PDF《氡的危害及剂量估算》

・ 资料・ 氡的危害及剂量估算 郭秋菊 许寿元 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(101075007 ;

200222004) 作者单位 :

100871 北京大学物理学院技术物理系(郭秋菊) ;

吉 林省延边州卫生局卫生监督所(许寿元) 氡(222 Rn) 是铀2镭天然放射系中的衰变产物 ,是惰性气 体 ,存在于一切环境空气中.

氡的子体(从218 Po 到214 Po) 半衰 期较短 ,称为短寿命子体.氡及其子体是人类所受到的来自 天然辐射的主要辐射照射源 ,对公众产生不可避免的持续照 射 ,其所致剂量约占所有天然辐射的

50 % [1] .氡水平的分 布在自然界中极不均匀 ,特别是在包括工作场所和居室在内 的建筑物内 ,氡浓度受诸多因素的影响 ,有时可以达到较高 的水平. 人们在呼吸过程中 ,会将空气中的氡及其子体吸入体 内 ,被吸入体内的氡及其子体在衰变过程中会导致以呼吸器 官为主的内照射的发生.目前 ,氡的危害及其评价已日益成 为我国公众关心的室内环境问题 ,有关住房等建筑物内氡的 国家标准陆续出台 ,氡的监测及治理服务公司也应运而生. 在这种社会环境的大背景下 ,正确地认识氡的危害 ,科学地 进行评价 ,有重要的现实意义.

一、 氡的危害 早在

15 世纪 ,在德国的 Schneeberg 矿 ,矿工容易患上一 种高死亡率的肺病 ,后来称之为 Schneeberg 肺病 ,到19 世纪

80 年代 ,这种病被确认为肺癌[2] .1924 年有人提出 ,这种癌 症可能归因于氡的照射.随后 ,众多的矿工流行病学调查均 证明 :在高浓度氡环境中 ,氡子体的α辐射可以导致肺癌发 生率的增高 [3] .多年后 ,世界卫生组织把氡列为致癌物质之 一 ,确定了氡导致肺癌的定性关系 ,即氡子体的α辐射是肺 癌发生的始动因素之一.而定量关系的确立则复杂得多.

11 矿工流行病学调查的主要结论 :国际放射防护委员 会(ICRP) 认为 ,电离辐射照射对健康带来的后果的估计最好 基于人群的流行病学研究[3] .氡和子体的累积最常见于缺 乏有效通风的铀和非铀矿山井下坑道 ,使矿工呼吸道上皮细 胞受到氡短寿命子体的照射 ,引起肺癌.至于引起哪种类型 的肺癌 ,危险系数有多大等问题只能根据人群分析的结果来 回答.研究人群接受一定剂量不同类型辐射照射经不同时 间后的癌症危险水平是辐射流行病学的主要任务. 癌症危险通常用不同癌症的发病率或死亡率来表示. 在辐射致癌危险估计中更常用死亡率 ,因为死亡率的登记比 发病率更准确.这里 ,首先介绍几个评价人群辐射致癌危险 水平时常用的统计学概念 : ① 绝对危险 :受照组癌症发生率 与对照组人群癌症发生率之差 ,因此绝对危险又称超额绝对 危险(EAR) .② 相对危险 (RR) 是受照组癌症发生率与对照 组人群癌症发生率之比.由于对照组人群的 RR 为1,所以 相对危险的增加额为 RR -

1 ,称为相对危险增加或超额相对 危险(ERR) .③ 基线发生率或称本底发生率 ,即某种癌症自 然存在的发生率. (1) 肺癌危险预测模型 [3 ,4] :肺癌作为辐射照射所致远期 生物效应的一种 ,应归类为随机性效应 ,原则上适用于线性 无阈假说.关于这一点 ,在高浓度暴露时得到了矿工流行病 学的证实 ;

在低水平照射下得到了动物 (大鼠) 实验研究的 支持. 氡致肺癌危险估计模型 (模型) 的建立既有助于研究矿 工肺癌的危险 ,同时也是评价室内氡危险的基础.目前 ,危 险预测模型的主要依据来自多个国家的矿工 ,特别是铀矿工 的队列研究和病例2对照研究的结果.

1987 年ICRP 第50 号出版物根据美国、 捷克和加拿大铀 矿工肺癌的资料提出了相乘预测模型 (RR 模型) ,推荐 ERR 系数为 110(015~115) ( % WLM -

1 ) .美国电离辐射生物效应 委员会(BEIR) 的研究分析结果表明 ,肺癌危险随照射后经过 时间而异 ,于1988 年在 RR 模型的基础上建立了 TSE2RR 模型,取代了前者.最初的模型可以用下面的公式表达 : R ( a) = R0 ( a) (1 + β d) (1) 对此公式的解释是 :受到照射后到达年龄 a 时 ,其肺癌 死亡率 R (a) 是该年龄基线死亡率 R0 (a) 与照射量 d 所伴随 的RR 即(1 +β d) 的乘积 ,β为ERR 危险系数. BEIR 又将照射后经过时间 t 、 受照时年龄 e 加以考虑 , 修正后的公式为 : R ( d , a , t , e) = R0 ( a) [1 + β( a , t , e) d] (2) 这里β为经过 a ,t ,e 修饰的斜率. 众多矿工流行病学表明 ,在一定剂量范围内剂量效应为 线性相关 ,在各变量中 ,到达年龄 (a) 和受照后经过时间 ( t) 是影响肺癌危险的最重要的因素. 关于式中各个参数的选定 ,BEIR 通过对矿工数据的 Poisson 回归分析进行了参数拟合 ,将a和t各分为

3 个年龄 段 ,最后的公式为 : R ( a) = R0 ( a) [1 +

01025 R ( a) ( W1 + 015W2 ) ] (3) 式中 W1 是到达年龄(a) 的5~15 年前的累积 WLM , W2 是大 于15 年前的累积 WLM.这说明受照经过

15 年后单位 WLM 的致癌效果下降了 1/ 2. 除此之外 ,还有德国提出的 GSF 模型等.关于肺癌的潜 伏期 ,虽然一般认为照射诱发实体癌症的潜伏期为

10 年 ,但 ・

5 8 ・ 中华放射医学与防护杂志2004 年2月第

24 卷第

1 期Chin J Radiol Med Prot , February

2004 ,Vol

24 ,No.

1 有资料表明氡暴露诱发肺癌的潜伏期为

5 年[5] .有些流行 病学调查表明 ,在暴露量低时 ,单位暴露量的超额相对危险 较高 ,同时还有理论提出 , α辐射照射与γ照射不同 ,相同剂 量下 ,剂量率与效应有反比关系 ,即所谓逆剂量率效应 [6] . 另外动物实验也表明 :总剂量相同时 ,剂量率降低可以使诱 癌率增高. 肺癌有不同的组织学类型 ,一般居民所患各型肺癌中 , 最多见的是鳞癌 ,其次是小细胞癌和腺癌.在氡诱发的肺癌 类型中 ,多数作者主张主要是引起小细胞癌的增加 ,此结论 与原爆人群结果一致 ,显示无论是γ射线还是α粒子 ,均以 诱发小细胞癌的增加为最突出. 关于氡与吸烟等其他致癌因子的复合作用 ,目前大多数 人倾向于二者(或多者) 之间有协同作用 ,其模型介于相加和 相乘模型之间 ,亦被称为亚相乘模型.但至今为止矿工的流 行病学证据尚不能提供有关吸烟影响的确切的定量结论. 有意思的是 ,动物实验表明先吸氡后吸烟 ,对诱发肺癌有协 同效果 ,先吸烟后吸氡则无效 ,这说明氡暴露是致癌的始动 因素 ,而吸烟则起促进作用. (2) 氡致肺癌的危险系数 :建立氡致肺癌危险模型是要 给出氡和氡子体诱发肺癌的危险系数 ,包括 ERR 系数和 EAR 系数 ,其单位可以用月工作水平( %WLM -

1 ) 或当量剂量 ( %Sv -

1 ) 表示.EAR 系数可以用年危险或终生危险来表示 , 辐射防护更希望获得 EAR 系数的终生值 (10 -

6 WLM -

1 ) .表1是一些组织根据矿工流行病学资料给出的氡子体诱发矿 工肺癌死亡的终生危险系数. 到目前为止 ,通过大量的流行病学研究已经建立了比较 完善的肺癌危险估算模型 ,同时 ,这些结果毫无疑问地表明 : 氡子体诱发矿工肺癌是职业照射诱发癌症的最重要的事例. 表1氡子体诱发肺癌死亡的终生危险系数 组织名称 肺癌死亡概率

10 -

6 W LM-

1 10 -

3 J・ h・ m-

3 NCRP(1984)

130 37 ICRP250(1987)

230 66 EPA(1986) 115~400 33~110 UNSCEAR(1977 ,1988) 150~450 43~128 BEIR Ⅳ

350 100 ICRP265(1994)

283 80

21 居室内氡引起居民肺癌的危险 :虽然居室内的氡与 矿山坑道内的氡物理特性完全相同 ,但居室内相对来说较低 水平的氡暴露 ,其剂量效应关系尚没有充分的人类流行病学 资料支持.ICRP265 中对此问题进行了概述 :与在过去的

10 年左右 ,有许多目的在于探讨肺癌发生率与住宅内氡暴露量 之间的关系的研究 ,其中有一些研究表明了正相关关系 ,但 大多未给出这种关系 ;

到目前为止 ,大多数未给出定量数据 (ICRP265 , 9210) . 居室内建材放射性水平的增加、 平房或一层楼房内氡从 土壤的直接析出、 室内通风不足等因素均可造成室内氡浓度 的增加 ,甚至接近能引起矿工肺癌增加的矿井坑道的氡浓 度 ,因此迫切需要通过人群流行病学研究对室内氡 ,特别是 高浓度居室内氡子体暴露诱发居民肺癌的危险进行直接评 价. 室内氡与居民肺癌危险的流行病学研究在世界各地展 开 ,其中瑞典的研究和美国 Cohen 教授的调查影响较大.虽 然氡暴露的流行病学研究所遇到的困难可能会小于低水平 外照射致癌效应的流行病学研究 ,但由于受到包括个人剂量 估计的不确定性等多种混杂因素的干扰 ,很难期望会得出明 确结论.ICRP250(1987) 和BEIR Ⅳ(1988) 曾根据室内氡浓度 和矿工经验对一般居民进行估算 ,认为一般居民肺癌中大约 有10 %来自本底水平氡子体的照射 ,但此结论尚需要从人 类直接调查的结果得到支持.这是因为 ,通过矿工的数据外 推来评价住宅内和工作场所中氡照射产生的危险时 ,对α粒 子辐射权重因子的选择、 辐射诱发肺癌的剂量估算和剂量率 效能因子的选择等都是重要的影响因素. 室内氡的重要性得到辐射防护和环境保护界的充分重 视 ,但是统计学的局限性又妨碍了小剂量下对超额相对危险 的直接观察.目前 ,对室内氡危害在学术界也意见纷纭.笔 者认为美国科学家 Schiager 的态度是可取的 ,即 :对多数居 民 ,氡的危害是微小的 ,对少数居民却是值得注意的.

二、 氡暴露的剂量估算

11 与剂量估算有关的基本概念 :置身于一定浓度氡及 其子体的空气中 ,人体所受到的照射量包括氡的 放射能照 射量 和氡子体的 α潜能照射量 或称 暴露量 .氡剂量学 研究表明 ,吸入含氡气体在呼吸道形成的辐射剂量主要不是 来自氡的α衰变 ,而是来自氡的短寿命子体218 Po (RaA) 和214 Po (RaC'

) 的α衰变.吸入氡子体可以导致对人体的辐射 照射 ,通常称为暴露(exposure) . 空气中氡浓度的单位是 Bq/ m

3 ;

对于氡子体 ,上世纪

50 年代美国首先提出了α潜能的概念 :氡的所有子体衰变到

210 Pb时所发射的α粒子能量的总和 ;

单位体积空气中氡子体 α潜能叫做潜能浓度 ,其单位是 JΠ m

3 或MeV/ L (1 J =

6124 *

10 12 MeV) .同时 ,氡子体浓度还有一个历史单位 ( ICRP265) , 即工作水平(WL) ,1 WL =

113 *

10 5 MeVΠ L =

2108 *

10 -

5 JΠ m

3 . 氡气的放射性照射量是一定时间内氡放射性浓度的时 间积分 ,即Bq・ h・ m -

3 ;

而对于子体 ,则是α潜能浓度的时间 积分 ,可以用子体浓度 (JΠ m

3 ,MeV/ L 或WL) 与时间 (h) 的乘 积表示.出于历史的原因 ,氡子体暴露量的常用单位是工作 水平月 (WLM) ,1 WLM 相当于在

1 WL 下暴露

1 个工作月 (170 h) ,则有 :1 J・ h・ m -

3 =

282 WLM.

21 氡子体致肺部剂量的估算 :在对氡子体的暴露进行 剂量评价和危险度估算或比较时 ,需要把氡子体的暴露量 (WLM) 换算成有效剂量 (Sv) .其具体估算方法可以概括地 分为两类[7] : (1) 剂量学评价方法 ;

(2) 流行病学评价方法. UNSCEAR 一直采用的是剂量学评价方法.相同氡子体暴露 量在气管支气管区(TB) 和肺区 (P) 产生的剂量主要取决 : ① 未结合态子体的份额 ;

② 子体气溶胶粒径的分散度(AMAD) ;

・

6 8 ・ 中华放射医学与防护杂志

2004 年2月第

24 卷第

1 期Chin J Radiol Med Prot , February

2004 ,Vol

24 ,No.

1 ③ 个体呼吸率 ;

④ 选择的靶组织学模型等因素. 关于呼吸道模型 ,其随着组织学、 呼吸道解剖学以及不 同组织敏感性研究的进展不断得到改善和发展 , ICRP 于1994 年在其

66 号出版物中又提出了新的呼吸道模型 ,同时 也给出了一些新的用于呼吸道剂量计算的参数.但由于存 在着很多不确定因素 ,因此委员会建议 :剂量学模型不应当 用于评价和控制氡的照射(ICRP265) . 氡衰变时新产生的子体 ,特别是218 Po ,最初处于未结合 态 ,很快与空气中气溶胶粒子附着 ,形成结合态.未结合态 在呼吸器官具有更高的沉积效率.未结合态子体的潜能浓 度与结合态子体的潜能浓度之比称为未结合态份额 ,一般用 fp 表示 ,多数矿山fp = 0~0105.如果取α粒子的辐射权重因 子为

20 ,则可得到用 fp 函数表示的每 WLM(或J) 的当量剂 量 ,在矿山 ,每WLM 暴露量产生的支气管基底细胞剂量大约 为60~100 mSv.如果在粉尘较高的环境中 ,fp 值下降 ,剂量 转换系数下降 ,同样 WLM 暴露产生的剂量也要下降.氡及 其子体平均浓度及剂量转换系数见参考文献[8] . 在ICRP 第65 号出版物中 ,关于从暴露量到有效剂量的 换算 ,委员会的立场发生了明确的改变 ,指出电离辐射照射 对健康带来的后果的估计最好基于人群的流行病学研究 (ICRP265) .从这一立场和原则出发 ,ICRP 不再把剂量学方 法当成是对氡暴露进行评价和控制的手段 ,而用流行病学方 法取而代之.为此 ,ICRP265 提出了一个新的概念 :剂量约定 转换(conversion conventions) ,是根据同等危害将用 WLM 表示 的氡子体暴露量与用 mSv 表示的有效剂量联系起来的方法 , 其根据是危害相等 ,而不是剂量测定. 剂量的约定转换的主要依据是肺受到辐射照射时产生 的危险定量资料.资料主要来源于日本原子弹爆炸幸存者 的寿命研究和铀矿工人等的流行病学调查.其中 ,寿命研究 提供了有关全肺受到完全均匀的且主要是γ辐射照射时的 癌症死亡系数的估计值 ;

而矿工的流行病学研究则给出了致 死性肺癌发病率与采矿环境中氡子体浓度之间关系的资料 (ICRP265) . 在推导过程中 ,要知道 ①单位暴露量的标称概率系数 (死亡) .在此 ,ICPR 参考了铀矿矿工的流行病学数据以及 包括中国在内的

5 个国家的肺癌死亡系数基线值 ,给出标称 概率系数(死亡) 为810 *

10 -

5 (mJ・ h・ m -

3 ) -

1 .② 单位有效剂 量所造成的危........