急性电离辐射灾害事故损伤剂量与防护措施研究

朱鸿浩，王 璐，程 勇，尚 靖，徐 浩

(暨南大学附属第一医院 广州华侨医院核医学科，广东 广州 510000)

在核能应用以及国防科技中等涉及核邻域的工作中，常常会接触到电离辐射，但是由于一些工作人员对于电离辐射的认知有限，将其对人体的危害夸大，导致人们对它心存畏惧，无法正常工作，严重影响的工作进度以及工作效率[1-2]。急性电离辐射事故主要由电离辐射失控引发的异常事件，能够直接、间接对生命、健康的能够造成伤害。针对电离辐射的最大担忧主要来源于其引发的疾病可能会对后代造成影响[3]。随着人们对于电离辐射的了解越来越多，人们已经研究出各种保护人类免受各种辐射源照射的防护方法，但是，人们的担心依旧存在[4]。需要研究一种更为全面的方法进行有效防护。

目前，相关专家给出了一些较好的研究，例如雷鸣等人[5]提出一种基于耦合计算的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法，通过点燃耗程序与耦合计算相结合，分析活化核素剂量率贡献及相应衰减时间，实现急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算。但是该方法没有提出相应的保护措施。陈华等人[6]提出了一种基于Monte Carlo算法的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法，该方法分别采用AAA、CCC算法相结合，实现对急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算。但是该计算方法的计算结果存在误差。

针对上述方法存在的一系列问题，我们提出了一种新的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法。通过放射事故计量对全身造血干细胞存活率进行计算，估计1 d内的照射等效剂量，完成急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算。针对上述结果进行分析，给出具有针对性的防护措施。

1 急性电离辐射灾害事故损伤剂量与防护措施研究

1.1 急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算

灾害事故损伤计量是指事故发生时提供受照者人体剂量学参数，在事故发生的情况下，人体所受到的照射是不均匀的，所以，描述病人全身照射的平均剂量以及中线剂量不适合用在不均匀的事故照射，所以，引用“干细胞活存模型”计算急性电离辐射灾害事故损伤剂量，以下给出具体的计算过程。

如果受照剂量在引起骨髓型放射病的范围内，全身剂量是根据照射后全身造血干细胞存活率决定，以下给出几个相关的因素：①全身各个部位红骨髓的相对含量；②上述部位的受照剂量[7]；③干细胞的剂量存活关系。在不均匀的照射条件下，干细胞的存活率的计算式为：

(1)

式中：W代表受照人全身的红骨髓质量，D代表红骨髓所吸收的剂量，m(D)代表在受照剂量为D时的红骨髓质量，m(D)dD代表受照剂量在D至D+dD范围内红骨髓的质量，Su(D)代表在受照剂量为D时干细胞的存活率。Su(D)的表达式为：

Su(D)=1-(1-e-D/D0)n。

(2)

式中：D0、n都为常数。

根据人体内红骨髓以及剂量分布的相关情况，通过式(1)得到了不均匀照射下的干细胞存活率[8]，将上述条件带入到式(2)中，即Sn=Su，得到D。实际剂量估计应用中，需要计算全身平均吸收剂量Dsw以及红骨髓计权平均剂量Drw，将其与干细胞存活计权等效剂量Dsw进行粗略对比，以保证最终估算结果的准确性。全身平均吸收剂量Daw为：

(3)

式中：Daw代表全身的平均吸收剂量，Di代表第i块小组织内的吸收剂量，mi代表第i块小组织内的质量。红骨髓平均剂量Drw为：

(4)

式中：Drw代表红骨髓的平均剂量，Wi代表第i个小立方体内的红骨髓质量。有、无体模时第i层组织的照射量为：

(5)

(6)

i层组织的吸收剂量为：

(7)

总吸收剂量为：

(8)

干细胞活存计权等效剂量为：

Dsw=-D0InSn。

(9)

分次、延时照射比一次等剂量LET辐射的急性照射具有较小的辐射效应。把分次、延时照射的累积剂量归一为一次照射等效剂量。以下给出具体的计算方法。

分次照射的一次等效剂量为：

NSD=(TDF)1/1.538。

(10)

式中：TDF代表时间剂量因子。TDF的表达式为：

TDF=n·d1.538X0.169。

(11)

式中：n为分割次数[9]，d为分次照射剂量，X为分次进行照射的时间间隔。如果式(11)满足n≥4的条件，则有：

(12)

式中：TDFi为第i次照射的时间剂量分次因子。

分别校正不同疗程间的衰减因子，衰减因子DF为：

(13)

式中：T1为第一疗程的治疗时间间隔，R为两个疗程之间的时间间隔。求解两个疗程结束之后获取的等效剂量，对式(10)进行校正，则有：

NSD=(TDF1)1/1.158·DF+(TDF2)1/1.158。

(14)

式中：TDF1为第一个疗程的TDF值，TDF2为第二个疗程的TDF值。

根据相关的照射原理剂量估计规定可知，延时照射一般情况下归一为一次照射等效剂量，以下给出在延时照射情况下的等效剂量计算式：

(15)

式中：ED为一个星期内的照射剂量当量，D为累积剂量，D′为剂量率，K为常数。

在急性电离辐射外射的情况下，通过染色体畸变分析法估计剂量的范围在0.1～5 Gy。相对于估算全身受一次性均匀分布的贯穿性的过量照射较为准确，但是针对于不均匀的照射，只能给出相当于一次全身均匀照射的等效剂量，不能利用较小的剂量进行估算[10]。针对低传能线密度的电离辐射，利用双着丝粒畸变作为指标，将其剂量设定为等效硬关系，则有：

p=c+αD+βD2。

(16)

式中：p为不同染色体发生畸变的概率，D为照射剂量，c为常数，α为剂量直线项系数。针对于LET辐射，大部分的剂量效应关系为直线模式，即：

p=c+αD。

(17)

式(16)与式(17)中的p相同，即：

p=x/n。

(18)

式中：n为分析细胞数量，x为“双+环”数。

通过上述的计算模型，通过发生畸变的概率得到生物剂量估计值：

D0=[a2-4b(c-p)]1/2/2b。

(19)

针对于LET射线，则有：

D=(p-c)/α。

(20)

针对剂量估计中不确定性的计算方法，急性电离辐射灾害事故损伤剂量为：

Sp=x1/2/n。

(21)

1.2 急性电离辐射灾害事故防护措施研究

通过分析上述过程，以下给出具体的急性电离辐射灾害防护措施。

(1)时间防护。工作人员累积照射的剂量以受照射时间成正比，工作人员的受照时间越长，其受到的累积剂量也就越大。通常情况下，需要控制受照时间来减少受照人员所受的累积剂量。所以，在一切操作中应该以有效减少受照时间为原则。在工作中，工作人员需要操作熟练，应变能力强，迅速准确地排除故障。如果工作人员必须要在较强的辐射下进行工作，并且时间较长的时候，此时，需要采取轮流制，减少每个工作人员的操作时间。

(2)距离防护。增大人与辐射源之间的距离，能够有效降低工作人员的照射量率。针对点状放射源，辐射剂量率水平和放射源的距离平方成反比的关系。在实际的操作过程中，需要尽可能的采取长柄钳以及自动控制装置等。

(3)屏蔽防护。在日常工作中，单单依靠缩短受照时间来以及增大距离并不能够达到安全操作的目的。在正常情况下，需要在放射源以及人体放入一层隔离物质，能够有效减少弱射线照射。针对不同类型的辐射，其隔离物质的材质也是不同的，尽量选取经济实惠的隔离材料。

(4)内照射防护。以下给出几种较为常见的放射性物质进入人体内的途径：呼吸道进入、皮肤进入以及伤口侵入等。该物质在进入人体以后，会引起全身以及组织的照射。为了有效防止放射性物质进入人的身体内部，在工作中需要加强个人防护，穿专业的服装，戴好口罩、手套等。

(5)空气净化。通过过滤、防尘等方法将空气进行净化，减少空气中放射性粉尘以及气溶胶的浓度。

(6)针对所工作的区域以及周围的环境，需要对其中具有代表性的产品进行常规检测，及时发现操作中出现的问题，对其进行改进。

2 实验结果与分析

为了验证本文研究所得出的方法的综合有效性，需要进行实验，实验环境为：为MATLAB R2012a。计算机配置为：32位Windows7系统，Pentium双核2.8GHz，运行内存2GB。为研究不同剂量计算方法的计算误差效果，进行如下实验。

(1)分别对比不同方法的计算误差(%)

分别将我们的方法与基于耦合计算的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法以及基于Monte Carlo算法的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法进行实验对比，对比3种不同计算方法的计算误差(%)，对比结果如图1所示。图1中，A代表所提方法，B代表基于耦合计算的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法，C代表基于Monte Carlo算法的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法。从图1可知，随着实验次数的不断变化，不同剂量计算方法的变化趋势也在不断发生变化。我们的方法的误差在3种方法中为最小，几乎接近0。基于耦合计算的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法的计算误差次之，基于Monte Carlo算法的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法的计算误差在3种方法中为最高，期间出现了两次峰值，并且误差值较大。通过实验数据对比可知，本文方法能够有效降低计算误差，提高计算结果的准确性。

图1 不同剂量计算方法的计算误差对比结果

(2)分别对比不同方法的计算效率(%)

分别将我们的方法与基于耦合计算的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法以及基于Monte Carlo算法的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法进行实验对比，对比3种不同计算方法的计算效率(%)，对比结果如表1所示。

表1 不同剂量计算方法的计算效率对比结果

分析表1可知，不同剂量计算方法计算效率的变化趋势也在不断发生变化。在样本数量较低时，我们的方法的计算效率到达98%，而传统方法仅为87%与94%;随着样本数量增加，该的计算效率波动幅度较小，平均计算效率达到了97.2%，基于耦合计算的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法的计算效率呈上升取值，但是该方法的平均计算效率与所提方法相差了6.4%。基于Monte Carlo算法的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法的计算效率一直呈下降趋势，该方法的平均计算效率与所提方法相差了9.4%。通过实验数据对比可知，所提方法的计算效率在3种方法中为最高。因此，说明我们的方法比传统方法拥有更高的计算效率，更加适合使用。

3 结束语

针对传统方法存在的一系列问题，我们提出了一种新的急性电离辐射灾害事故损伤剂量计算方法。该研究了一种新的计算程序，通过可供剂量对使用的参数以及信息进行估算，并给出相关的防护措施。实验结果表明，我们的方法能够有效降低计算误差，提高计算结果的准确性，以此同时，提高了所提方法的计算效率。此方法受到资金限制不能大量推广使用，因此今后将研究重点放在节约成本上。