2.5 X射线的剂量

当X射线穿越某物体如人体时，它会把部分能量转移并留存在该物体中，这些能量可能会引起物质某些性质的改变，对人体而言则可能造成损伤。人体在吸收了射线的能量后，可由于电离产生离子对，引起辐射的电离损伤。X射线也可能直接打破组织中的分子键，导致组织或分子损害。

近年来对患者接受X射线剂量及其损害的研究得到特别的关注。

2.5.1 流量、通量与强度

辐射可定义为能量的运动（物理学涉及的粒子辐射不在本书讨论的内容范围之内）。X射线、γ射线都是一种能量转移意义上的辐射。目前，有多个名词被引入以便于对辐射进行定量描述。

图2.17给出了穿过面积为A的一束射线。由于X射线或γ射线都可看成单个光子的簇射，理论上光子的数目可以表达辐射的总量。为此，定义光子流量Φ为穿过单位面积的光子总数，即

流量在时间上的变化速率定义为光子通量φ：

如果在射线束中所有的光子都具有相同的能量，那么能量流.量.就可以简单表示为光子流量Φ 与每个光子能量E 的乘积：

同样的，光子通量φ乘以每个光子的能量E，就可以得到能量通量ψ。事实上，能量通量就是单位时间单位面积通过的光子能量，也就是射线强度I：

强度的单位是。如果辐射光束中的粒子或者光子拥有不同的能量（E1，E2，…，Em），那么强度就表示为：

这里fi表示拥有能量Ei的光子个数，所有光子总共包含了m种不同的能量。辐射是电磁波的情况下，每个光子拥有的能量为E=hν。

设腹部X射线成像过程中，曝光时间为0.1s，成像胶片的面积为1500cm2，已知有1013个光子穿过胶片，每个光子的能量是40keV。可以根据上面定义的量计算得到光子流量Φ=，光子通量，能量流量 ，能量通量ψ=。

X射线管产生的射线束各个光子的能量是不相同的，存在一个能量谱分布。这时要计算上述参量就需要各个能量的加权。尽管上述概念在放射物理学涉及的定量理论分析中都发挥了重要作用，但这些物理量都不便于实际测量。因此，人们定义了一些更适合实际测量的量来定量描述辐射程度。

2.5.2 照射量与吸收剂量

X射线或γ射线辐射的测量从它们被发现时就引起了人们的重视。人们希望找到一种物理量，用来描述传递给患者的辐射总量，也就是照射量。伦琴起初用胶片的变黑程度来表达照射量，但胶片变黑的非线性和胶片的灵敏度给这个方法带来了困难。1928年，人们将伦琴（Roentgen，R）定义为X射线照射量的单位，有

伦琴（R）是通过对标准温度和气压下（STP：0℃，760mmHg）单位体积的空气进行照射，并测量电离产生的电量得出照射量的定量测量单位，被定义为在1kg空气中产生2.58×10-.4 C（库仑）静电荷所需要的X射线或γ射线的能量。装空气的盒子称为电离室。

照射量是光子流量与光子能量的综合度量，照射量正比于射线束的光子流量和每个光子的能量。设射线束中每个光子的能量为60keV，则1R的照射量约等于每平方厘米穿过了3× 1010个携带该能量的光子。

事实上，伦琴（R）的定义先后经历了多次的修正，而每次的修正都反映了人们对射线与物质的交互作用的更深刻理解和为探测这些交互作用而研发的设备的改进。

伦琴表达照射量只用于能量低于约3MeV的X射线或γ射线辐射，不适合用于粒子辐射或能量高于3MeV的光子。因为高能光子在电离室中的电离会导致多层次级离子的产生，其中的相互作用关系复杂。另外，伦琴这个单位只适用于描述射线对空气的照射，并不能准确表达患者对辐射的吸收。在国际单位制（SI）里并没有为照射量专门定义一个单位，而是采用了库仑和千克这样基本的单位来表达。在伦琴使用的同一时期，人们也提出了其他几个照射量的单位。随着这些定量描述辐射程度的定义逐步获得认同，伦琴这个单位和照射量这个概念一起正渐渐淡出人们的视野。

导致人体组织发生化学或生物效应射线辐射应该由组织吸收的射线能量、即吸收剂量来表达，而不是辐射在空气中产生的电离数。为了描述一种物质（对人体而言可以是一种组织）从射线辐射中吸收的能量，国际单位制中采用戈瑞（Gray，Gy）来描述。戈瑞是吸收剂量的单位，它定义为1kg物质（对人体而言就是组织）吸收1焦耳能量时的辐射，即

历史上很长一段时间曾采用过单位拉德（Rad）来描述吸收剂量，它表示每克物质吸收1×10-5焦耳能量的辐射。所以

有了吸收剂量的单位戈瑞，就可以定义吸收剂量D了：质量为m（单位是千克）的物质在辐射中吸收的能量为E（单位为焦耳）时：

吸收剂量D的单位是戈瑞（Gy）。

例如，有0.05戈瑞的剂量在腹部X射线检查中均匀辐射到膀胱，那么每一克膀胱组织吸收的能量就可以根据式（2.20）计算得到，应为5×10-5J。

2.5.3 不同辐射源生物效应的比较

前面介绍了定量评价射线辐射的参量。事实上，从空气电离的角度提出了伦琴（R），从一定质量组织吸收多少能量的角度提出了戈瑞（Gy）和拉德（Rad）。提出这些参量的主要目的之一是为了定量估计辐射对人体组织或器官的伤害。然而，辐射在人体组织上造成的化学或生物效应却不仅只与组织吸收的能量数有关，还与被吸收能量在组织中的分布有关。为了定量评价能量在组织中的具体分布，Zirkle等于1952年提出了传能线密度（linearenergytransfer，LET）的概念。LET是指射线在组织中穿越时，在单位长度径迹上消耗的平均能量，其单位为J/m，一般常用keV/μm表示，1keV/μm=1.602×10-10J/m。辐射生物效应的大小与LET值有重要关系。在一般情况下，某种射线的LET愈大，在相同吸收剂量条件下其生物效应愈显著。

可以设想，射线在径迹不同位置的能量沉积并非是绝对相等的，即使是同种射线，沿径迹的能量释放肯定是变化的。但测量径迹不同位置的LET是非常困难的。目前，实际使用中的LET都是平均值。计算此平均值的方法有两种：一种方法是计算径迹均值，即将径迹分为若干相等的长度，计算每一长度内的能量沉积，求其平均值，称为径迹平均传能线密度；另一种方法是计算能量或吸收剂量的均值，将径迹分为若干相等的能量增量，再把沉积在径迹上的能量除以径迹长度称为剂量平均传能线密度。两种计算方法得出的LET均值是有差别的。目前常用的LET数值，均是以水为介质测量的，因为水与生物组织成分较为接近。表2.5是几种能量的电子在软组织中的LET值。

另外，不同的电离辐射源（射线）促成一个特定的化学或生物响应发生时的效率通常也是不一样的。研究发现，不同辐射源形成的辐射（如X射线、γ射线、α和β粒子、热中子、重反冲核），相同剂量条件下产生的生物学效应可能完全不同。这时，仅用吸收剂量评估辐射对人体组织的损害就不够了。

1.相对生物效能

为了比较不同辐射源（射线）引起某种特定生物学效应时的剂量关系，人们提出了一个新的参量，即相对生物效能（relativebiologiceffectiveness，RBE），也有人称为“相对生物效应”，“相对生物效率”或“相对生物效应系数”，这是放射生物学中沿用已久的一个概念。由于是“相对”，就得有一个基准。从历史上一直以最先被发现的X射线的生物效应为基准，因此RBE的定义被确定为：X射线（250keV）引起某一生物效应所需剂量与所观察的辐射引起同一生物效应所需剂量的比值。选择250keV的X射线作为生物效应比较的标准，并不完全合理，从该射线是单色射线和传能线密度（LET）值等方面考虑可能都不是一个最佳选择，但因历史原因故仍沿用至今。近年来用60Co的γ射线或大于1MeV的X射线作为参考标准也有报道。

相对生物效能（RBE）定义为：

此处的Dref是引起某种特定生物效应需要的X射线（250keV）的吸收剂量，Dtest是要产生相同生物效应时需要的其他辐射之吸收剂量，单位都是戈瑞。RBE则是一个无量纲因子。显然，这里需要一个生物系统来配合RBE的量化定义，可用的实验方法有很多，包括活体试验、试管内试验、正常组织或肿瘤组织。不同的实验对象其RBE值也是不完全相同的。

RBE值可受许多因素的影响，例如观察生物效应的指标不同，相对生物效能的数值将随之变化；给予剂量的时间和空间的分布不同，RBE值也不同；受照射体系（细胞、分子等）所处条件不同（如氧浓度等）亦影响RBE的值。因此在确定某一电离辐射的RBE值时，必须限定有关条件。

RBE主要为了表达在剂量相同时，不同种类的电离辐射所产生某一持定效应的效率差别。例如，要引起同样的生物效应，所需X射线或γ射线的吸收剂量为α射线吸收剂量的10倍，则α射线的相对生物效能为10。各种电离辐射相对生物效能值列于表2.6中。

对某种特定生物效应定义了不同辐射的剂量比较因子RBE后，引起一种特定生物效应需要的吸收剂量、称为RBE剂量就可以很容易计算出来：

这里，RBE剂量的SI单位是希沃特（Sievert，Sv），曾用过的单位是雷姆（rem）。吸收剂量的单位是戈瑞（Gy）。希沃特与雷姆的换算关系为

1Sv=100rem

如果RBE为1时，希沃特与戈瑞的换算关系为

1Sv=1Gy

也有

1rem=1rad

RBE与LET总体说来呈正相关关系，但也不是完全的线性正比函数。由于LET反映的是能量在组织微观结构上的分布，LET大，表明微观组织的能量吸收大，一般来说，生物效应的发生也显著。但在一些条件下RBE随LET的增加而快速上升，一些条件下则会慢速上升，特殊条件下还可能随LET的增加而减小，表明这时组织吸收的能量并不能引起相应的生物学效应了。

2.剂量当量

相对生物效能从吸收剂量角度反映不同辐射源形成射线引起同一生物效应时的相对关系。正如前面指出的，吸收剂量并不总是与生物效应呈正相关关系，一定量的组织吸收了一定量的能量，其生物效应情况还应考虑被吸收的能量在组织中的分布情况。事实上，LET就是描述微观组织结构上能量分布情况的参数。

为了将被组织吸收的能量在组织中的分布与生物效应的关系考虑进来，要更精细地表达吸收剂量与生物效应的关系，需要给吸收剂量再乘一个与LET相关的因子，这个因子可以大致反映被吸收能量在组织中的分布，为此提出了剂量当量（doseequivalent，DE）的概念。

剂量当量定义为一定质量的组织吸收的能量（吸收剂量）与品质因子（qualityfactor，QF）的乘积。

其中，DE的单位为希沃特（Sv），D的单位为戈瑞（Gy），QF是由LET决定的无量纲的因子。表2.7表明了水介质中的平均LET与QF的关系。表2.8给出了典型辐射的QF值。

如果一个人在进行放射治疗时从60Co的γ射线里接受了4毫戈瑞（mGy）的平均吸收剂量，又从带有10MeV能量的中子里接受了0.1mGy。那么这个人总共承受的剂量当量就是

DE=D γ × QF γ+Dn × QFn=4×1+0.1×20=6（mSv）

注意，10MeV能量中子的QF是20。

DE和QF的概念常用于辐射防护的定量计算，现在已较少使用。从放射生物学的角度考虑，国际辐射防护委员会（ICRP）推荐用辐射权重因子（radiation weightingfactor，Wr）和组织权重因子（tissueweightingfactor，Wt）来修正吸收剂量，更准确地反映生物学效应。Wr是对QF的调整，对大多数辐射来说，Wr的值基本上等于QF的值。Wt则考虑了人体不同器官对辐射的敏感程度，例如对辐射较为敏感的骨髓（红）的Wt值为0.12，性腺的Wt为0.20。对辐射不敏感的肝脏和膀肮的Wt值仅为0.05。

3.当量剂量和有效剂量

在20世纪90年代初期，对1945年广岛和长琦原子弹爆炸幸存者的研究从辐射测量到流行病学都取得进展。这些工作从组织、器官到整体几个不同层次研究了辐射的敏感性；考虑到人体对辐射的个体性差异，统计学也被引入辐射的效应研究；癌症和其他非致命性疾病的发生与死亡率也进入统计分析中。另外，非致命疾病对下一代人的遗传效应也是研究的一个重要方面。综合这些以人类为对象的研究结果，专家们对QF进行了适当调整，确定了辐射权重因子（Wr）的值，并据此提出了当量剂量（equivalentdose，ED）的概念。ED定义为一定量组织吸收的能量（吸收剂量）与辐射权重因子Wr的乘积：

式中，ED的单位仍为希沃特（Sv），D的单位为戈瑞（Gy），Wr是无量纲的因子。典型辐射的Wr值参见表2.9。

当辐射有多个种类和能量时，在一个组织或器官的当量剂量就是各个辐射所致的当量剂量之和。

ED给出了不同辐射条件下人体发生生物效应的定量描述。但放射生物学的研究表明，人体不同器官或组织对辐射的敏感性和给人体造成的危害是不同的。在研究了人体主要组织和器官对辐射的生物效应后，专家们提出了组织权重因子（Wt）对上述的ED进行进一步的修正。由Wr和Wt两个因子修正后的吸收剂量称为等效剂量（effectivedose，ED），这里的ED已考虑了人体具体组织器官承受辐射的能力和危险系数，能更准确地反映不同类型的辐射对人体造成的损害。典型的组织权重因子见表2.10。

当辐射有多个种类和能量时，在多个组织或器官的总有效剂量就是各个辐射在每个组织或器官上形成的有效剂量之和。例如，某次胸部检查分别进行了胸片和胸透，患者各组织器官受到的当量剂量已知，参见表2.11，试比较患者进行拍胸片和胸透接受的有效剂量。

根据当量剂量与有效剂量的关系，可知：

由此可见，患者进行胸透接受的有效剂量相当于18次拍胸片接受的有效剂量。