Nachfolgend wird die Stellungnahme der Strahlenschutzkommission, verabschiedet in der 186. Sitzung der Kommission am 11./12. September 2003, bekannt gegeben.

1 Einleitung

Die vergleichende Bewertung der biologischen Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen und der damit verbundenen Risiken hat in den letzten Jahren erneut und zunehmend an Interesse gewonnen. Dieses konzentrierte sich zunächst auf Neutronen im Zusammenhang mit dem Transport von abgebrannten Brennelementen aus Kernkraftwerken und von Reststoffen aus der Wiederaufarbeitung. Neutronen stellen auch eine wesentliche Komponente des Strahlungsfeldes bei Flügen in größerer Höhe dar. Im Zusammenhang mit der bemannten Raumfahrt spielen auch Protonen, Alpha-Teilchen und schwerere Ionen eine besondere Rolle. Alpha-Teilchen sind außerdem bedeutsam für das Lungenkrebsrisiko durch die Inhalation von Radon und seinen Folgeprodukten. Unterschiede in der biologischen Wirksamkeit von Photonenstrahlungen verschiedener Energien haben in der Strahlenschutzdiskussion bisher eine vergleichsweise geringe Rolle gespielt, neuerdings jedoch an Interesse gewonnen, z.B. in Zusammenhang mit Risikobetrachtungen bei Mammographie-Screening-Programmen.

Alle diese Fragen sowie internationale Diskussionen, die bisherigen Konzepte des Strahlenschutzes neu zu überdenken, geben Anlass, die vergleichende Bewertung verschiedener ionisierender Strahlungen im Hinblick auf ihre biologische Wirksamkeit erneut detailliert zu betrachten. In den letzten Jahren hat die Strahlenschutzkommission (SSK) zu einzelnen Fragen Stellung genommen, z.B. zur Bewertung des Risikos von Neutronenstrahlung sowie zur Bewertung weicher Röntgenstrahlung im Rahmen der Stellungnahme "Mammographie-Screening in Deutschland: Bewertung des Strahlenrisikos".

Die vergleichende Bewertung der biologischen Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen interessiert im Strahlenschutz insbesondere in Bezug auf die Festlegung von Wichtungsfaktoren für die Dosisgrößen des Strahlenschutzes. Von besonderer Bedeutung ist dabei der niedrige Dosis- und Dosisleistungsbereich, in dem deterministische Schäden praktisch nicht auftreten. Hier stehen die stochastischen Schäden, d. h. die Tumorinduktion und die genetischen Schäden, im Vordergrund, die Letzteren allerdings mit geringerem Anteil, da die Wahrscheinlichkeit eines derartigen Schadens erheblich kleiner ist als die der Tumorinduktion. Auch Augenkatarakte, obwohl sie zumeist zu den deterministischen Schäden gezählt werden, werden in diesem Zusammenhang betrachtet.

Die hier vorgelegte Stellungnahme der SSK einschließlich der wissenschaftlichen Begründung diente der Prüfung, ob neue wissenschaftliche Erkenntnisse vorliegen, die eine Änderung der Zahlenwerte einzelner Wichtungsfaktoren oder sogar eine Änderung des Systems der Wichtungsfaktoren wünschenswert oder notwendig machen. Die Stellungnahme der SSK richtet sich in erster Linie an die Bundesregierung. Sie wendet sich aber auch an alle Fachleute des Strahlenschutzes sowie die interessierte Öffentlichkeit. Darüber hinaus soll sie einen Beitrag zur Diskussion in nationalen und internationalen Gremien leisten.

2 Begriffe

In der experimentellen Forschung wird die unterschiedliche Wirkung verschiedener ionisierender Strahlungen durch die "relative biologische Wirksamkeit" (RBW) beschrieben. Die RBW ist der Quotient aus den Energiedosen, die bei der Referenzstrahlung und der untersuchten Strahlung zu einem quantitativ gleichen biologischen Effekt führen. Die RBW-Werte hängen von dem untersuchten biologischen Objekt und dem biologischen Endpunkt (Art der biologischen Reaktion) ab; sie können daher für eine gegebene Strahlung durchaus verschiedene Werte annehmen. Für die Festlegung von Strahlungs-Wichtungsfaktoren sind vor allem RBW-Werte für die Karzinogenese von Bedeutung. Da diese aus epidemiologischen Untersuchungen unmittelbar für den Menschen nichtbekannt sind, spielen hier RBW-Werte aus Tierversuchen eine entscheidende Rolle.

Die Referenzstrahlung für RBW-Angaben ist nicht weltweit einheitlich festgelegt. Vielmehr sind als Referenzstrahlungen sowohl harte Röntgenstrahlung als auch ⁶⁰Co-Gammastrahlung im Gebrauch. Da zwischen diesen beiden Photonenstrahlungen, ja bereits zwischen verschieden stark gefilterten harten Röntgenstrahlungen gleicher Röhrenspannung, erhebliche biologische Wirkungsunterschiede bestehen können, muss bei allen RBW-Angaben die jeweilige Referenzstrahlung angegeben werden.

Sind die Kurven, die die Dosis-Wirkungs-Beziehungen für die untersuchte Strahlung und für die Referenzstrahlung darstellen, unterschiedlich gekrümmt (z.B. lineare Beziehung für Neutronen und linear-quadratische Beziehung für Gammastrahlung als Referenzstrahlung), so wird die RBW dosisabhängig. Einen maximalen RBW-Wert erhält man im Grenzfall sehr niedriger Dosen. Die RBW_M ist dann das Verhältnis der Anfangssteigungen beider Dosis-Wirkungs-Beziehungen.

Für den Strahlenschutz hat man zum einen Dosisgrößen definiert, mit denen auf der Basis von strahlenbiologischen Erkenntnissen und Risikoüberlegungen Dosisgrenzwerte für die Exposition von Organen und des gesamten Körpers festgelegt werden können ("Körperdosisgrößen", z.B. die effektive Dosis E). Zum anderen wurden Dosisgrößen geschaffen, die für Messungen im Rahmen der Strahlenschutz-Überwachung geeignet sind ("Dosis-Messgrößen", z.B. für die Ortsdosimetrie die Umgebungs-Äquivalentdosis H* (10)).

Diese Größen gelten für alle ionisierenden Strahlungen. Der unterschiedlichen Wirksamkeit verschiedener Strahlungen hat man dadurch Rechnung getragen, dass man die dem Gewebe bzw. dem gewebeäquivalenten Material zugeführte Energiedosis mit einem entsprechenden Bewertungsfaktor multipliziert. Als Bewertungsfaktoren hat die ICRP 1991 für die Körperdosisgrößen den Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R und für die Messgrößen den Qualitätsfaktor Q(L) empfohlen. Dabei ist das lineare Energieübertragungsvermögen L (oft auch mit LET bezeichnet) eine Kenngröße für die Strahlungsqualität.

Der Strahlungs-Wichtungsfaktor WR bewertet die biologische Wirksamkeit der jeweiligen Strahlung relativ zu der von Photonenstrahlung. Sein Wert orientiert sich an den RBW-Werten für stochastische Effekte. Bei äußerer Exposition des Körpers bezieht er sich auf die in den Körper einfallende Strahlung, bei innerer Exposition auf die von inkorporierten Radionukliden emittierte Strahlung.

Der Qualitätsfaktor Q(L) für die Dosis-Messgrößen entspricht dem Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R bei den Körperdosisgrößen. Er ist eine auf das Strahlungsfeld an dem betrachteten Punkt im Körper, an dem die Dosis erzeugt wird, und nicht auf die von außen in den Körper einfallende Strahlung bezogene Größe.

3 Allgemeine Empfehlungen

3.1 Abgrenzung zwischen Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R und Risikoabschätzungen

Die SSK betont den grundlegenden Unterschied zwischen den Aufgaben der Grenzwertsetzung im Rahmen des praktischen Strahlenschutzes und der pro- oder retrospektiven Risikoabschätzung. Während bei der Expositionsbegrenzung wegen des anzuwendenden Prinzips der Konservativität und Praktikabilität auf sehr detaillierte Regelungen verzichtet werden kann, gilt dies nicht für die im Einzelfall durchzuführende Risikoabschätzung. Natürlich beruht auch die Grenzwertsetzung im Strahlenschutz auf Risikoüberlegungen; sie muss sich jedoch auf durchschnittliche Werte für die gesamte Bevölkerung beziehen, was notwendigerweise zu Vereinfachungen führt.

In Anbetracht der Unsicherheiten bei den zugrundeliegenden tierexperimentellen Daten, und um das Regulationssystem des Strahlenschutzes praktikabel zu halten, kann auf eine weitgehende Differenzierung der w_R-Werte verzichtet werden. Die gegenwärtige grobe Abstufung der w_R-Werte ist zur Berücksichtigung der unterschiedlichen ionisierenden Strahlungen im Rahmen der Expositionsbegrenzung durch Grenzwerte der Organ- und Effektivdosis ausreichend. Andererseits entspricht die grobe Einteilung der w_R -Werte nicht den Genauigkeitsansprüchen, die bei retrospektiven oder prospektiven Risikoabschätzungen für einzelne Strahlenexponierte oder bestimmte Expositionsgruppen anzulegen sind; hier muss der Wirksamkeit der jeweiligen Strahlung unter Berücksichtigung des Organs, des Alters und Geschlechts durch möglichst genaue RBW-Werte für die stochastischen Strahlenwirkungen Rechnung getragen werden.

3.2 Orientierung der w_R -Werte an tierexperimentellen RBW-Werten

Die in vitro ermittelten RBW-Werte können wegen der bei der Einzelzelle fehlenden systemischen Einflüsse (z.B. Versagen der Immunabwehr, klonale Expansion, Angiogenese sowie Geschlechts- und Alterseinflüsse) nicht direkt auf die Karzinogenese in einem Organismus übertragen werden. Daher sind für die Karzinogenese beim Menschen - solange keine epidemiologisch gewonnenen RBW-Werte zur Verfügung stehen - in erster Linie die aus Tierversuchen abgeleiteten RBW-Werte von Bedeutung. In vitro durchgeführte RBW-Untersuchungen liefern jedoch wichtige theoretische Erkenntnisse für den Strahlenschutz. Dort beobachtete Unterschiede sind grundsätzlich als Hinweis auf eventuell bei der Karzinogenese bestehende unterschiedliche Wirksamkeiten zu werten. Sie können auch Anhaltspunkte für Wirkungsmechanismen der strahleninduzierten Karzinogenese und für Modelle zum Verlauf der Dosis-Wirkungs-Beziehung für stochastische Strahlenwirkungen im Bereich niedriger Dosen liefern.

3.3 Berücksichtigung des Dosisanteils der im Körper erzeugten Sekundärstrahlungen

Bei der Festlegung von w_R -Werten für die von außen in den menschlichen Körper einfallenden Strahlungen ist zu beachten, dass die mit diesen Strahlungen im Tierversuch ermittelten RBW-Werte für die Karzinogenese aus physikalischen Gründen nicht unmodifiziert auf den menschlichen Körper übertragen werden können: Anders als beim kleinen Versuchstier liegt beim menschlichen Körper ein u. U. großer Dosisanteil einer im Körper erzeugten Sekundärstrahlung vor, deren biologische Wirksamkeit sich von der der einfallenden Primärstrahlung wesentlich unterscheidet, bei Neutronen z.B. die Einfang-Gammastrahlung, bei Photonen die Photonen-Streustrahlung. Bei der Festlegung der für den menschlichen Körper geltenden w_R -Werte müssen daher die Dosisanteile der Sekundärstrahlungen mit ihrer spezifischen RBW berücksichtigt werden (siehe 3.4 und 4.2.2).

3.4 Mittelung über die Referenzstrahlungen bei der Festlegung der w_R -Werte

Die Festlegung der gegenwärtig empfohlenen Zahlenwerte des Wichtungsfaktors w_R in ICRP 60 ist an tierexperimentellen RBW-Werten für die Tumorbildung orientiert, wobei als Referenzstrahlung nicht eine bestimmte Photonenstrahlung diente, sondern über Röntgen- und Gammastrahlung als Referenzstrahlungen gemittelt wurde. Hierdurch erklären sich die gewählten Zahlenwerte von w_R für Neutronen und andere dicht ionisierende Strahlungen. Die Mittelung über die Referenzstrahlungen geht historisch auf den Vereinfachungsgrundsatz der ICRP zurück; sie kann aber auch mit dem hohen Dosisanteil der im menschlichen Körper entstehenden, gegenüber der einfallenden Photonenstrahlung zu kleineren Energien hin verschobenen Streustrahlung begründet werden (siehe 3.3). Die SSK empfiehlt, dieses Konzept bezüglich der Referenzstrahlung beizubehalten.

3.5 Strahlungs-Wichtungsfaktoren und Qualitätsfaktoren

Die Strahlungs-Wichtungsfaktoren w_R werden für die von außen in den Körper einfallenden oder aus inkorporierten Radionukliden emittierten Strahlungen angegeben, während sich die Q(L)-Werte aus dem LET-Spektrum an jedem Punkt im bestrahlten Material ergeben. Es stellt sich die Frage nach der physikalischen und biologischen Konsistenz dieses Bewertungssystems.

Die Verwendung von w_R zur Berechnung der Körperdosen und somit zur Festlegung von Dosisgrenzwerten stellt ein einfaches Konzept dar, das den Sicherheitsanforderungen im Strahlenschutz entspricht. Andererseits ist bei den auf der ICRU-Kugel und dem Qualitätsfaktor Q(L) basierenden Messgrößen der Strahlenschutztechnik, der Orts- und Personendosis, das Argument des richtigen Messens wichtig. Da eine langjährige Stabilität des Systems von Größen und Einheiten ein bedeutender sicherheitsrelevanter Faktor ist, wird mit Rücksicht auf die Strahlenschutzpraxis empfohlen, das durch ICRP 60 eingeführte und inzwischen gesetzlich festgelegte Begriffssystem mit den Wichtungsfaktoren w_R und Q(L), unbeschadet notwendiger Korrekturen bei einzelnen Zahlenwerten, beizubehalten.

Dabei besteht allerdings die Gefahr einer divergenten weiteren Entwicklung der Bewertungsfaktoren w_R und Q(L). Die strahlenbiologische Konsistenz der beiden Konzepte, insbesondere der gemeinsame Bezug auf das im Körper vorhandene Strahlungsfeld, muss gewahrt bleiben. Ebenso ist wichtig, dass die Körperdosisgrößen und die Messgrößen numerisch konsistent sind.

3.6 Vereinheitlichung von RBW-Werten für die Risikoabschätzung

Im Hinblick auf die Berücksichtigung der unterschiedlichen Wirksamkeit der ionisierenden Strahlungen bei Risikoabschätzungen weist die SSK nicht nur auf den langfristig bestehenden und schwer zu behebenden Mangel an epidemiologisch gewonnenen RBW-Daten für stochastische Strahlenwirkungen hin. Auch hinsichtlich tierexperimentell gewonnener RBW-Werte besteht noch Ergänzungsbedarf, besonders bei weichen Röntgenstrahlungen und hochenergetischen Neutronen. Ein Problem eigener Art ist die bisher bestehende Willkür bei der gutachtlichen Berücksichtigung der unterschiedlichen Wirksamkeit ionisierender Strahlungen, z.B. die mitunter ungenügende Unterscheidung der Wertigkeit der aus Tierexperimenten und der aus In-vitro-Experimenten gewonnenen RBW-Werte und die ungenügende Berücksichtigung der im Körper entstehenden Sekundärstrahlungen bei der Übertragung tierexperimenteller RBW-Werte auf den Menschen. Die SSK empfiehlt deshalb, einheitliche Gesichtspunkte für die Berücksichtigung der zwischen den ionisierenden Strahlungen bestehenden Wirksamkeitsunterschiede zur Verwendung bei Risikoabschätzungen zu entwickeln.

4 Spezielle Empfehlungen

4.1 Locker ionisierende Strahlungen

Als locker ionisierende Strahlungen bezeichnet man Strahlungen, bei denen die entlang der Bahnen ionisierender Teilchen im Gewebe erzeugten Ionen relativ große Abstände voneinander haben (geringe Ionisierungsdichte, niedriges LET). Dazu gehören insbesondere Photonen und Elektronen.

4.1.1 Evidenz für bestehende RBW-Unterschiede

Im Gesamtbereich der locker ionisierenden Strahlungen ändert sich die auf ⁶⁰Co-Gammastrahlung oder energiereiche Elektronen bezogene RBW, wie bereits in ICRP 60 festgestellt, mit der Ionisierungsdichte. Bei In-vitro-Untersuchungen (Chromosomenaberrationen, neoplastische Zelltransformation, Mutationen) werden für weiche Röntgenstrahlungen im Vergleich zu ⁶⁰Co -Gammastrahlung RBW-Werte bis zu etwa 7 gefunden; für harte Röntgenstrahlung im Vergleich zu ⁶⁰Co-Gammastrahlung liegen die RBW-Werte bei 2 bis 3. Hinsichtlich der Karzinogenese im Tierversuch kann als indirektes Ergebnis von RBW-Studien über Neutronen im Vergleich zu verschiedenen Bezugsstrahlungen auf eine RBW von etwa 2 bis 3 für harte Röntgenstrahlung, bezogen auf ⁶⁰Co-Gammastrahlung, geschlossen werden. Die in Tierversuchen ermittelten RBW-Werte von Tritium-Betastrahlung im Vergleich zu ⁶⁰Co-Gammastrahlung für Endpunkte wie Letalität, Fertilitätsstörungen und Keimbahnmutationen entsprechen denen einer 80 kV-Röntgenstrahlung. Tierversuche zur unmittelbaren Beobachtung von RBW-Unterschieden zwischen den locker ionisierenden Strahlungen hinsichtlich der Karzinogenese, insbesondere zwischen weicher und harter Röntgenstrahlung, fehlen bisher. Untersuchungen hierzu werden von der SSK dringend empfohlen. Epidemiologische Untersuchungen erlauben bezüglich der Tumorinduktion beim Menschen bisher keine Aussage zur relativen biologischen Wirksamkeit zwischen verschiedenen locker ionisierenden Strahlungen; sie geben keinen Anhaltspunkt für eine erhöhte Wirksamkeit von weicher Röntgenstrahlung gegenüber harter Gammastrahlung.

4.1.2 Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R = 1 für locker ionisierende Strahlungen

In Abwägung der aus einigen Experimenten bereits bekannten Wirksamkeitsunterschiede zwischen energiereicher Gammastrahlung, harten und weichen Röntgenstrahlungen sowie Tritium-Betastrahlung gegenüber den im Strahlenschutz aus Praktikabilitätsgründen erforderlichen Vereinfachungen empfahl die ICRP 1991 für alle locker ionisierenden Strahlungen einen einheitlichen Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R = 1. Zur Begründung hob sie hervor, dass es für den praktischen Strahlenschutz ausreicht, wenn die Wirksamkeitsunterschiede zwischen den ionisierenden Strahlungen bei den Körperdosen und damit bei der Expositionsbegrenzung mit Hilfe des Strahlungs-Wichtungsfaktors näherungsweise berücksichtigt werden, während es bei der quantitativen Risikoabschätzung im Einzelfall oder für spezielle Expositionsgruppen darauf ankommt, diesen Unterschieden durch möglichst genaue RBW-Werte Rechnung zu tragen (siehe Abschnitt 3.1).

Aus den heute vorliegenden epidemiologischen Daten zur Karzinogenese können in Anbetracht der vielgestaltigen übrigen Einflussfaktoren und der statistischen Schwankungen keine Hinweise für oder gegen das Bestehen von RBW-Unterschieden zwischen den locker ionisierenden Strahlungen abgeleitet werden. Nach dem heutigen Kenntnisstand aus Tierversuchen variiert die RBW für die Karzinogenese zwischen energiereicher Gammastrahlung, harter und weicher Röntgenstrahlung sowie Tritium-Betastrahlung etwa um einen Faktor zwei nach oben und unten. In-vitro-Experimente demonstrieren, wenn auch nicht unmittelbar auf die Karzinogenese beim Menschen übertragbar, ebenfalls RBW-Unterschiede zwischen den locker ionisierenden Strahlungen (siehe Abschnitt 4.1.1). Bei der Übertragung der RBW-Daten von kleinen Tieren auf den Menschen und bei der Beurteilung von RBW-Daten aus In-vitro-Experimenten muss berücksichtigt werden, dass sich bei Photonen infolge der Streustrahlung das Strahlungsfeld im menschlichen Körper von dem in kleinen Objekten erheblich unterscheidet. Dieser Effekt bewirkt, dass beim menschlichen Körper der RBW-Unterschied zwischen ⁶⁰Co-Gammastrahlung und Röntgenstrahlung geringer ist, als er sich in den unmittelbaren Ergebnissen von Untersuchungen an kleinen Versuchstieren und einzelnen Zellen zeigt.

Der nicht auszuschließenden Möglichkeit von RBW-Unterschieden für die Karzinogenese beim Menschen steht in dem großen Anwendungsbereich der locker ionisierenden Strahlungen auch heute die Notwendigkeit gegenüber, durch möglichst einfache Regeln auf die Praktikabilität des Strahlenschutzes, d. h. die praktische Umsetzung der Expositionsbegrenzung und die Strahlenschutzmesstechnik, Rücksicht zu nehmen. Man muss berücksichtigen, dass eine Veränderung des Strahlungs-Wichtungsfaktors für Photonenstrahlungen notwendigerweise auch eine entsprechende Anpassung des Qualitätsfaktors Q(L) nach sich ziehen müsste und sich auch Konsequenzen für die Bewertung von Elektronenstrahlung ergäben. Zudem spielen niedrige Photonenenergien bei externer Exposition von beruflich strahlenexponierten Personen nur eine relativ geringe Rolle. Die Strahlung ist leicht abschirmbar und auf Grund ihrer geringen Eindringtiefe sind im Wesentlichen nur oberflächennahe Gewebe betroffen. Außerdem überschätzt die bei Messungen angewandte Ortsdosis-Messgröße H*(10) die effektive Dosis Ein dem Photonenenergiebereich von 10 keV bis 40 keV erheblich, da sich die Messgröße auf die Dosis in 10 mm Tiefe bezieht, die effektive Dosis dagegen über den ganzen Körper mittelt.

In einer Gesamtbewertung dieser Gegebenheiten unter Sicherheitsgesichtspunkten empfiehlt die SSK, auch künftig an der Festlegung w_R = 1 und dementsprechend Q = 1 für die locker ionisierenden Strahlungen festzuhalten. Bei dieser Vereinfachung wird der Schutzfunktion der Strahlenschutzmetrologie und der Körperdosis-Grenzwerte hinreichend Rechnung getragen. Die SSK weist jedoch mit Nachdruck darauf hin, dass der Anwendungsbereich des Wichtungsfaktors w_R = 1 auf die Expositionsbegrenzung beschränkt ist. Für die pro- oder retrospektive quantitative Risikoabschätzung im Einzelfall oder bei bestimmten Expositionsgruppen, z.B. bei beruflicher Strahlenexposition an Störstrahlern, die weiche Röntgenstrahlung emittieren, oder bei medizinischer Strahlenexposition mit weicher Röntgenstrahlung, ist der Faktor w_R weder vorgesehen noch geeignet. Vielmehr werden hierfür neben den alters-, geschlechts- und organspezifischen Risikokoeffizienten möglichst genaue RBW-Werte benötigt, falls eine Risiko-Umrechnung von einer Strahlungsqualität auf eine andere notwendig ist. Die SSK weist auch darauf hin, dass zum Schutz des Patienten bei der medizinisch-diagnostischen Strahlenexposition der Rechtfertigungs- und Optimierungsgrundsatz zur Anwendung kommt. Daher gelten hier keine Grenzwerte der Organ- oder Effektivdosis, in die der Faktor w_R eingeht.

4.1.3 Risikoabschätzung für exponierte Personengruppen

Werden für retrospektive oder prospektive Risikoabschätzungen im Einzelfall oder für exponierte Personengruppen die aus Expositionen mit hochenergetischer Photonenstrahlung (z.B. Atombombenüberlebende von Hiroshima und Nagasaki) gewonnenen Risikokoeffizienten verwendet, so darf zur Umrechnung auf andere Strahlungsqualitäten, z.B. weiche Röntgenstrahlung, der Wichtungsfaktor w_R = 1 wegen der bewussten Vereinfachungen bei seiner Festsetzung nicht verwendet werden. In speziellen Fällen, z.B. bei der Abschätzung des Brustkrebsrisikos nach Mammographie, stehen für diese Tumorart epidemiologisch gewonnene Risikokoeffizienten zur Verfügung, die bereits mit Röntgenstrahlungen einer mikrodosimetrisch weitgehend ähnlichen Strahlungsqualität gewonnen worden sind. In anderen Fällen muss, soweit möglich, auf RBW-Werte aus Tierversuchen zurückgegriffen werden.

4.2 Neutronen

Die Bewertung von Neutronenstrahlung spielt für den Strahlenschutz bei externer Exposition eine sehr wichtige Rolle. Charakteristisch für Neutronen ist, dass ihre relative biologische Wirksamkeit stark von ihrer Energie abhängt. Für die Ableitung von Strahlungs-Wichtungsfaktoren für Neutronen stehen keine Daten aus epidemiologischen Untersuchungen zur Verfügung. Man stützt sich deshalb im Wesentlichen auf Ergebnisse aus Tierexperimenten zu verschiedenen Endpunkten stochastischer Schäden (Tumorinzidenz bzw. -mortalität, Leukämie, Lebenszeitverkürzung).

4.2.1 Referenz-Photonenstrahlung

RBW-Werte von Neutronen beziehen sich immer auf eine bestimmte Referenz-Photonenstrahlung. Hinsichtlich der tierexperimentellen RBW_M-Werte (maximale RBW-Werte bei niedrigen Dosen), an denen sich die w_R -Werte für Neutronen orientieren sollten, wird jedoch empfohlen, es bei dem bisherigen Verfahren zu belassen, d. h. keine bestimmte Photonenenergie (z.B. 220 kV-Röntgenstrahlung oder ⁶⁰Co -Gammastrahlung) als Referenzstrahlung festzulegen, sondern die relevanten tierexperimentellen RBW_M-Werte über die Referenz-Photonenstrahlungen zu mitteln. Dies entspricht der Festlegung von w_R = 1 für alle Photonen. Eine Fixierung auf eine bestimmte Photonenenergie nur für w_R von Neutronen wäre innerhalb dieses Systems inkonsistent.

4.2.2 Einfluss der sekundären Gammastrahlung im Körper

Die an kleinen Versuchstieren gewonnenen RBW-Werte von Neutronenstrahlungen können nicht unmodifiziert auf den Menschen übertragen werden, weil der Dosisanteil der beim Neutroneneinfang emittierten sekundären Gammastrahlung im menschlichen Körper wegen der wesentlich größeren Körpermasse weitaus höher ist als bei kleinen Tieren. Dies gilt insbesondere im Bereich niedriger Neutronenenergien unterhalb von ca. 1 MeV. Bei der Übertragung von tierexperimentell gewonnenen RBW-Werten auf den Menschen ist zur Berücksichtigung der geringeren relativen biologischen Wirksamkeit der Einfang-Gammastrahlung eine ihrem Dosisanteil entsprechende Absenkung der RBW erforderlich.

4.2.3 Verschiedene w_R -Funktionen

Die in ICRP 60 definierte Doppelgleisigkeit mit zwei verschiedenen w_R -Funktionen für Neutronen (Stufenfunktion und stetige Funktion als Näherung für Rechnungen) hat sich nicht bewährt. Es hat sich gezeigt, dass fast ausschließlich die stetige Funktion verwendet wird. Alle international empfohlenen und allgemein verwendeten Konversionskoeffizienten für Neutronen basieren auf dieser Funktion. Es wird deshalb empfohlen, auf die Stufenfunktion zu verzichten und ausschließlich eine stetige w_R -Funktion für Neutronen zu definieren.

4.2.4 Maximaler Strahlungs-Wichtungsfaktor für Neutronen

Die neueren RBW-Daten aus Tierversuchen bestätigen, dass mit den Strahlungs-Wichtungsfaktoren aus ICRP 60 die Bewertung der Neutronen relativ zu Photonen bisher nicht wesentlich unterschätzt wurde. Im Bereich der Neutronenenergien um 1 MeV, in dem die Neutronen am wirksamsten sind, können insbesondere die Daten aus den Untersuchungen mit Spaltneutrönen herangezogen werden. Der in diesem Bereich bisher verwendete maximale w_R -Wert (20 bei der Stufenfunktion bzw. 22 bei der stetigen Funktion) wird weiterhin als angemessen angesehen.

4.2.5 Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R als Funktion der Neutronenenergie

Für Neutronenenergien oberhalb von ca. 1 MeV gibt es aus den letzten Jahren nur wenige neue RBW-Daten aus Tierexperimenten. Eine Änderung der derzeitigen w_R -Werte bei hohen Neutronenenergien ist daraus nicht abzuleiten. Es wird deshalb empfohlen, bei Neutronenenergien oberhalb von 1 MeV die Werte aus der derzeitigen stetigen Funktion beizubehalten.

Bei Neutronenenergien unterhalb von 1 MeV sollte die im menschlichen Körper durch die Neutronen erzeugte sekundäre Gammastrahlung mit RBW = 1 bewertet werden. Aus strahlenbiologischen Untersuchungen und Rechnungen für ein anthropomorphes Phantom ergibt sich als Korrektur eine Absenkung der w_R -Funktion im Energiebereich unterhalb von 1 MeV.

Unter Berücksichtigung beider Energiebereiche schlägt die SSK für Neutronenstrahlung insgesamt die folgende w_R -Funktion vor:

Ein wichtiges Anliegen einer Arbeitsgruppe der ICRP zur Thematik der RBW und zu den Wichtungsfaktoren Q(L) und w_R ist die deutliche Verknüpfung der w_R -Werte mit der Funktion Q(L) (der Bericht wurde im Dezember 2003 als ICRP Publication 92 publiziert). Bei Neutronenexposition des menschlichen Körpers kann der Dosisbeitrag der Einfang-Gammastrahlung auch auf dem Wege über das LET-Spektrum in den Körperorganen bei der Festlegung der w_R -Werte korrekt berücksichtigt werden. Hieraus resultiert ein ähnlicher Vorschlag für eine Absenkung von w_R bei Neutronenenergien unterhalb 1 MeV wie in der vorliegenden Empfehlung der SSK; die beiden Vorschläge kommen somit auf verschiedenen Wegen zu einem weitgehend ähnlichen Ergebnis.

4.2.6 Qualitätsfaktor und Dosis-Messgrößen

Die Dosis-Messgrößen für den Strahlenschutz - bestimmt für Messungen bei externer Exposition - basieren auf der Äquivalentdosis mit dem Qualitätsfaktor Q. Die Dosis-Messgrößen sind so definiert, dass sie unter den verschiedenen Expositionsbedingungen einen konservativen Schätzwert für die effektive Dosis bzw. die Hautdosis liefern.

Die vorgeschlagenen Änderungen von w_R für Neutronen führen zu einer Änderung des Wertes der effektiven Dosis. Es war zu prüfen, ob dies Änderungen bei den derzeitigen Messgrößen notwendig macht. Dies ist nicht der Fall. Die Messgrößen liefern auch mit den vorgeschlagenen neuen Strahlungs-Wichtungsfaktoren eine konservative Abschätzung für die Organdosen und die effektive Dosis. Deshalb wird empfohlen, die Q(L)-Funktion nicht zu ändern und die derzeitige Definition der Dosis-Messgrößen beizubehalten.

4.3 Protonen, Alphateilchen und schwere Ionen

Protonen und schwerere geladene Kerne spielen im terrestrischen Strahlenschutz eine vergleichsweise untergeordnete Rolle. Eine Ausnahme bilden lediglich Alphateilchen, da die Inkorporation von α-emittierenden Radionukliden zu einem erheblichen Risiko führen kann. Eine vergleichende Bewertung stößt jedoch auf Schwierigkeiten, da sie eine genaue Ermittlung der Energiedosis im betroffenen Organ nach einer Inkorporation voraussetzt. Dies ist in der Regel nur an Hand von Rechnungen unter Zuhilfenahme dosimetrischer Modelle möglich. Im Einzelfall können die Dosen daher mit großen Unsicherheiten behaftet sein. Dies ist einer der Gründe, warum epidemiologische Daten aus Untersuchungen menschlicher Populationen für eine vergleichende Bewertung praktisch nicht herangezogen werden können. Abschätzungen müssen daher von In-vitro-Untersuchungen ausgehen, deren Übertragbarkeit auf den Menschen naturgemäß begrenzt ist.

Protonen, Alphateilchen und schwerere Kerne sind für das Strahlenrisiko bei der bemannten Raumfahrt von entscheidender Bedeutung, Protonen bilden auch eine Komponente des Strahlungsfeldes bei Flügen in größerer Höhe. Abschätzungen der biologischen Wirksamkeit sind somit auch von praktischer Relevanz. Sie basieren vor allem auf In-vitro-Experimenten, da die Zahl tierexperimenteller Studien äußerst gering ist.

4.3.1 Strahlungs-Wichtungsfaktor für Protonen

Protonen zeigen im praktisch relevanten Energiebereich oberhalb von 10 MeV in der Regel im Vergleich zu Gammastrahlung RBW-Werte, die den Wert 2 nicht signifikant übersteigen. Der bisher von der ICRP empfohlene Wert von 5 ist insbesondere für hoch-energetische Protonen, die z.B. in Strahlungsfeldern in Flughöhen und im Weltraum auftreten, eindeutig zu hoch und aus Tierexperimenten nicht ableitbar. Auch aus dem über die Protonenbahn gemittelten Qualitätsfaktor 'Q ergeben sich niedrigere Werte. Die SSK empfiehlt deshalb, den Strahlungs-Wichtungsfaktor für alle Protonen von 5 auf 2 abzusenken.

4.3.2 Strahlungs-Wichtungsfaktor für Alphateilchen

Die RBW-Werte für Alphateilchen im Vergleich zu Röntgen- und Gammastrahlung weisen - je nach Endpunkt und Objekt - erhebliche Streuungen auf. Maximalwerte von 20 und mehr wurden vor allem in Tierstudien gefunden. Sie sind jedoch mit erheblichen dosimetrischen Unsicherheiten behaftet. RBW-Werte aus In-vitro-Untersuchungen sind in der Regel deutlich niedriger. Unter Würdigung aller vorliegenden Daten ist der derzeitige Wichtungsfaktor von 20 als konservativ einzuschätzen. Eine Änderung wird nicht empfohlen.

4.3.3 Strahlungs-Wichtungsfaktoren für schwere Ionen

Die RBW schwerer geladener Ionen im Vergleich zu Röntgen- und Gammastrahlung übersteigt nicht die Maximalwerte der RBW für Alphateilchen. Im Falle sehr hoher LET-Werte zeigt sich ein deutlicher Abfall der RBW; eine durchgängige Anwendung eines Wichtungsfaktors von 20 führt hier zu einer nicht unerheblichen Risikoüberschätzung. Ersatzweise kann die Q-L-Beziehung benutzt werden, die mit den strahlenbiologischen Daten kompatibel ist. Mutationsuntersuchungen deuten allerdings darauf hin, dass im Bereich sehr hohen LETs die RBW deutlich stärker abfällt als die Q(L)-Funktion angibt.

5. Schlussbemerkungen

Die SSK sieht in der Kontinuität von Strahlenschutzregelungen einen hohen Wert. Zu häufige konzeptionelle Änderungen bergen die Gefahr des Akzeptanzverlustes und der Verunsicherung der Anwender in sich und wären daher für den Strahlenschutz kontraproduktiv. Veränderungen müssen aber vorgenommen werden, wenn neue wissenschaftliche Erkenntnisse dies notwendig machen oder wenn bisherige Regelungen sich als nicht praxistauglich erwiesen haben und damit die Durchführung des praktischen Strahlenschutzes gefährdet würde.

In Bezug auf die vergleichende Bewertung der biologischen Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen empfiehlt die SSK daher, an dem jetzigen System festzuhalten, das auf Strahlungs-Wichtungsfaktoren w_R für die Körperdosen und damit für die Dosisgrenzwerte sowie auf Qualitätsfaktoren Q(L) für die Dosis-Messgrößen beruht. Lediglich für Neutronen und Protonen werden numerische Anpassungen der w_R -Werte empfohlen.

Die SSK betont, dass die Wichtungsfaktoren der Strahlenschutzgrößen nicht für die Risikoabschätzung im Falle exponierter Personen oder Personengruppen bestimmt sind. Sie empfiehlt in diesen Fällen eine spezifische, an der aktuellen Expositionssituation orientierte Risikoabschätzung auf der Basis der hierfür verfügbaren wissenschaftlichen Daten. Die SSK sieht die Notwendigkeit, hierfür geeignete, allgemein akzeptierte Verfahren zu entwickeln, deren Qualität durch kontinuierliche Evaluierung sicher zu stellen ist.

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1 Vorbemerkungen

Die SSK-Empfehlung "Vergleichende Bewertung der biologischen Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen" befasst sich mit den für den Strahlenschutz relevanten Wirksamkeitsunterschieden zwischen den einzelnen Strahlungsarten, den Photonen, Elektronen, Neutronen und schweren Ionen, sowie zwischen den einzelnen Strahlungsqualitäten, d. h. den Teilchenenergien und -energiespektren. Die ICRP hat in ihrer Empfehlung Nr. 60 [ICRP 91] zur vergleichenden Bewertung verschiedener ionisierender Strahlungen im praktischen Strahlenschutz den Wichtungsfaktor w_R vorgeschlagen, der zahlenmäßig in die Definition der Körperdosen, d. h. in die effektive Dosis und die Organdosen, und damit in die Dosisgrenzwerte für externe und interne Strahlenexposition eingeht. Die zur Zeit geltenden Zahlenwerte von w_R wurden in ICRP 60 [ICRP 91] festgelegt und in die Strl-SchV übernommen. Sie werden heute erneut diskutiert [CLA 99]. Entsprechendes gilt für den in der Strahlenschutz-Messtechnik verwendeten Wichtungsfaktor Q(L), d. h. den vom linearen Energieübertragungsvermögen L abhängigen Qualitätsfaktor. Zur Diskussion steht auch generell die Frage, ob das Konzept von ICRP 60 beibehalten werden soll, nach dem die Wichtungsfaktoren w_R für bestimmte von außen oder aus inkorporierten Radionukliden in die Körpergewebe einfallende Strahlungsarten und -qualitäten angegeben werden, während sich die Q(L)-Werte auf das LET-Spektrum an jedem Punkt im bestrahlten Material beziehen.

Vorschläge für die Beibehaltung oder die Änderung von w_R -Werten auf der Basis des inzwischen erreichten Erkenntnisstandes sollten von einem gründlichen Verständnis für die Begründung der bisherigen Empfehlungen einschließlich der verwendeten Näherungen und Vereinfachungen ausgehen. Wichtig ist auch das Verständnis für den eingeschränkten Anwendungsbereich des Wichtungsfaktors w_R als Instrument zur Formulierung der Dosisgrenzwerte, jedoch in Abgrenzung zu dem Bereich der prospektiven oder retrospektiven Risikoabschätzungen im Einzelfall oder für bestimmte Personengruppen, in dem eine wesentlich genauere, Organ-, geschlechts- und altersspezifische Berücksichtigung von Wirksamkeitsunterschieden erforderlich ist. Voraussetzungen für eine verständliche und nachprüfbare Diskussion dieser Fragen sind zudem die klare Definition der verwendeten Begriffe, das Verständnis der für den Strahlenschutz relevanten biologischen Wirkungen und der Einblick in die bisherigen theoretischen Erkenntnisse über die Ursachen der Wirksamkeitsunterschiede.

Die im Folgenden dargestellte wissenschaftliche Begründung bildet die Basis für die Empfehlung "Vergleichende Bewertung der biologischen Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen". Sie richtet sich im Umfang und Detaillierungsgrad, gestützt durch strahlenbiologische und epidemiologische Grundlagenliteratur, an die in Deutschland für den Strahlenschutz zuständigen Behörden und die im Strahlenschutz engagierten Fachkreise. Der Schwerpunkt der Darstellung liegt bei den stochastischen Wirkungen externer Strahlenexpositionen.

Im einführenden Kapitel 2 "Grundlagen und Begriffe" werden diejenigen biologischen Strahlenwirkungen rekapituliert, bei denen auf der Ebene der Einzelzelle, des Tierexperiments oder der epidemiologischen Risikoermittlung eine unterschiedlich starke Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen im Hinblick auf stochastische Strahlenwirkungen beobachtet worden ist. Anhand der Dosis-Wirkungs-Beziehungen wird die in der Strahlenbiologie gebräuchliche Kenngröße dieser Wirksamkeitsunterschiede, die "Relative Biologische Wirksamkeit" (RBW), erläutert, und es wird auf die Bedeutung der Wahl der "Referenzstrahlung", auf die Dosisabhängigkeit der RBW und die Problematik der Übertragung experimentell gewonnener RBW-Werte auf das Strahlenrisiko beim Menschen hingewiesen. Dieses biologische Bild wird ergänzt durch einen Abriss der heute üblichen Charakterisierung der "Strahlungsqualität" durch biophysikalische Kenngrößen der Bahnen der ionisierenden Teilchen im Gewebe, z.B. das lineare Energieübertragungsvermögen, und durch einen Überblick über klassische und aktuelle theoretische Ansätze zu einer Erklärung der beobachteten RBW-Unterschiede durch das Ansprechen der molekularen Wirkungsmechanismen auf Unterschiede in der Teilchenbahnstruktur. Zum Abschluss des Grundlagenkapitels wird geschildert, welche Konzepte entwickelt wurden, um die unterschiedliche biologische Wirksamkeit der verschiedenen ionisierenden Strahlungen im Strahlenschutz zu berücksichtigen. Hierzu werden die von der ICRP empfohlenen Wichtungsfaktoren w_R und Q(L) und die mit ihnen gewichteten Dosisgrößen erläutert, mit deren Hilfe unter Berücksichtigung der zwischen den ionisierenden Strahlungen bestehenden Wirksamkeitsunterschiede eine einheitliche Formulierung der Dosisgrenzwerte und eine einheitliche Definition der Messgrößen der Dosisüberwachung geschaffen worden ist.

Die anschließenden Kapitel 3 - 5 sind der vergleichenden Bewertung der wichtigsten Arten der locker ionisierenden Strahlungen (Photonen und Elektronen) und der dicht ionisierenden Strahlungen (Neutronen, Protonen, Alphateilchen und schwerere Ionen) gewidmet. In jedem dieser Kapitel wird, gegliedert nach Untersuchungen an Einzelzellen, Tierexperimenten und epidemiologischen Bobachtungen, der gegenwärtige Erkenntnisstand zur Höhe der RBW-Werte für stochastische Strahlenwirkungen und deren Vorstufen geschildert. Sodann wird beschrieben, ob und inwieweit diese Unterschiede zur Zeit im Strahlenschutz durch unterschiedliche Zahlenwerte der Wichtungsfaktoren berücksichtigt werden. Insbesondere wird untersucht, welche Näherungen und Mittelungen in dieses Zahlenwerk eingegangen sind, welche Anwendungsgrenzen dieser Wichtungsfaktoren bestehen, und inwieweit nach gegenwärtigem Erkenntnisstand numerische Korrekturen an w_R und Q(L) zu empfehlen sind.

Die Schlussfolgerungen der einzelnen Kapitel bilden die Grundlage der SSK-Stellungnahme "Vergleichende Bewertung der biologischen Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen."

2 Grundlagen und Begriffe

2.1 Biologische Strahlenwirkungen

2.1.1 Allgemeines

Wichtige "Endpunkte" strahlenbiologischer Untersuchungen im Zusammenhang mit stochastischen Strahlenwirkungen sind zum einen die zellulären, in vitro erfassbaren Effekte, z.B. Chromosomenaberrationen, Mutationen und die neoplastische Zelltransformation, zum anderen die im Tierversuch beobachtete Krebshäufigkeit nach Strahlenexposition. Ferner wurden in epidemiologischen Studien Kollektive beruflich exponierter Personen (z.B. Uranbergarbeiter), Atombombenüberlebende der Städte Hiroshima und Nagasaki oder Gruppen aus medizinisch-diagnostischen oder -therapeutischen Gründen strahlenexponierter Personen im Hinblick auf die Erhöhung des Krebsrisikos untersucht [UNSC 00].

In jedem Fall wird angestrebt, die Relation zwischen der Dosis und dem untersuchten Effekt - die "Dosis-Wirkungs-Beziehung" - zu ermitteln. Unterschiede in der biologischen Wirksamkeit verschiedener ionisierender Strahlungen können dann durch Vergleich zwischen den Dosis-Wirkungs-Beziehungen quantifiziert werden [ICRU 79]. Dabei werden verschiedene Dosisbereiche und verschiedene Bestrahlungsmodalitäten (akute, protrahierte oder fraktionierte Bestrahlung) betrachtet. Sofern im Bereich niedriger Dosen - d. h. für Dosiswerte, die für den Strahlenschutz relevant sind - keine sicheren Angaben zum Verlauf einer Dosis-Wirkungs-Beziehung gemacht werden können, ist man auf eine Extrapolation der im höheren Dosisbereich beobachtbaren Wirkungen zu kleinen Dosen hin angewiesen.

Als "Dosis" wird in der Strahlenbiologie einheitlich die in dem jeweiligen Gewebe erzeugte Energiedosis (engl.: absorbed dose) bezeichnet. Physikalische Daten zur Ermittlung der Gewebe-Energiedosis wurden von der ICRU zusammengestellt [ICRU 92]. Die im Strahlenschutz verwendeten speziellen Körperdosisgrößen und Messgrößen, in die neben der Energiedosis die Bewertungsfaktoren w_R und Q(L) eingehen, werden im Abschnitt 2.3 erläutert.

2.1.2 Wirkungen auf die Einzelzelle

2.1.2.1 Chromosomenaberrationen

Chromosomenaberrationen vom Deletionstyp (interstitielle Deletion, terminale Deletion) sowie Chromosomenaberrationen vom Austauschtyp (reziproke Translokation, Schwesterchromatidaustausch, Inversion, Insertion) werden als Strukturänderungen des Genoms angesehen, die z.B. durch die Aktivierung von Onkogenen oder die Inhibierung von Suppressorgenen karzinogene Wirkungen haben können bzw. mit solchen assoziiert sind [BEN 84]. Einige Chromosomenaberrationen, wie z.B. dizentrische Chromosomen, sind zytoletal, daher ist mit ihnen keine karzinogene Wirkung verbunden; sie dienen jedoch als experimentell gut zugängliches Modell zum Studium des Mechanismus von Chromosomenaberrationen vom Austauschtyp. Die Messung der Häufigkeit von Chromosomenaberrationen in peripheren Lymphozyten wird auch als Methode zur retrospektiven Dosisermittlung bei strahlenexponierten Personen eingesetzt.

Für locker ionisierende Strahlungen (z.B. Röntgen- oder γ-Strahlung) lässt sich die Dosisabhängigkeit der Häufigkeit von Chromosomenaberrationen pro Zelle, Y(D), in der Regel als linear-quadratische Funktion darstellen:

Y(D) = α · D + β · D².     ( 2.1)

Für dicht ionisierende Strahlungen (z.B. Neutronen mit Energien unterhalb ca. 1 MeV, α-Teilchen oder schwerere Ionen) lässt sich die Dosisabhängigkeit für das Auftreten von Chromosomenaberrationen in der Regel durch eine lineare Beziehung anpassen:

Y(D) = α · D.       ( 2.2)

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