Tab. 4.7b): Mittlere relative biologische Wirksamkeit RBW_av für einen menschlichen Körper, berechnet in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Neutronen bei ROT-Bestrahlung, für verschiedene Werte von RBW_n sowie Quotient r nach Gl. ( 4.4) für Neutronenenergien <; 1 MeV.

In Ergänzung zu dieser vereinfachten Darstellung ist noch anzumerken, dass bei Bestrahlung mit externen Neutronen auch schon in den Körpern von Maus und Ratte sekundäre Photonen entstehen - allerdings in erheblich geringerem Umfang als im menschlichen Körper -, was dazu führt, dass im Prinzip die Korrektur et-was geringer ist als in Tab. 4.7b angegeben, wenn man nur von Tierdaten ausgeht. Dieser Effekt sollte bei genauen Umrechnungen von RBW_n nach RBW_av nicht vernachlässigt werden.

Das wichtigste Ergebnis dieser Betrachtung ist, dass im Bereich unterhalb von 1 MeV Neutronenenergie eine unmodifizierte Übertragung der RBW-Werte aus Untersuchungen an kleinen Tieren (Mäuse, Ratten) auf den Menschen zu einer erheblichen Überschätzung der RBW_av-Werte für die externe Exposition von Menschen führen würde. Das sollte bei der Festlegung von w_R-Werten unbedingt beachtet werden. In ICRP 60 ist dies nur teilweise geschehen.

4.6 Überlegungen zur Festsetzung von w_R -Werten für Neutronen

4.6.1 w_R -Werte für Neutronen nach ICRP 60

Die w_R-Werte für Neutronen beziehen sich auf das externe Neutronenfeld, d. h. auf die in einen Körper einfallenden Neutronen und ihre Energieverteilung. Sie berücksichtigen im Prinzip alle im niedrigen Dosisbereich auftretenden stochastischen Schäden, im Wesentlichen jedoch die Tumorinzidenz bzw. -mortalität und mit geringerem Gewicht die genetischen Schäden.

Wegen des Fehlens epidemiologischer Daten werden zur Ermittlung von w_R -Werten im Prinzip alle strahlenbiologischen Untersuchungen zur Krebserzeugung, zur Lebenszeitverkürzung und zu genetischen oder anderen zellulären Effekten mit Neutronenstrahlung herangezogen und mit der Wirkung von Photonenstrahlung in Relation gesetzt. Es liegt nahe, den Untersuchungen zur Karzinogenese an Tieren (überwiegend an Mäusen und Ratten) ein höheres Gewicht beizumessen als den strahlenbiologischen Untersuchungen an einzelnen Zellen. Deshalb werden im Wesentlichen die Daten aus diesen Untersuchungen zur Festlegung eines w_R-Wertes herangezogen.

Es zeigt sich dabei jedoch, dass sehr viele Untersuchungen mit Spaltneutronenspektren, d. h. Spektren mit breiter Neutronenenergieverteilung, durchgeführt wurden, aus denen über die Abhängigkeit eines Strahlungs-Wichtungsfaktors von der Neutronenenergie keine genaue Aussage abgeleitet werden kann. Da ein Spaltneutronenspektrum aber in der Regel eine Energieverteilung aufweist, bei der die mittlere Energie im Bereich der größten radiobiologischen Wirksamkeit für Neutronen liegt (etwa 100-500 keV), können derartige Untersuchungen gut zur Abschätzung des Maximalwertes von w_R herangezogen werden.

Je nach untersuchtem biologischem Endpunkt und je nach Referenzstrahlung (Röntgenstrahlung oder ⁶⁰Co γ-Strahlung) wird für Neutronen in NCRP-Report von 1990 [NCRP 90] und in ICRP 60 [ICRP 91] ein großer Bereich von RBW_M-Werten aus der Literatur zitiert. Dabei geht man in allen Fällen von einer linearen Dosis-Wirkungsbeziehung ohne Schwelle für Neutronen aus. Der daraus abgeleitete und von der ICRP empfohlene w_R-Wert von 20 basiert wegen des Fehlens von Daten für den Menschen auf einem mittleren RBW_M-Wert aus Untersuchungen an Mäusen und Ratten mit Spaltneutronen, im geringeren Umfang auch aus In-vitro-Untersuchungen an Zellen. Einzelnen sehr hohen oder sehr niedrigen RBW_M-Werten wurde dabei kein großes Gewicht beigemessen. Ebenso hat die ICRP bei der Festlegung von w_R -Werten keinen Bezug auf eine Referenzphotonenstrahlung mit bestimmter Photonenenergie genommen. Vielmehr wurden entsprechend der Festlegung von w_R = 1 für alle Photonen w_R -Werte für Neutronen angegeben, die einer Mittelung über RBW_M-Werten mit verschiedenen Referenzphotonenstrahlungen entsprechen (s. Abschnitt 3.5).

Die Abhängigkeit des w_R -Wertes von der Neutronenenergie, wie in ICRP 60 angegeben, basiert in den Zahlenwerten relativ zum Maximalwert von 20 allerdings überwiegend nicht auf einer direkten Ableitung aus radiobiologischen Untersuchungen, von denen im Bereich langsamer und thermischer Neutronen sowie im Energiebereich > 5 MeV nur wenige experimentelle Daten vorlagen, sondern in erheblichem Umfang auf Monte-Carlo-Rechnungen für das ICRU-Kugelphantom von 30 cm Durchmesser (Q an einem Aufpunkt in 10 mm Tiefe in der Kugel) unter Annahme der in ICRP 60 definierten QM-Funktion. In einem derartigen Kugelphantom in 10 mm Tiefe ist jedoch der Anteil der sekundären Gammastrahlung an der Dosis erheblich geringer als in einem anthropomorphen Phantom. Erst nachdem in den Jahren 1990 bis 1995 zahlreiche Rechnungen mit anthropomorphen Phantomen durchgeführt worden waren, zeigte sich, dass die Daten aus der Simulation in der ICRU-Kugel insbesondere bei niedrigen Neutronenenergien keine gute Näherungslösung darstellen [ICRP 96]. Eine korrekte Berücksichtigung dieses Effektes würde insbesondere bei niederenergetischen Neutronen zu einer Änderung (Verringerung) der w_R -Werte führen.

4.6.2 Vorschlag für eine neue w_R -Funktion für Neutronen

Bei der Überlegung, ob und in welchem Umfang eine Änderung der seit 1991 von der ICRP empfohlenen und inzwischen in vielen Ländern in den gesetzlichen Strahlenschutz eingeführten w_R -Werte für Neutronen vorgeschlagen werden sollte, muss man sich an verschiedenen Gesichtspunkten orientieren. Zum einen sollten Änderungen der w_R -Funktion nur dann erfolgen, wenn die neuen Werte gut begründet werden können und die vorgeschlagenen Änderungen für den Strahlenschutz wesentlich sind. Wegen der erheblichen Streuung und der Unsicherheiten in den der Auswahl von w_R -Werten zu Grunde liegenden strahlenbiologischen Daten ist kaum zu erwarten, dass kleinere Änderungen in w_R zu einer genaueren Abbildung der Realität führen. Deshalb sollte auf kleine Änderungen zugunsten der langzeitigen Stabilität des Systems der Strahlenschutzgrößen bewusst verzichtet werden.

Offensichtlich ist, dass bei Neutronenstrahlung nur die externe Exposition durch Neutronen für den Strahlenschutz eine Rolle spielt. Auch deshalb sind die Ergebnisse aus Tierexperimenten mit externer Neutronenbestrahlung für die Diskussion von w_R -Werten besonders wichtig.

Eine wesentliche Frage ist, ob bei der Angabe von w_R -Werten für Neutronen auf eine Referenz-Photonenstrahlung mit bestimmter Energie Bezug genommen werden sollte. Hier wird empfohlen, es bei dem bisherigen Verfahren (keine spezielle Festlegung) zu belassen, solange w_R = 1 für alle Photonen festgelegt ist. Eine Festlegung auf eine bestimmte Photonenenergie nur für w_R von Neutronen wäre innerhalb dieses Systems inkonsistent.

Eine weitere Frage ist, ob es als sinnvoll angesehen wird, weiterhin zwei verschiedene w_R -Funktionen zu definieren (Stufenfunktion und stetige Funktion). Die ICRP hat 1991 die verschiedenen w_R -Werte für Neutronen in Abhängigkeit von der Neutronenenergie in einer Tabelle angegeben, d. h. als Stufenfunktion. Zusätzlich wurde eine stetige Funktion definiert, allerdings nur als Näherung für die Anwendung bei Rechnungen. In der Zwischenzeit hat sich gezeigt, dass fast ausschliesslich diese stetige Funktion verwendet wird. Alle derzeit verfügbaren Konversionskoeffizienten für Neutronen basieren z.B. auf dieser Funktion [ICRP 96]. Eine Stufenfunktion ist aus strahlenbiologischen und physikalischen Überlegungen nicht sinnvoll und führt zu keiner Vereinfachung des Systems, solange man sich nicht auf einen einzigen konstanten Wert für Neutronen festlegt. Es wird deshalb empfohlen, für die Zukunft auf eine Stufenfunktion zu verzichten und eine stetige Funktion als einzige w_R -Funktion für Neutronen festzulegen. Der Übergang zu einer stetigen Funktion bedeutet allerdings nicht, dass man eine höhere Genauigkeit in der Abschätzung der relativen biologischen Wirksamkeit erreicht als mit der einfachen Stufenfunktion. Dies ist wegen der großen Unsicherheiten nicht der Fall und deshalb auch kein Argument für die vorgeschlagene Änderung.

In den letzten Jahren wurde auch diskutiert [CLA 99], das w_R -Konzept stark zu vereinfachen und nur einen einzigen Wert (z.B. w_R =10) für Neutronen festzulegen. Eine derartige Änderung - insbesondere die Absenkung von z.B. 20 auf 10 im Bereich der Spaltneutronen - ist allerdings mit dem derzeitigen Kenntnisstand in der Strahlenbiologie und der Strahlenphysik nicht zu rechtfertigen. Unbestritten gibt es eine erhebliche Abhängigkeit der Strahlenwirkung von Neutronen auf den Menschen von der Neutronenenergie.

Die weitere Diskussion der w_R -Werte betrifft 2 Teilaspekte, einerseits den maximalen Wert des Strahlungs-Wichtungsfaktors und andererseits die Abhängigkeit von der Neutronenenergie. Dabei ist bei den Überlegungen zur quantitativen Festlegung eines Strahlungs-Wichtungsfaktors von den RBW_M-Daten aus Tierexperimenten auszugehen.

Die größte relative biologische Wirksamkeit haben Neutronen im Energiebereich von 0,5 MeV bis 1 MeV, d. h. in einem Bereich, der durch ein Spaltneutronenspektrum abgedeckt wird. Deshalb können die Untersuchungen mit Spaltneutronen gut verwendet werden, um einen Schätzwert für die RBW in diesem Bereich zu erhalten. Die Zahl der seit 1990 publizierten Ergebnisse aus Tierexperimenten zum RBW ist allerdings relativ gering. Die Daten (s. Tab. 4.4 bis 4.6) zeigen wie auch die früheren Daten eine erhebliche Streuung der RBW_M Werte. Sie weichen nicht signifikant von der Verteilung der vorher bekannten Daten ab. Ein über die verschiedenen Referenzstrahlungen (Röntgen- und Gammastrahlung) gemittelter RBW_M-Wert aus diesen Daten liegt im Bereich von 20-25.

Will man aus den tierexperimentellen Daten im Energiebereich von 0,5 MeV bis 1,0 MeV einen w_R -Wert ableiten, so muss man berücksichtigen, dass bereits bei 1 MeV ca. 20 % der mittleren Dosis im menschlichen Körper von der sekundären Gammastrahlung erzeugt wird, während dies bei den kleinen Tieren erheblich weniger ist. Geht man bei diesen Tieren in diesem Energiebereich von einem mittleren RBW_m-Wert von 25 aus, so wird der auf den menschlichen Körper bezogene RBW-Wert entsprechend geringer sein. Aus diesen Gründen erscheint es sinnvoll, keine ins Gewicht fallenden Änderungen an dem Maximalwert von w_R vorzuschlagen, sondern zu empfehlen, sehr nahe bei dem bisherigen Maximalwert von 20 (aus der Tabelle in ICRP 60) zu bleiben.

Hinsichtlich der Abhängigkeit des Strahlungs-Wichtungsfaktors von der Neutronenenergie sind die Bereiche bei niedrigen Neutronenenergien (d. h. unterhalb von ca. 0,5 MeV) und bei hohen Neutronenenergien (oberhalb von ca. 1 MeV) zu betrachten.

Die Datenlage aus strahlenbiologischen Untersuchungen bei hohen Neutronenenergien ist relativ schwach. In den letzten Jahren sind nur wenige neue Untersuchungen, insbesondere kaum Tierexperimente, mit schnellen Neutronen durchgeführt worden. Aus diesem Grund gibt es keine starken Hinweise, die eine Änderung der derzeitigen w_R -Werte bei hohen Neutronenenergien rechtfertigen würden. Da sich bei der derzeitigen Datenlage keine Widersprüche zeigen, wird deshalb vorgeschlagen, bei Neutronenenergien > 1 MeV die Werte aus der derzeitigen stetigen Funktion nicht zu ändern, sondern diese auch bei einer neu zu definierenden Funktion möglichst zu übernehmen.

Bei niedrigen Neutronenenergien ist die Situation allerdings anders. In diesem Bereich ist eine Revision der w_R -Werte angebracht, da 1990 bei der Ableitung der gegenwärtigen Werte aus den strahlenbiologischen Daten die im menschlichen Körper durch die Neutronen erzeugte sekundäre Gammastrahlung nicht richtig bewertet wurde (s. Abschn. 4.6.1). Neuere Ergebnisse aus Tierexperimenten bei niedrigen Energien liegen kaum vor. Deshalb wird zur Ableitung einer veränderten w_R -Funktion in diesem Bereich im Wesentlichen der in Abschnitt 4.5 beschriebene Effekt der sekundären Gammastrahlung herangezogen. Dabei wird auf neuere berechnete Daten des relativen Gammadosisanteils im anthropomorphen Phantom bei ROT-Bestrahlung von Leuthold et al. Bezug genommen [LEU 03].

Tab. 4.8: Strahlungs-Wichtungsfaktoren w_R nach ICRP 60 (stetige Funktion) [ICRP 91], Organgewichteter Dosisbeitrag f_γ der sekundären Gammastrahlung für ein männliches Körperphantom bei ROT-Bestrahlung (LEU 03], nach Gl. ( 4.2) berechnete RBW_av-Werte und die für den Bereich unterhalb von 1 MeV vorgeschlagenen, nach Gl. ( 4.5) berechneten neuen w_R -Werte (w_R,mod) für verschiedene Neutronenenergien.

Ausgangspunkt der Überlegung ist einerseits, dass im Bereich hoher Neutronenenergien oberhalb von 1 MeV die bisher verwendete stetige w_R -Funktion erhalten bleiben und bei 1 MeV die neue Funktion für niedrigere Energien stetig an diese Funktion anschließen sollte, und dass andererseits bereits bei auf den Körper einfallenden Neutronen mit Energien im Bereich von 1 MeV die sekundäre Gammastrahlung mit im Mittel ca. 24% (bei ROT-Bestrahlung) zur Dosis im Körper beiträgt. Geht man bei dieser Energie im Körpergewebe vor Ort von einem mittleren RBW_M-Wert von 25 für die reine Hoch-LET Komponente aus, der mit den Daten aus Tierexperimenten gut vereinbar ist, und für die γ-Komponente von einem RBW-Wert 1, so ergibt sich ein resultierender RBW_av-Wert von 19,1 für E_n = 1 MeV (s. Tab. 4.8). Für niedrigere Neutronenenergien wird zur Vereinfachung näherungsweise angenommen, dass sich RBW_M für die reine Hoch-LET Komponente mit der Neutronenenergie nicht ändert. Das ist sicherlich eine berechtigte Annahme, da die Untersuchungen an einzelnen Zellen (siehe z.B. die Untersuchungen der dizentrischen Chromosomen, Abschnitt 4.2.2) unterhalb von 1 MeV nur eine geringe Energieabhängigkeit erkennen lassen.

Unter diesen Voraussetzungen können nach Gl. ( 4.2) neue RBW_av-Werte als über den menschlichen Körper gemittelte RBW-Werte berechnet werden, wobei die Mittelung über die verschiedenen Organe und Gewebe ihren w_T-Werten entsprechend und unter Berücksichtigung der tiefenabhängigen Dosisanteile der sekundären Gammastrahlung erfolgt und die Daten von Leuthold et al. zu Grunde gelegt werden [LEU 03]. An diesen RBW_av-Werten sollen sich die auszuwählenden neuen w_R -Werte im Bereich unterhalb von 1 MeV orientieren. Die Ergebnisse dieser Berechnung sind in Tab. 4.8, Spalte 4 für verschiedene Neutronenenergien dargestellt.

Die in Spalte 5 der Tabelle angegebenen modifizierten w_R -Werte wurden mit Hilfe einer Gleichung ( 4.5) berechnet, die die Werte von RBW_av, hinreichend genau approximiert und als Funktion zur Angabe der w_R -Werte im niedrigen Neutronenenergiebereich (< 1 MeV) dienen könnte. Es wird folgende Funktion empfohlen:

   ( 4.5)

Im Bereich > 1 MeV dient weiterhin die alte stetige Funktion zur Darstellung der Strahlungs-Wichtungsfaktoren. Die folgende Abbildung gibt die vorgeschlagene Änderung wieder.

Abb. 4.4: Strahlungs-Wichtungsfaktoren w_R für Neutronen. w_R -Werte nach ICRP 60 [ICRP 91] (durchgezogene und gestrichelte Linie), Vorschlag für geänderte w_R-Werte (gepunktete Linie).

Eine Arbeitsgruppe der ICRP (Task Group 37) hat ebenfalls kürzlich einen Vorschlag zur Änderung der w_R-Werte von Neutronen vorgelegt [ICRP 03]. Ein besonderes Anliegen ist hier die deutliche formale Verknüpfung der w_R-Werte mit der Funktion Q(L). Damit wird bei Neutronenexposition der Dosisbeitrag der Einfang-Gammastrahlung auf dem Wege über das LET-Spektrum in die w_R-Werte angemessen berücksichtigt. Ausgehend von der Funktion Q(L), dem LET-Spektrum in den Körperorganen und den Gewebe-Wichtungsfaktoren der "effektiven Äquivalentdosis" H_E [ICRP 77] wird der "effektive Qualitätsfaktor" q_E berechnet, der bei der Neutronenenergie 1 MeV einen Maximalwert von etwa 13 annimmt. Hieraus ergeben sich die vorgeschlagenen Werte von w_R durch die Rechenvorschrift w_R = 1 + 1,6 (q_E -1), so dass bei 1 MeV Übereinstimmung mit dem derzeit geltenden Wert w_R = 20 [ICRP 91] erzielt wird. Unterhalb von 1 MeV ergibt sich eine ähnliche Modifikation der w_R -Werte wie im vorliegenden Vorschlag der SSK; oberhalb von 1 MeV ergibt sich dagegen gegenüber den bisherigen w_R -Daten eine Anhebung um bis zu 35 %.

4.7 Überlegungen zur Festlegung von Q-Werten für Neutronen

Wie in Kap. 2 erläutert wurde, wird der Qualitätsfaktor Q und die in ICRP 60 [ICRP 91] publizierte Funktion Q(L) nicht mehr als Bewertungsfaktor bei der Definition der Körperdosen (Organdosis und effektive Dosis) verwendet, sondern nur noch bei der Definition der Aquivalentdosis in der ICRU-Kugel aus dem ICRU-Standardgewebe und der Definition der Dosis-Messgrößen zur Anwendung bei externen Expositionen. Allerdings stützt sich auch die über die Definition der Strahlungs-Wichtungsfaktoren festgelegte Bewertung der Neutronen trotzdem in gewissem Umfang auf Rechnungen mit der Funktion Q(L) ab (s. Abschnitt 3.5.1).

Q(L)-Daten sind aus direkten RBW-Untersuchungen mit Neutronen praktisch nicht zu ermitteln, da Neutronen in Gewebe ein großes Spektrum von geladenen Sekundärteilchen mit sehr unterschiedlichen Energien erzeugen, die beim Abbremsen im Gewebe an jedem Punkt zu einer breiten D(L)-Verteilung führen. Umgekehrt ist es allerdings möglich, mit einer vorgegebenen Q(L)-Funktion für ein gegebenes Neutronenspektrum einen mittleren Qualitätsfaktor zu berechnen (s. Kap. 2.3.3) und durch Vergleich mit experimentellen Ergebnissen zu prüfen, ob die ermittelte RBW mit diesem Faktor - und damit der angenommenen Q(L)-Funktion - vereinbar ist.

Die wesentlichen Informationen zu Q(L) beruhen auf strahlenbiologischen Untersuchungen an dünnen Zellkulturen, die mit hochenergetischen Elektronen, Protonen oder schweren Ionen bestrahlt wurden, die nur wenig in der Probe abgebremst wurden, sodass der Energieübertragung auf die Zelle ein bestimmter L-Wert zugeordnet werden kann [ICRU 86, NCRP 90]. Aus Untersuchungen mit verschiedenen Teilchen und Energien kann man dann eine L-Abhängigkeit der RBW für den betrachteten Effekt erhalten (Beispiele s. [NCRP 90]). Die meisten Untersuchungen zeigen, dass das Maximum der RBW in dem L-Bereich von 100-200 keV/µm liegt - und damit in einem Bereich, der etwa dem maximalen Bremsvermögen von Protonen in Gewebe (im Maximum der Bragg-Kurve bei E_p ≈ 100-200 keV) entspricht

Die derzeitige Q(L)-Funktion beruht auf der Empfehlung der ICRP von 1990. Der ICRU 40-Report [ICRU 86] hat dabei eine wichtige Rolle gespielt. Eine genaue Ableitung bzw. Begründung für die gewählte Funktion ist in der Literatur allerdings nicht zu finden.

In Bezug auf die Neutronen ist zu prüfen, ob die derzeitigen Dosis-Messgrößen auch mit den vorgeschlagenen Änderungen von w_R bei Neutronen einen ausreichend konservativen Schätzwert für die effektive Dosis liefern können oder ob die vorgeschlagene neue w_R -Funktion eine Änderung notwendig macht. Auf der Grundlage der in ICRP 74 [ICRP 97] publizierten Daten zeigt sich eindeutig, dass dies nicht notwendig ist, da die Änderung im niedrigen Dosisbereich bei gleichem Strahlungsfeld und den geänderten Strahlungs-Wichtungsfaktoren dazu führt, dass die Organdosen und die effektive Dosis dem Wert nach niedriger sind als bisher.

4.8 Zusammenfassung

Für die Ableitung von Strahlungs-Wichtungsfaktoren für Neutronen stehen keine Ergebnisse aus epidemiologischen Untersuchungen zur Verfügung. Man stützt sich deshalb bei der Festlegung von w_R -Werten überwiegend auf tierexperimentelle RBW_MDaten zu verschiedenen Endpunkten stochastischer Schäden (Tumorinzidenz bzw. -mortalität, Leukämie, Lebenszeitverkürzung). Die Zahl neuer Ergebnisse aus Tierexperimenten ist allerdings relativ gering. Neue Ergebnisse aus Untersuchungen an Chromosomen zur RBW von monoenergetischen Neutronen liefern wesentlich genauere Daten als bisher bekannt. Sie können jedoch nicht direkt zur Ableitung von w_R -Werten herangezogen werden.

RBW_M-Daten zu den verschiedenen Endpunkten und aus Untersuchungen verschiedener Autoren zeigen eine breite Verteilung von Werten, die eine direkte Ableitung von w_R -Werten für Neutronen zur Anwendung im Strahlenschutz sehr erschwert. Im Folgenden werden die wichtigsten Aussagen, die sich aus den derzeit vorliegenden Daten ergeben, zusammengefasst:

1. In Hinblick auf die Angabe einer Referenz-Photonenstrahlung mit bestimmter Energie, auf die sich bei der Auswahl eines w_R -Wertes die Bewertung der Neutronen beziehen sollte, wird empfohlen, es bei dem bisherigen Verfahren zu belassen, d. h. keine bestimmte Photonenenergie festzulegen, sondern eine Mittelung der relevanten tierexperimentellen RBW_M-Werte über die verschiedenen Referenz-Photonenstrahlungen. Solange für alle Photonen w_R = 1 festgelegt ist, wäre eine Festlegung auf eine bestimmte Photonenenergie nur für w_R von Neutronen innerhalb dieses Systems inkonsistent.
2. 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 den kleinen Tieren. Dies gilt insbesondere im Bereich niedriger Neutronenenergie 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.
3. 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, in Zukunft auf eine Stufenfunktion zu verzichten und eine stetige Funktion als einzige w_R -Funktion für Neutronen festzulegen.
4. Die neueren Daten 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 von 100 keV bis 2 MeV, in dem die Neutronen am wirksamsten sind, können insbesondere die Daten aus den Untersuchungen mit Spaltneutronen herangezogen werden. Der in diesem Bereich bisher verwendete maximale w_R -Wert von 20 (bzw. 22 bei der stetigen Funktion) wird weiterhin als ein angemessener Wert für das Maximum von w_R angesehen.
5. Untersuchungen zur RBW von Neutronen im Bereiche hoher Neutronenenergien (oberhalb von ca. 1 MeV) sind in den letzten Jahren nur in geringer Anzahl (insbesondere kaum Tierexperimente) durchgeführt worden. Aus diesen Daten ergeben sich keine deutlichen Hinweise, die eine Änderung der derzeitigen w_R -Werte bei hohen Neutronenenergien rechtfertigen würden. Es wird deshalb empfohlen, bei Neutronenenergien 1 MeV die Werte aus der derzeitigen stetigen Funktion beizubehalten.
6. Bei niedrigen Neutronenenergien sollte die im menschlichen Körper durch die Neutronen erzeugte sekundäre Gammastrahlung mit RBW = 1 bewertet werden und dementsprechend die w_R -Funktion korrigiert, d. h. gegenüber den derzeitigen Werten abgesenkt werden.
   Basierend auf den strahlenbiologischen Untersuchungen und den Rechnungen in anthropomorphen Phantomen wird hier folgende neue w_R -Funktion für Neutronen vorgeschlagen, wobei davon ausgegangen wird, dass die Werte oberhalb von 1 MeV unverändert bleiben:

   

7. Ein wichtiges Anliegen einer Arbeitsgruppe der ICRP (Task Group 37) zur Thematik der RBW und zu den Wichtungsfaktoren Q(L) und w_R [ICRP 03] ist die deutliche Verknüpfung der w_R -Werte mit der Funktion Q(L). Bei Neutronenexposition des menschlichen Körpers geht der Dosisbeitrag der Einfang-Gammastrahlung auf dem Wege über das LET-Spektrum in den Körperorganen in die Festlegung der w_R -Werte ein. 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.
8. Nach ICRP 60 wird der Qualitätsfaktor Q und die dort angegebene Q(L) im Wesentlichen zur Definition der Äquivalentdosis in der ICRU-Kugel aus dem ICRU-Standardgewebe und der Dosis-Messgrößen für externe Expositionen verwendet.
   Die Prüfung, ob die derzeitigen Messgrößen auch mit den vorgeschlagenen Änderungen von w_R für Neutronen einen ausreichenden Schätzwert für die effektive Dosis liefern oder ob eine Änderung notwendig ist, ergibt eindeutig, dass die Messgrößen auch bei den vorgeschlagenen geänderten Strahlungs-Wichtungsfaktoren eine konservative Abschätzung für die Organdosen und die effektive Dosis liefern. Deshalb wird empfohlen, die Q(L)-Funktion nicht zu ändern und die derzeitige Definition der Dosis-Messgrößen beizubehalten.

5 Protonen, Alphateilchen und schwere Kerne

5.1 Einführung

Hochenergetische Teilchenstrahlungen spielen auf der Erde - abgesehen von Beschleunigeranwendungen in Forschung und Medizin - keine Rolle. Sie bilden jedoch die wichtigste Komponente der Weltraumstrahlung, wobei ca. 85 % der Teilchenfluenz auf Protonen, 14 % auf Heliumionen und 1 % auf schwerere Kerne (bis zum Eisen) entfallen. Sie stellen den wesentlichen Beitrag zum Strahlenrisiko bei der bemannten Weltraumfahrt dar. In geringem Umfang werden Protonen auch bei Flügen in großer Höhe gefunden.

Alphateilchen aus dem radioaktiven Zerfall haben in Bezug auf die Strahlenwirkung bei Menschen wegen der geringen Reichweite nur bei Inkorporation eine Bedeutung. Hierzu liegen einige epidemiologische Studien vor, auf die in Abschnitt 5.3.6 näher eingegangen wird.

Für Protonen und schwerere Kerne gibt es keine Untersuchungen am Menschen. Eine Einordnung ihres Schädigungspotenzials im Vergleich zu locker ionisierender Strahlung muss sich daher (wie auch bei Alphateilchen) tier- und zellexperimenteller Daten bedienen.

Die Eindringtiefe schwerer geladener Teilchen in Gewebe ist im Allgemeinen sehr gering, z.B. hat ein Alphateilchen mit einer Energie von 5 MeV in Wasser nur eine Reichweite von 30 µm. Erst bei sehr hohen Energien können tieferliegende Organe erreicht werden (Abb. 5.1). Teilchen dieser Energien kommen, abgesehen von Teilchenbeschleunigern, nur in der kosmischen Strahlung und im Falle von Protonen deshalb auch in großen Flughöhen vor.

Das LET ist eine Funktion der Teilchenenergie (Abb. 2.5). Es variiert ausgeprägt entlang der Teilchenbahn und damit mit der Tiefe. Unmittelbar vor dem Ende der Teilchenbahn erreicht es sein Maximum, das auch als "Bragg-Peak" bezeichnet wird (Abb. 5.2). Da Protonen und Alphateilchen, die mit hohen Energien im Bereich einiger Hundert MeV in den Körper eindringen, am Eintrittsort niedrige LET-Werte haben (Abb. 5.3.) und erst unmittelbar vor dem Ende ihrer Teilchenbahnen nach Abbremsung auf 80 keV (Protonen) bzw. 800 keV (Alphateilchen) ihren Bragg-Peak erreichen (s. Abb. 2.5), sind der auf relativ hohe LET-Werte entfallende Weganteil und der Beitrag zur Gesamtdosis bei hochenergetischen Teilchen mit großer Eindringtiefe relativ klein. Eine andere Situation liegt bei inkorporierten Radionukliden vor, die Partikel relativ geringer Energie emittieren. Hier können empfindliche Strukturen aus geringer Entfernung mit Strahlung hohen LETs exponiert werden. Dies spielt jedoch nur bei Alphastrahlung eine Rolle. Schwerere Kerne verfügen auch bei großen Energien über einen hohen LET (Abb. 2.5) und daher auch bei großen Eindringtiefen über eine hohe biologische Wirksamkeit. Eine quantitative Abschätzung ihres Anteils ist daher für das Strahlenrisiko im Weltraum von erheblicher Bedeutung.

5.2 Protonen

5.2.1 Einführung

Die Strahlenwirkung von Protonen ist in erheblich geringerem Umfang untersucht worden als die von Alphateilchen, obwohl Protonen in der Strahlentherapie und als dominierende Komponente der Weltraumstrahlung eine große Bedeutung haben. Einfallende niederenergetische Protonen spielen wegen der geringen Eindringtiefe keine Rolle (Abb. 5.1). Es muss jedoch beachtet werden, dass hochenergetische Protonen im menschlichen Körper abgebremst werden und in der Regel auch bei hoher Eintrittsenergie in ihm zur Ruhe kommen, was der relativen biologischen Wirksamkeit für das betroffene Organ eine besondere Relevanz verleiht. Dasselbe gilt entsprechend natürlich auch für die anderen geladenen Teilchen, die in diesem Kapitel besprochen werden.

Abb 5.1: Reichweiten von Protonen und Alphateilchen in Wasser in Abhängigkeit von der spezifischen Teilchenenergie

Abb. 5.2: LET für Protonen der Startenergie 100 MeV in Abhängigkeit von der Tiefe in Wasser

Abb. 5.3: LET-Werte am Eintrittsort bei Protonen und Alphateilchen verschiedener Reichweite in Wasser

Pellicioni [PEL 98] sowie Yoshizawa et al. [YOS 98] haben für relevante Organe und verschiedene Protoneneintrittsenergien im Bereich von 10 MeV bis 10.000 GeV mittlere Qualitätsfaktoren für Organe auf der Grundlage der Q(L)-Beziehung berechnet. Dabei wurden nicht nur die Energiedepositionen durch das Ion selbst, sondern auch diejenigen der durch Kernprozesse entstandenen sekundären Teilchen berücksichtigt. Bis auf wenige Ausnahmen in oberflächennahen Organen wie Haut, Brust, Hoden und Speiseröhre bei niedrigen Protonenenergien ergaben sich Q-Werte unter 2, welche eine Basis zur Abschätzung des Strahlungs-Wichtungsfaktors bilden können.

5.2.2 Chromosomenaberrationen

Die Induktion dizentrischer Chromosomenaberrationen ist von mehreren Gruppen bei verschiedenen Protonenenergien untersucht worden: eine Übersicht gibt Tab. 5.1

5.2.3 Mutationen

Die Zahl von Mutationsuntersuchungen nach Bestrahlung mit Protonen ist recht gering und beschränkt sich im Wesentlichen auf das HPRT-System in V79 chinesischen Hamsterzellen (Tab. 5.2). Gauny et al. [GAU 01] berichten zwar über Experimente an menschlichen TK6-Zellen, geben aber keine RBW-Werte an.

Tab. 5.1: RBW_M-Werte (abgeleitet aus der linearen Komponente der Dosiseffektkurven) für dizentrische Chromosomenaberrationen nach Protonenbestrahlung mit verschiedenen LET-Werten; KA = keine Angabe

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