3.5 Rolle der locker ionisierenden Strahlungen als Referenzstrahlungen für Strahlungs-Wichtungsfaktoren und Anwendungsgrenzen von w_R = 1

Die locker ionisierenden Strahlungen spielen bei einer kritischen Diskussion der Festlegung der w_R -Werte eine doppelte Rolle: Einerseits wurden in ICRP 60 [ICRP 91] die w_R -Werte beliebiger Strahlungen, z.B. der Neutronen, an experimentellen RBW-Werten orientiert, bei denen über die Referenzstrahlungen harte Röntgenstrahlung und Gammastrahlung gemittelt worden war, ferner wurde allen locker ionisierenden Strahlungen der einheitliche Wert w_R = 1 zugewiesen. Die zu diesen Festlegungen in ICRP 60 [ICRP 91] gegebenen Begründungen werden im Folgenden wiedergegeben, und es wird diskutiert, ob in diesen Punkten Änderungen notwendig erscheinen. Als besonders wichtig erweisen sich im Rahmen dieser Bewertung die Anwendungsgrenzen des Wichtungsfakors w_R = 1.

3.5.1 Mittelung von experimentellen RBW-Werten über die Referenzstrahlungen

Bei der Festlegung der w_R -Werte beliebiger Strahlungen in ICRP 60 [ICRP 91] suchte sich die ICRP an relevanten RBW-Werten für typische stochastische Effekte bei kleinen Dosen zu orientieren, die aus den Ergebnissen von Tierversuchen und Experimenten auf zellulärer Ebene abgeleitet waren (ICRP 60, § 85). Es war aber bereits bekannt, dass auch zwischen den locker ionisierenden Strahlungen Unterschiede der biologischen Wirksamkeit bestanden, so dass die RBW-Werte der dicht ionisierenden Strahlungen von der Wahl der Referenzstrahlung abhingen. (Typische Beispiele hierfür - nach der heutigen Datenlage enthalten die Tabellen 4.1 bis 4.6 für das Beispiel Neutronenstrahlung.) Hierdurch entstand die Frage der angemessenen Auswahl der Referenzstrahlung für die zur Orientierung zu verwendenden RBW-Werte. Die ICRP entschied sich für den Weg der Vereinfachung ("α substantial degree of simplification is needed"). Dementsprechend zog man bei der Festlegung der w_R -Werte dicht ionisierender Strahlungen nicht deren experimentell gewonnene RBW-Werte in Bezug auf eine bestimmte locker ionisierende Referenzstrahlung, z.B. ⁶⁰Co-Gammastrahlung, zur Orientierung heran, sondern die Festlegung dieser w_R -Werte erfolgte in Anlehnung an geeignete Durchschnittswerte ("appropriate average values") der RBW, die aus Experimenten mit verschiedenen locker ionisierenden Referenzstrahlungen (Röntgen- und Gammastrahlungen) hervorgegangen waren: "The commission has therefore not distinguished between x and gamma radiation and has selected values of the radiation factor (w_R) for other radiations broadly representative of the observed values of RBE relative to either x or gamma radiation" (§ 85) und "The choice for other radiations is based an observed values of the relative biological effectiveness (RBE) regardless of whether the reference radiation is x or gamma radiation" (§ 24). Da über Röntgen- und Gammastrahlungen als Referenzstrahlungen gemittelt wurde, spiegeln die w_R -Werte nicht die speziell durch Bezug auf ⁶⁰Co-Gammastrahlung gewonnenen RBWWerte wider, was für die Beurteilung der Zahlenwerte von w_R, besonders bei Neutronen, wichtig ist, denn aufgrund dieser Mittelung werden keine höheren RBW- und damit w_R -Werte als etwa 20 erreicht.

Aus heutiger Sicht wird gegen diese Mittelung über die Referenzstrahlungen eingewandt, dass die Orientierung der w_R -Werte an tierexperimentellen RBW-Werten, die speziell auf ⁶⁰Co-Gammastrahlung als Referenzstrahlung bezogen sind, vorzuziehen sei, weil auf Gammastrahlung bezogene RBW-Werte auch für die Umrechnung der Risikokoeffizienten der Atombombenüberlebenden von der in Hiroshima und Nagasaki vorherrschenden energiereichen Photonenstrahlung auf andere Strahlungen Verwendung fänden.

Geht man bei der Risiko-Umrechnung von tierexperimentellen, speziell auf Gammastrahlung als Referenzstrahlung bezogenen RBW-Werten aus, wird allerdings der Unterschied in den Streustrahlungsverhältnissen im menschlichen Körper und im Körper eines kleinen Versuchstiers nicht berücksichtigt: Eine einfallende hochenergetische Photonenstrahlung, wie sie in Hiroshima und Nagasaki vorlag, erzeugt im menschlichen Körper bei Ganzkörperexposition ein starkes Streustrahlungsfeld, dessen relativer Dosisbeitrag mit der Tiefe zunimmt und bei Bestrahlung nahe der Körpermitte dem Dosisbeitrag der Primärstrahlung annähernd gleichkommt oder ihn sogar überschreitet [MIL 97, HAR 03a]. Bei der Strahlentherapie mit hochenergetischer Photonenstrahlung ist dies ein allgemein bekannter, unter Berücksichtigung der Feldgröße in die Bestrahlungsplanung eingehender Effekt [NCS 98]. Die durch einfachen und mehrfachen Comptoneffekt [RAJ 26] und durch photoelektrische Absorption der niederenergetisch gewordenen Photonen geprägte spektrale Dosisverteilung des im Körper erzeugten Streustrahlungsfeldes hat bei hochenergetischer Primärstrahlung ein Maximum im Energiebereich unterhalb 250 keV [NIL 75, POP 02]. Bei den in Hiroshima und Nagasaki Exponierten kommt noch der Dosisbeitrag der von außen in den Körper einfallenden Compton-Streustrahlung der Gebäudeteile und des Erdbodens hinzu [HAR 01a].

Bei einem spektralen Gemisch wird die resultierende RBW durch die relativen Dosisanteile aller spektralen Komponenten im Körper bestimmt (Abschnitt 2.2.5). Beispielsweise wurde in einem Experiment mit Chromosomenaberrationen als Endpunkt ein auf die Streustrahlung in einem großen, mit ⁶⁰Co-Gammastrahlung bestrahlten Phantom zurückzuführender Anstieg des Ausbeutekoeffizienten α bemerkt [SCH 02, SCH 03]. Die in ICRP 60 [ICRP 91] vollzogene Mittelung der experimentellen RBW-Werte über harte Röntgenstrahlung und ⁶⁰Co-Gammastrahlung als Referenzstrahlungen kommt daher den RBW-Werten am nächsten, die man bei der Umrechnung von Risikokoeffizienten der Atombombenüberlebenden auf andere Strahlungen anwenden sollte [HAR 01b]. Im Gegensatz dazu sind RBW-Werte aus Tierversuchen oder In-vitro-Experimenten mit ⁶⁰Co-Gammastrahlung als Referenzstrahlung für die Umrechnung der Risikokoeffizienten in physikalischer Hinsicht nicht optimal, weil im Körper von Kleintieren oder in kleinen exponierten Probengefäßen das Streustrahlungsfeld nur schwach ausgeprägt ist. Aus diesen Gründen sind die w_R -Werte, die an den über die Referenzstrahlungen gemittelten RBWWerten orientiert wurden, zu bevorzugen und für künftige Festlegungen angemessen.

3.5.2 Einheitlicher Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R = 1 und seine Anwendungsgrenzen

In Abwägung der seinerzeit bekannten RBW-Unterschiede zwischen den locker ionisierenden Strahlungen gegenüber dem Ziel der Vereinfachung des praktischen Strahlenschutzes hat die ICRP 1991 einen einheitlichen Wert des Strahlungs-Wichtungsfaktors w_R für alle locker ionisierenden Strahlungen festgelegt (§§ 85 und B69 in [ICRP 91]). Im Rahmen der Genauigkeitsanforderungen des praktischen Strahlenschutzes hielt sie damit die Gleichbewertung aller locker ionisierenden Strahlungen aufrecht, die seit einem halben Jahrhundert Bestandteil aller ICRP-Empfehlungen (s. z.B. [ICRP 51]) ist. Durch diese Gleichbewertung werden rechnerische und messtechnische Komplikationen in der Praxis vermieden. Der Zahlenwert w_R = 1 ergab sich aus der Verwendung von Photonenstrahlung (harte Röntgenstrahlung und energiereiche Gammastrahlung) als Referenzstrahlung im Vergleich zu den dicht ionisierenden Strahlungen. Unter Berücksichtigung des gegenwärtigen erweiterten Erkenntnisstandes gilt es erneut, mögliche Wirksamkeitsunterschiede zwischen den locker ionisierenden Strahlungen gegenüber dem Vereinfachungsziel abzuwägen.

Die bei Chromosomenaberrationen und bei der neoplastischen Transformation in vitro beobachteten RBW-Unterschiede zwischen den locker ionisierenden Strahlungen (s. Abschnitt 3.2) lassen sich wegen der fehlenden systemischen sowie Geschlechts- und Alterseinflüsse nicht direkt auf die Karzinogenese im menschlichen Körper übertragen. Da epidemiologische Erkenntnisse über Wirksamkeitsunterschiede zwischen den locker ionisierenden Strahlungen in Anbetracht der vielgestaltigen übrigen Einflussfaktoren und der statistischen Schwankungen nicht vorliegen (s. Abschnitt 3.4), ist zu prüfen, inwieweit für die Karzinogenese im Tierversuch RBW-Unterschiede zwischen den locker ionisierenden Strahlungen erkennbar geworden und auf den menschlichen Körper übertragbar sind. Der zwischen harter Röntgenstrahlung und energiereicher Gammastrahlung an kleinen Versuchstieren beobachtete RBW-Unterschied von etwa 2 bis 3 (s. Abschnitt 3.3) wird bei Übertragung auf den menschlichen Körper durch den unter 3.5.1 bereits beschriebenen physikalischen Effekt vermindert, dass bei energiereicher Primärstrahlung die Photonen-Streustrahlung im Körper, deren Spektrum zu kleineren Energien hin verschoben ist, erheblich zur Dosis beiträgt. Hinsichtlich des Wirksamkeitsunterschieds zwischen harter und weicher Röntgenstrahlung liegen bisher keine Tierexperimente zur Karzinogenese vor. Stellvertretend können tierexperimentelle Vergleiche zwischen Tritium-Betastrahlung und harter Röntgenstrahlung bzw. ⁶⁰Co-Gammastrahlung für Endpunkte wie Fertilitätsstörungen und Mutationen herangezogen werden, die RBW-Werte im Bereich 1 bis 3 ergeben (s. Abschnitt 3.3). Auch hier ist bei Übertragung auf den menschlichen Körper an die Nivellierung der RBW-Unterschiede durch den Dosisbeitrag der Streustrahlung zu erinnern. Bezogen auf harte Röntgenstrahlung als "mittlere" Strahlenqualität liegen somit nach dem heutigen Kenntnisstand im Gesamtbereich der locker ionisierenden Strahlungen für die Karzinogenese im menschlichen Körper keine Hinweise auf eine Variation der biologischen Wirksamkeit um mehr als einen Faktor von etwa 2 nach oben oder unten vor.

Auf der Seite der Strahlenschutz-Metrologie ist bei dieser Abwägung zu berücksichtigen, dass eine Veränderung des Strahlungs-Wichtungsfaktors für Photonenstrahlungen aus prinzipiellen Gründen eine entsprechende Anpassung des Qualitätsfaktors Q(L) nach sich ziehen müsste, wollte man nicht auf jede Korrelation zwischen dem Q(L)- und dem w_R -Konzept verzichten, und dass sich auch Konsequenzen für die Bewertung von Elektronenstrahlung ergeben würden. Eine Änderung von Q(L) hätte unmittelbare Auswirkungen auf die Messgrößen und die Auslegung von Messgeräten. Im Bereich der internen Dosimetrie hätte die Einführung eines energieabhängigen Strahlungs-Wichtungsfaktors für Photonen und Elektronen zur Konsequenz, dass für alle Radionuklide mit erheblichem Aufwand neue Konversionskoeffizienten berechnet werden müssten.

Für den speziellen Fall der externen Exposition von beruflich strahlenexponierten Personen durch Photonen mit niedriger Energie ist zu bedenken, dass diese Strahlung leicht abzuschirmen ist und auf Grund ihrer geringen Eindringtiefe im Wesentlichen nur oberflächennahe Gewebe betroffen sind. Außerdem überschätzt die bei Messungen angewandte Ortsdosis-Messgröße H*(10) die effektive Dosis Ein dem Photonenenergiebereich von 10 keV bis 40 keV erheblich - bis zu einem Faktor 6 bei Bestrahlung von vorne (AP), bei anderen Richtungen (PA, LAT, ISO) noch erheblich höher - da sich die Messgröße auf die Dosis in 10 cm Tiefe bezieht, die effektive Dosis dagegen über den ganzen Körper mittelt. Dies gilt auch für die Personendosisgröße H_p(10), wenn das Dosimeter wie gefordert an einer für die Expositionserfassung repräsentativen Position getragen wird. Im Bereich niedriger Photonenenergien würde also eine Änderung von w_R aus praktischer Sicht keine Änderung des für die Messgrößen relevanten Qualitätsfaktors Q(L) notwendig machen.

Lässt man sich bei der Abwägung zwischen der oben beschriebenen Variationsbreite der biologischen Wirksamkeit der locker ionisierenden Strahlungen und den genannten Gegenargumenten von Akzeptanz- und Sicherheitsgesichtspunkten leiten, so ist ein einheitlicher Wert w_R = 1 und dementsprechend auch Q(L) = 1 für locker ionisierende Strahlungen auch unter Berücksichtigung der heute vorliegenden strahlenbiologischen Ergebnisse vertretbar. Der Schutzfunktion der Dosis-Grenzwerte und der Strahlenschutz-Metrologie wird hierbei ausreichend Rechnung getragen. Eine Änderung dieses Konzepts ist daher nicht notwendig.

Bei den locker ionisierenden Strahlungen muss aber eine sehr wesentliche Beschränkung des Anwendungsbereiches der einheitlichen Festlegung w_R = 1 beachtet werden: Für Abschätzungen des Strahlenrisikos im Einzelfall, z.B. bei der retrospektiven, gutachterlichen Ermittlung der Verursachungswahrscheinlichkeit (engl.: probability of causation) nach Exposition an Störstrahlern, die weiche Röntgenstrahlung emittieren, oder für die prospektive Schätzung des Strahlenrisikos für eine bestimmte exponierte Personengruppe, etwa beim Risiko-Nutzen-Vergleich für die Mammographie, ist der Strahlungs-Wichtungsfaktor nicht vorgesehen. Es bestehen also Grenzen des Anwendungsbereiches von w_R = 1 dadurch, dass der Strahlungs-Wichtungsfaktor entsprechend den von der ICRP bewusst vorgenommenen Vereinfachungen ausschließlich für die Ermittlung der Körperdosen und damit für die praktischen Zwecke der Expositionsbegrenzung eingesetzt wird und gemäß ICRP 60, § 32 [ICRP 91] für Risikoabschätzungen nicht bestimmt ist. Man sollte daher die Festlegungen von ICRP 60 nicht in dem Sinne missverstehen, dass bei Risikoabschätzungen für locker ionisierende Strahlungen von w_R =1 Gebrauch gemacht werden muss; vielmehr sind für Risikoabschätzungen im Einzelfall oder bei bestimmten Expositionsgruppen möglichst genau bekannte RBW-Werte der jeweiligen locker ionisierenden Strahlungen zugrunde zu legen. In diesem Zusammenhang sollte auch erwähnt werden, dass für medizinisch-diagnostische Strahlenanwendungen keine Dosisgrenzwerte gelten. Die in diesem Bereich verwendeten Referenzwerte werden nicht in Einheiten der Strahlenschutzgrößen (mit w_R -Werten), sondern in Einheiten der Energiedosis angegeben.

3.6 Probleme bei der Risikoabschätzung für weiche Röntgenstrahlung

Bei Risikoabschätzungen für Expositionen durch unterschiedliche locker ionisierende Strahlungen steht der Anwendung spezieller RBW-Werte jedoch eine grundsätzliche Schwierigkeit im Wege: Epidemiologisch gewonnene RBW-Werte sind - wie bei allen ionisierenden Strahlungen - bisher nicht vorhanden (s. Abschnitt 3.4), und aus Tierversuchen sind RBW-Werte für Vergleiche innerhalb der Gruppe der locker ionisierenden Strahlungen, bisher nur für harte Röntgenstrahlungen im Vergleich zu energiereicher Gammastrahlung, hervorgegangen (s. Abschnitt 3.3). Sind Risikoabschätzungen für weiche Röntgenstrahlung dennoch unerlässlich, so empfiehlt es sich daher, das RBW-Problem zu umgehen, wie hier am Beispiel der Risikoabschätzung für Expositionen der weiblichen Brust erläutert werden soll.

Würde man bei der Risikoabschätzung für die medizinische Exposition der weiblichen Brust mit diagnostisch verwendeter weicher Röntgenstrahlung (Mammographie) von den durch Untersuchung der Überlebenden von Hiroshima und Nagasaki und daher im Wesentlichen für energiereiche Photonenstrahlung geltenden Risikokoeffizienten ausgehen, so wäre unter Beachtung der starken mikrodosimetrischen Unterschiede (Abschnitt 2.2) und der durch In-vitro-Experimente gewonnenen grundsätzlichen Einsichten (Abschnitt 3.2) eine auf RBW-Werte gestützte Umrechnung der Risikokoeffizienten auf weiche Röntgenstrahlung notwendig. Da die in vitro gewonnenen RBW-Werte nicht zahlenmäßig auf die Karzinogenese beim Menschen übertragen werden dürfen (Abschnitt 2.2.5), macht das Fehlen epidemiologisch oder aus Tierversuchen ermittelter RBW-Werte eine solche Umrechnung jedoch unmöglich.

Es ist daher vorgeschlagen worden [HAR 01a, HAR 01b, SSK 02b], bei Risikoabschätzungen für die medizinische Exposition der weiblichen Brust mit weicher Röntgenstrahlung ohne die Anwendung von RBW-Werten auszukommen. Stattdessen wird empfohlen, von dem Umstand Gebrauch zu machen, dass für die weibliche Brust epidemiologisch erhobene Risikokoeffizienten vorliegen, die durch Untersuchung der Nebenwirkungen medizinisch angewandter Röntgenstrahlungen von 70 bis 85 kV gewonnen worden sind (Tab. 3.3, s. a. [BOI 91, LIT 99, HOW 96, PRE 02, BRE 02]). Im Vergleich zu der hochenergetischen Photonenstrahlung von Hiroshima und Nagasaki ist hierdurch eine engere Annäherung an die Strahlenqualität der Mammographie gegeben. Die aus mikrodosimetrischen Gründen [HAR 01a, HAR 01b] für die in der Mammographie verwendete Röntgenstrahlung von etwa 30 kV erwartete weitere Erhöhung der RBW im Vergleich zu 70 bis 85 kV kann dann als geringfügig angesehen werden. Eine noch genauere Abklärung ist nur mit Hilfe von Tierversuchen zur RBW für das Mammakarzinom möglich.

Bei Risikoabschätzungen, die sich auf geringe Dosen beziehen, ist jedoch neben dem RBW-Problem noch eine weitere Genauigkeitsgrenze zu beachten: Nach heutigem Wissen ist die Proportionalität des Krebsrisikos zur Dosis nur als eine Näherung anzusehen, die bei sehr niedrigen Dosen unsicher ist (siehe Abschnitt 2.4). Nach dem heutigen Stand der Technik liegt die zeitlich gemittelte Strahlenexposition der Brust durch die Mammographie bei zweijährlichen Abständen zwischen den Untersuchungen in 2 Ebenen bei 1,5 mGy (mittlere Parenchymdosis) pro Jahr und damit noch innerhalb der Schwankungsbreite der natürlichen Strahlenexposition dieses Organs im gleichen Zeitraum [HAR 01a, HAR 01b]. Da unbekannt ist, ob die aus epidemiologischen Beobachtungen bei höheren Dosen abgeleiteten Risikokoeffizienten auch im Dosisbereich der natürlichen Strahlenexposition gelten, sind alle Berechnungen des Morbiditäts- oder Mortalitätsrisikos in diesem Dosisbereich nach heutigem Kenntnisstand entsprechend unsicher.

3.7 Zusammenfassung

1. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse ist zusammenfassend festzustellen, dass die RBW von locker ionisierenden Strahlungen im Vergleich zu energiereichen Elektronen oder ⁶⁰Co-Gammastrahlung bei In-vitro-Untersuchungen generell mit dem LET zunimmt. In Übereinstimmung damit wird schon in ICRP 60, § B68 [ICRP 91] festgestellt: "Conventional X rays (about 200 kV) are about twice as effective as gamma rays based upon studies of mutation in Tradescantia cells, aberrations in human lymphocytes and mouse oocyte killing (Bond et al., 1978). Fast electrons may be even less effective than gamma rays." Aufgrund der nunmehr zusätzlich vorliegenden Ergebnisse wäre nach heutigem Stand hinzuzufügen, dass sich die RBW bei einer LET-Variation von weicher Röntgenstrahlung bis zu ⁶⁰Co-Gammastrahlung bei Chromosomenaberrationen ungefähr um den Faktor 6 ändert. Für die neoplastische Zelltransformation ergeben sich bei einem Zellsystem (CGL1) LET-abhängige RBW-Änderungen um einen Faktor von ungefähr 7. Für harte Röntgenstrahlungen im Vergleich zu ⁶⁰Co-Gammastrahlung liegen die RBW-Werte bei 2-3.
2. Für die Karzinogenese wurden als Nebenergebnis von Tierversuchen mit Neutronenstrahlung, bei denen verschiedene Referenzstrahlungen verwendet worden waren, zwischen Röntgenstrahlungen von etwa 250 kV und ⁶⁰Co-Gammastrahlung RBWWerte der Größenordnung 2 bis 3 ermittelt. Mit Tritium-Betastrahlung im Vergleich zu ⁶⁰Co-Gammastrahlung ergeben sich für Letalität und Fertilitätsstörungen RBW-Werte im Bereich 1 bis 3; die in Tierversuchen ermittelten RBW-Werte für die angegebenen Effekte entsprechen denen einer 80 kV-Röntgenstrahlung. Ergänzende Tierversuche zur RBW für die Karzinogenese durch weiche Röntgenstrahlung im Vergleich zu ⁶⁰Co-Gammastrahlung sind dringend notwendig.
3. Epidemiologische Untersuchungen erlauben bezüglich der Tumorinduktion beim Menschen noch keine Beobachtung von RBW-Unterschieden zwischen verschiedenen Photonenstrahlungen. Nur indirekt, nämlich auf dem Weg über die mikrodosimetrische und theoretische Deutung der In-vitro-Experimente, liegt der Schluss nahe, dass auch im Hinblick auf die Karzinogenese beim Menschen mit RBW-Unterschieden zwischen den locker ionisierenden Strahlungen zu rechnen ist.
4. Zur Orientierung bei der Festlegung der w_R -Werte dicht ionisierender Strahlungen hat die ICRP [ICRP 91] nicht deren experimentell gewonnenen RBW-Werte in Bezug auf eine bestimmte locker ionisierende Referenzstrahlung, sondern Durchschnittswerte der RBW-Werte herangezogen, die aus Experimenten mit verschiedenen Röntgen- und Gammastrahlungen als Referenzstrahlungen hervorgegangen waren. Diese Mittelung wurde aus Vereinfachungsgründen durchgeführt und ist mit der Festlegung w_R = 1 für alle locker ionisierenden Strahlungen konsistent. Sie erscheint aber auch aus physikalischen Gründen als berechtigt, weil hierdurch das breite Spektrum der bei Exposition mit hochenergetischen Photonen im Körper des Menschen entstehenden Photonen-Streustrahlung berücksichtigt wird.
5. Von der ICRP [ICRP 91] wurde 1991 trotz der aus einigen Experimenten bekannten Wirksamkeitsunterschiede zwischen energiereicher Gammastrahlung, harten und weichen Röntgenstrahlungen sowie Tritium-Betastrahlung aus Vereinfachungsgründen ein einheitlicher Strahlungs-Wichtungsfaktor w_R = 1 für alle locker ionisierenden Strahlungen empfohlen. Dabei wurde von der ICRP auf den eingeschränkten Anwendungsbereich des Strahlungs-Wichtungsfaktors zur Expositionsbegrenzung im praktischen Strahlenschutz hingewiesen, der Risikoabschätzungen nicht mit einschließt. Nach dem heutigen Kenntnisstand aus Tierversuchen liegen im Bereich der locker ionisierenden Strahlungen hinsichtlich der Karzinogenese beim Menschen keine Hinweise vor, dass die Variation der RBW einen Faktor von etwa 2 nach oben oder unten überschreitet. Im Rahmen der heutigen epidemiologischen Möglichkeiten haben sich allerdings keine Hinweise auf unterschiedliche RBW-Werte verschiedener Photonenstrahlungen für die Karzinogenese ergeben.
   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 praktische Umsetzung der Expositionsbegrenzungen Rücksicht zu nehmen. Neben der Vereinfachung der Schutzvorschriften für den Gesamtbereich der Photonen- und Elektronenstrahlungen ist dies auch ein Anliegen der Strahlenschutzmesstechnik, da eine Veränderung des Strahlungs-Wichtungsfaktors w_R eine entsprechende Anpassung des Qualitätsfaktor Q(L) nach sich ziehen müsste und sich auch Konsequenzen für die Bewertung von Betastrahlung ergeben würden.
   Es erscheint daher als zweckmäßig, auch künftig an der Festlegung w_R = 1 für die locker ionisierenden Strahlungen festzuhalten. Der Anwendungsbereich des Wichtungsfaktors w_R = 1 ist jedoch auf die Expositionsbegrenzung beschränkt; für pro- oder retrospektive Risikoabschätzungen ist er nicht geeignet. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass zum Schutz des Patienten bei der medizinisch-diagnostischen Strahlenexposition der Rechtfertigungs- und Optimierungsgrundsatz zur Anwendung kommt und hier keine Dosis-Grenzwerte gelten, in die der Faktor w_R eingeht.
6. Wegen der bewussten Vereinfachungen bei der Festsetzung der w_R -Werte dürfen diese bei der retrospektiven Abschätzung des Strahlenrisikos im Einzelfall oder bei der prospektiven Risikobewertung für exponierte Personengruppen jedoch nicht verwendet werden. Stattdessen müsste in erster Linie auf epidemiologische Daten zurückgegriffen werden oder aber in Ermangelung solcher auf RBW-Werte aus Tierversuchen. Soweit diese noch fehlen, bleibt nur die aus den In-vitro-Experimenten abgeleitete qualitative Vermutung, dass auch bezüglich der Karzinogenese beim Menschen zwischen den locker ionisierenden Strahlungen RBWUnterschiede bestehen. In speziellen Fällen, z.B. bei der Abschätzung des Brustkrebsrisikos nach Mammographie, kann diese Schwierigkeit dadurch umgangen werden, dass für diese Tumorart epidemiologisch gewonnene Risikokoeffizienten zur Verfügung stehen, die bereits mit Röntgenstrahlen einer mikrodosimetrisch weitgehend ähnlichen Strahlungsqualität gewonnen worden sind.

4 Neutronen

4.1 Einführung

Neutronen erzeugen in Gewebe neben sekundären Photonen ein komplexes Spektrum von geladenen Sekundärteilchen (Protonen, α-Teilchen, schwere Ionen). Diese zeigen eine im Vergleich zu Photonen deutlich höhere strahlenbiologische Wirksamkeit. Da dieses Sekundärteilchenspektrum stark von der Energie der einfallenden Neutronen abhängt, sind auch die RBW-Werte von dem jeweiligen Neutronenspektrum abhängig. Dies gilt auch für die davon abgeleiteten w_R -Werte (s. Tab. 2.3), die von der Energie der einfallenden Neutronen abhängen.

Das Hauptaugenmerk richtet sich im Folgenden auf die RBW im niedrigen Dosis- und Dosisleistungsbereich, in dem experimentelle Daten nur schwer zu gewinnen sind. Auch für epidemiologische Studien ist der genannte Dosisbereich wegen des Fehlens großer Kohorten mit nennenswerter Neutronenexposition und der zu erwartenden geringen Fallzahlen mit statistisch signifikanter Aussagekraft praktisch kaum zugänglich (s. Abschn. 4.4). Deshalb liegen für Neutronenstrahlung keine epidemiologischen Studien vor, die quantitative Aussagen über die durch Neutronenstrahlung hervorgerufenen Erhöhungen von Krebserkrankungen oder von Erbschäden machen [UNSC 00]. Die Risikoabschätzungen für Neutronen stützen sich bisher auf epidemiologische Risikostudien für γ-Strahlung und strahlenbiologische Untersuchungen zum Vergleich der Wirkung von Neutronen und Photonenstrahlung (γ-Strahlung bzw. Röntgenstrahlung), d. h. zur Ermittlung von RBW-Faktoren [ICRP 91].

In vielen Untersuchungen ist die Wirkung der Neutronen proportional zur Energiedosis (s. z.B. [SCH 00, DOB 91, EDW 90, ENG 98, IARC 00]), in einigen Arbeiten wurden auch davon abweichende Dosis-Wirkungs-Beziehungen gefunden (s. bei [UNSC 94]). Deshalb wird auch für die durch Neutronen induzierten Krebserkrankungen oder Erbschäden beim Menschen eine lineare Dosis-Wirkungsbeziehung angenommen. Man geht davon aus, dass dies für den Strahlenschutz eine hinreichend genaue und akzeptable Näherung ist. Dabei muss man sich bewusst sein, dass Aussagen über die Dosisabhängigkeit bei sehr kleinen Dosen (unterhalb 5-10 mGy) einer experimentellen Bestätigung praktisch nicht zugänglich sind und z.B. neuere strahlenbiologische Untersuchungen auch andere Hypothesen nicht ausschließen (s. 2.1.2.4).

Die Dosisabhängigkeit der Wirkung von Photonenstrahlung - γ-Strahlung bzw. Röntgenstrahlung - ist dagegen im interessierenden Dosisbereich häufig nicht linear, sondern wird bei niedrigen Dosen im Allgemeinen näherungsweise durch eine linear-quadratische Funktion beschrieben (s. Kap. 3). Wie im Abschnitt 2.2.2 erläutert, steigt der Wert der RBW für Neutronen wegen der Nichtlinearität der Dosis-Wirkungs-Beziehung für die als Referenz dienende Photonenstrahlung mit abnehmender Dosis an und erreicht einen Maximalwert RBW_M = α_n / α_r bei sehr niedrigen Dosen, wobei der Wert umgekehrt proportional zur Anfangssteigung α_r der Dosis-Wirkungskurve für die Photonenstrahlung ist.

Wie Abb. 2.3 zeigt, lässt sich der Wert von α_n bei Neutronen genauer bestimmen als der Wert von α_r für Photonen, da der Einfluss der bei geringen Dosen auftretenden Messunsicherheit auf die Unsicherheit der Koeffizienten α bei einer linearen Dosis-Wirkungsbeziehung geringer ist als bei einer linear-quadratischen. Die Gesamtunsicherheit der RBW_M wird daher überwiegend durch die Unsicherheit von α_r bestimmt.

Wie bereits in Abschnitt 2.2.1 dargelegt, ist bei der Angabe eines RBW-Wertes die genaue Spezifizierung der Photonenreferenzstrahlung wichtig. Unterschiedliche Referenzstrahlungen im Bereich von 100 kV-Röntgenstrahlung bis zu ⁶⁰Co-Gammastrahlung können zu unterschiedlichen RBW-Werten führen.

In den letzten 20 Jahren sind mehrere Zusammenstellungen von RBW-Daten für die Tumorinzidenz, die Lebenszeitverkürzung und zelluläre Effekte publiziert worden [SIN 82, ICRU 86, NCRP 90, CIRCRP 95, EDW 97a, ENG 98, IARC 00]. Dabei hat Edwards nicht nur die Daten verschiedener Autoren zusammengetragen, sondern z. T. auch unter einheitlichen Gesichtspunkten neu evaluiert. In den folgenden Abschnitten dieses Kapitels werden nicht alle in den Zusammenstellungen angegebenen Daten aufgeführt, sondern es wird im Wesentlichen eine Übersicht über neuere experimentell ermittelte RBW-Daten gegeben und dargelegt, auf welcher Basis die derzeitigen Werte der Strahlungs-Wichtungsfaktoren w_R für Neutronen beruhen und ob oder in welchem Umfang neuere Ergebnisse dazu Anlass geben, eine Änderung der von der ICRP empfohlenen Werte anzustreben.

Dabei wird sowohl auf In-vitro-Untersuchungen an einzelnen Zellen als auch auf In-vivo-Untersuchungen an Tieren zur Inzidenz von Tumoren oder Leukämie und zur Lebenszeitverkürzung eingegangen. Die Exposition von Tieren entspricht dabei eher der Situation beim Menschen, auf die sich die Bewertungsfaktoren beziehen sollen, als In-vitro-Untersuchungen an einzelnen Zellen. Deshalb orientieren sich die derzeitigen w_R -Werte auch im Wesentlichen an Daten aus Experimenten mit Tieren, überwiegend Mäusen und Ratten. Daten aus In-vitro-Untersuchungen, die in sehr unterschiedlichen Strahlungsfeldern durchgeführt werden, können allerdings wichtige Hinweise auf die Mechanismen geben, die der Abhängigkeit der RBW von der Neutronenenergie bzw. dem LET zu Grunde liegen.

4.2 Strahlenbiologische Untersuchungen an Zellen

4.2.1 Allgemeines

In-vitro-Untersuchungen an einzelnen Zellen sind in der Regel weniger aufwendig als die Durchführung von Tierexperimenten, insbesondere wenn diese über längere Zeit durchgeführt werden müssen, um die Wahrscheinlichkeit einer Krebsinduktion nach einer Strahlenexposition zu ermitteln. Dagegen beziehen sich die Untersuchungen an einzelnen Zellen meistens auf primäre Strahlenschäden bzw. Strahlenschäden und Zellveränderungen, die sich bereits nach wenigen Zellzyklen manifestieren.

Die Bestimmung von dizentrischen Chromosomenaberrationen in menschlichen Lymphozyten, von Transformationen oder Mutationen in verschiedenen anderen Zelltypen ist wegen der Möglichkeit, eine relativ hohe statistische Signifikanz zu erreichen, eine gute Methode zur Bestimmung von RBW-Werten für Neutronen. Wie bereits in 2.2.5 erwähnt, haben die so ermittelten RBWWerte im Hinblick auf die Karzinogenese beim Menschen allerdings nur orientierende Bedeutung.

4.2.2 Chromosomenaberrationen

Die Untersuchungen der Häufigkeit dizentrischer Chromosomen bei Neutronenbestrahlung zeigen, dass man bei diesen Strahlenwirkungen im Energiebereich unter ca. 1 MeV in guter Näherung eine lineare Dosis-Wirkungs-Beziehung annehmen kann [LLO 77]. Das haben auch die Untersuchungen von Schmid et al. [SCH 00, SCH 02, SCH 031 mit monoenergetischen Neutronen bis zu kleinen Dosiswerten von ca. 20 mGy erneut gezeigt (s. Abb. 1).

Abb. 4.1a): Ausbeute dizentrischer Chromosomen in menschlichen Lymphozyten nach In-vitro-Bestrahlung mit Neutronen verschiedener mittlerer Energie bzw. mit Gammastrahlung als Funktion der Energiedosis [LLO 77].

Durch Anpassung einer linearen Funktion an den gesamten Wertebereich erhält man einen relativ genauen Wert für den auf die spezielle Untersuchung bezogenen Ausbeutekoeffizienten α_n (Anzahl dizentrischer Chromosomen pro Zelle und Gy). Im Energiebereich oberhalb etwa 1 MeV wird die Dosis-Wirkungs-Beziehung bei kurzzeitigen Bestrahlungen linearquadratisch, so dass der Ausbeutekoeffizient α_n durch Kurvenanpassung ermittelt werden muss. Eliminiert man den quadratischen Anteil durch Bestrahlung mit sehr geringer Dosisleistung, so kann auch in diesem Energiebereich eine lineare Dosis-Wirkungs-Beziehung angenommen werden.

Abb. 4.1b): Ausbeute dizentrischer Chromosomen in menschlichen Lymphozyten nach In-vitro-Bestrahlung mit monoenergetischen Neutronen als Funktion der Energiedosis [SCH 02].

Tab. 4.1 zeigt eine Zusammenstellung von α_γ und α_n-Werten aus zahlreichen, insbesondere auch neueren Untersuchungen. Zur Angabe eines RBW_M-Wertes benötigt man den α_r Wert der Photonen-Referenzstrahlung aus einer Untersuchung unter möglichst gleichen Untersuchungsbedingungen wie bei den Neutronen. Die Erfüllung dieser Bedingung ist nicht bei allen Literaturdaten ersichtlich.

Die α-Werte in Tab. 4.1 schwanken erheblich, und es zeigt sich, dass die Schwankung der Werte von α_n,dic in der Tabelle nur wenig mit den Schwankungen der Referenzwerte α_r,dic der Photonen korreliert ist. Deshalb ergibt sich auch ein großer Wertebereich für RBW_M. Die a-Werte für ⁶⁰Co-Photonen liegen im Bereich von 0,01 bis 0,07 Gy^-1, wobei die Werte von Sevankaev [SEV 79] aus heutiger Sicht als sehr hoch erscheinen. Die Daten für 137Cs von Pandita et al. [PAN 96] wurden mit einer linearen Funktion angepasst, was die höheren α_Co,dic-Werte erklärt. Generell kann man annehmen, dass infolge der linear-quadratischen Funktion bei den Photonen und der wenigen Daten im niedrigen Dosisbereich die Ermittlung der Anfangssteigung bei niedrigen Dosiswerten eine erhebliche Unsicherheit von α_r,dic zur Folge hat. Die gut reproduzierbaren Daten von Schmid et al. [SCH 00, SCH 02, SCHO3] lassen vermuten, dass niedrigere α_r,dic-Werte im Bereich von 0,01-0,02 Gy^-1 realistischer sind und ihnen ein stärkeres Gewicht beizumessen ist.

Die neuen Messungen von Schmid et al. [SCH 00, SCH 02, SCHO3] ergeben mit einem Wert von α_γ,dic = 0,0099 Gy^-1 für "Co γ-Strahlung und 0,0399 Gy^-1 für 220 kV-Röntgenstrahlen (harte Filterung) relativ hohe RBW_M-Werte im Bereich von 16-94 (gegenüber ⁶⁰Co-γ) und 4-23 (gegenüber 220 kV-Röntgenstrahlung).

Abb. 4.2: Lineare Ausbeutekoeffizienten α_n,dic in Abhängigkeit von der Neutronenenergie. Dargestellt sind die systematischen Untersuchungen von 4 Autorengruppen, NRPB [EDW 97b], Kyoto [SAS 92], Obninsk [SEV 79, LLO 83] und GSF/PTB [SCH 01, SCH 02, SCH 03].

Die Abb. 4.2 zeigt die Daten verschiedener Gruppen aus systematischen Untersuchungen der Energieabhängigkeit des linearen Koeffizienten α_n,dic [SCH 03]. Während alle Ergebnisse einen starken Abfall des Wertes von α_n,diczu hohen Neutronenenergien hin zeigen, ergibt sich bei 3 Autoren eine relativ geringe Energieabhängigkeit bei Energien unterhalb von 1 MeV und lediglich die Daten von Sevankaev [SEV 79] zeigen ein anderes Bild.

Tab. 4.1: Anzahl an dizentrischen Chromosomen pro Zelle und Gy (α_n,dic) bei Bestrahlung mit monoenergetischen Neutronen (m) bzw. Spaltneutronen (f) sowie mit ⁶⁰Co-Gammastrahlung bzw. 200-250 kV-Röntgenstrahlung und davon abgeleitete RBW_M-Werte (68 %-Vertrauensbereich ).

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