 - 2,5 раза больше латентного периода развития лейкозов. Твердые раки формируют вторую волну радиогенных раков, возникающих в облученной популяции спустя десятилетия после облучения.

Для целей радиационной безопасности рассматривается  вероятность, отнесенная ко всей ожидаемой  продолжительности жизни человека т.н. пожизненная вероятность реализации эффекта в виде заболевания. Пожизненную вероятность эффектов, приводящих к смерти человека, обычно называют вероятностью преждевременной смерти. Она имеет сложную зависимость от возраста человека в момент облучения и линейную зависимость от дозы (в области малых доз).

В качестве характеристики тяжести стохастического  эффекта рассматривают сокращение продолжительности периода полноценной жизни человека ΔТ_лат в результате преждевременной смерти или заболевания, вызванных облучением.

Рис. 3. Динамика возникновения радиогенных  раков после облучения

 

Принято, что тяжесть стохастических эффектов не зависит от дозы облучения и равна разности между ожидаемой средней продолжительностью жизни человека и длительностью латентного периода в случае возникновения радиогенного рака. В табл. 3 приведены значения сокращения продолжительности периода полноценной жизни человека в результате преждевременной смерти или заболевания, вызванных облучением. Для целей радиационной безопасности принято, что генетические последствия облучения в среднем характеризуются потерей 15 лет продолжительности полноценной жизни.

 

Таблица 3

Сокращение  продолжительности периода полноценной  жизни человека в результате возникновения  радиогенного рака

Облученный орган или ткань	Число потерянных лет жизни
Красный костный мозг	30
Гонады; молочные железы	20
Поверхность кости; печень; кожа; щитовидная железа; легкие; толстый кишечник; остальные органы	15
Пищевод; желудок; мочевой пузырь	10

 

1.2.2. Дозиметрические величины, используемые в радиационном нормировании

По  мере изучения биологических эффектов излучения и развития атомной  энергетики и промышленности развивались  концепции радиационного нормирования профессионального облучения. До конца 70-х годов XX в. в основе радиационного нормирования лежала концепция предотвращения детерминированных эффектов излучения, которая опиралась на гипотезу порогового действия из лучения. Этот период был связан с бурным развитием атомной науки и техники, главным образом, в оборонной сфере, которое происходило в условиях недостатка знаний о биологическом действии излучений и несовершенства радиационных технологий, что приводило к значительным дозам облучения. Развитие атомной энергетики, а также других направлений коммерческого использования источников ионизирующего излучения потребовало новых подходов к обеспечению радиационной безопасности, позволяющих проведение оптимизации радиационной защиты в условиях совершенствования технологий обращения с источниками и роста числа профессиональных работников. В конце 70-х годов в основу нормирования была положена концепция ограничения вероятности преждевременной смерти вследствие возникновения стохастических эффектов излучения, которая опиралась на гипотезу беспорогового действия излучения. С 90-х годов на смену этой концепции пришла концепция ограничения ущерба вследствие возникновения стохастических эффектов излучения, которая была сформулирована в Рекомендациях МКРЗ 1990г.