辐射致癌是人类接受低剂量照射引起的唯一得到确认的致命性健康危害, 对辐射致癌危险进行评价是辐射危害评价的核心内容。人类辐射致癌危险评价特别关心低剂量照射引起的终生癌症危险, 但低剂量照射的流行病学研究受到的干扰因素多, 要求样本数量大, 难于直接估计, 因此需要利用剂量范围宽的包括中高剂量在内的人群照射资料间接进行估算。目前国际公认的是利用日本原子弹爆炸幸存者寿命研究(LSS)依照原爆2002年剂量体系(DS02)和1958 -1998年对受照人口的随访结果, 借助三种辐射致癌危险的外推模型, 分别是高剂量/率照射引起的危险外推到低剂量/率照射危险的剂量响应模型; 有限随访时间内的危险外推到终生危险的危险预测模型和原爆人群资料的危险外推到其他国家人群的人群转移模型, 最终得到终生的、低剂量/率照射的、适用于特定人群的辐射致癌危险。对此国际放射防护委员会(ICRP)在103号建议书中推荐了现阶段认为较为适宜的剂量响应模型, 危险预测模型和人群转移处理方法。

由于对一个受照人群样本进行观察的时间很少能延续到一生, 采用合适的危险预测模型和危险估计方法根据有限时间内没有观察到终点的随访结果对今后和终生可能发生的危险进行预测是辐射致癌危险评价的重要内容之一^[1]。本工作主要针对辐射致癌危险的时间外推问题, 根据ICRP 103号建议书推荐成果对危险预测模型中终生危险的寿命表估算法进行解析, 并利用该方法结合近年来我国人口寿命表及癌症基线率对不同器官辐射致癌超额终生危险值进行估算。本工作的开展旨在为辐射致癌危害评价中终生危险的估算提供有用的参考, 从而为辐射健康危害的定量评价奠定基础。

1 辐射致癌终生危险 1.1 辐射致癌危险及危害

辐射致癌危险(Cancer Risk)是指因辐射照射所致人群或个人发生癌症效应的概率。在辐射危险评价中常用的危险量度是超额相对危险(Excess Relative Risk, ERR)和超额绝对危险(Excess Absolute Risk, EAR), 用以表示照射组相对于非照射组在相对尺度和绝对尺度上的癌症增加率。单位剂量照射造成的危险称为辐射致癌危险系数(ERR_D和EAR_D), 它是计算辐射致癌终生危险的生物学基础, 一般来自日本原爆资料。

辐射致癌危害(Cancer Detriment)是对辐射照射引起各种危险所有属性的综合定量评价, 它不仅要考虑辐射致癌效应的发生概率, 还与该效应后果的严重程度相关, 即与癌症的致死性、生活质量调整因子、寿命损失等因素有关。合计危害是身体各不同部位(组织和/或器官)的辐射致癌危害之和^[2], 如下所示:

(1)

其中下标l表示某一特定器官, R_l为代表人群的男女平均和不同受照年龄平均的终生危险估计, 即标称危险系数(Nominal Risk Coefficient); q_l、ΔL_l分别为该器官癌症的致死性份额和相对寿命损失数; q_min为该器官癌症的生活质量调整因子, 取值为0.1, 需要注意的是q_min调整不能用于皮肤癌, 因为放射产生的皮肤癌几乎全都是基底细胞型, 一般很少有疼痛, 痛苦或后遗症^[2]。

1.2 辐射致癌终生危险及其预测模型

辐射照射导致的癌症由于潜伏期的不同, 可能发生在受照若干年后不同的时间点, 因此在估计辐射致癌危险时通常用癌症终生危险的效应指标。癌症终生危险(Lifetime Cancer Risk)是指人在一生中被诊断出患有某种癌症的可能性。对于照射引起特定癌症(个人发生或死亡)的终生危险, 一般有超额终生危险(Excess Lifetime Risk, ELR)、照射引发死亡的危险(Risk of Exposure-Induced Death, REID)和终身归因危险(Lifetime Attributable Risk, LAR)三种危险估计方法^[2], 其中REID和LAR直接使用从对照人群寿命表得到的各年龄组存活概率, 不考虑辐射所致癌症死亡增加使受照人群存活概率减少产生的附加效果; ELR考虑了辐射所致其他全部癌症死亡造成的存活人数减少对某些癌症死亡的竞争性效果, 因此其所得到的危险将比REID或LAR得到的结果低大约10%~20%^[3]。出于防护的考虑, ICRP采用LAR估算受照后癌症的超额终生危险。本工作也采用LAR进行估算。

癌症终生危险的估算通常借助两种模型, 一种是假设受照者一生中超额诱发癌症与癌症基线发病率无关的绝对危险模型或相加预测模型(Additive Model), 另一种是假设受照者一生中超额诱发癌症数以基线发病率恒定倍数随年龄而增加的相对危险模型或相乘预测模型(Multiplicative Model)。这两种危险模型将辐射与癌症基线发病率关系的两个极端进行了描述, 即辐射致癌与基线发病率完全相关或完全不相关, 更接近真值的应该是两个模型的组合, 而组合的方法和两个模型权重的分配则是关键, 历年来ICRP对两个模型的权重分配随着放射流行病学调查的深入而不断变化^[4]。ICRP26号建议书采用绝对危险模型估计值; ICRP60号建议书对所有实体癌采用两种模型合并后的算术平均值^[1], 目前的研究结果暂无法实现对每个癌症专门的危险转移模型, 对此ICRP103号建议书推荐对各类癌症取两种危险模型超额终生危险估计值的加权平均值, 权重是基于对两个危险估计值相对适用性的判断, 其中权重0.5适用于除乳腺、骨髓、甲状腺、皮肤和肺以外的组织, 乳腺和骨髓采用绝对危险模型估计值, 甲状腺和皮肤采用相对危险模型估计值, 肺推荐采用两种危险模型估计值分别各占70%和30%^[2]。

1.3 不同预测模型下辐射致癌超额终生危险的估算方法

令B(x)为某一未受照人群在年龄x时的终生癌症风险, 它表示在年龄x时存活的人群中最终由于癌症死亡的人数所占的比例。其中m_c(x)为该未受照人群在年龄x时的癌症死亡率; S(y:x)为假定该人群在年龄时存活, 则活到年龄y(y > x)的条件概率。

(2)

从上式可见未受照人群的终生癌症风险B(x)可以通过该人群的寿命表和癌症死亡率信息计算得到。一般特定人群在某一段时间内的人口寿命表和癌症死亡率均为离散型数据集, 以5年为间隔排序, 因此上式可化为:

(3)

令R(x)为某一人群在年龄x受单位剂量照射后的超额终生癌症风险, 如下式所示:

(4)

其中m'_c(y:x)为该人群在年龄x受照后活到y岁时的癌症死亡率, 在不同的危险预测模型中其表示形式不同:

相对危险模型:

(5)

绝对危险模型:

(6)

由(4)式可见受照人群的超额终生癌症风险可以看作是对受照人群超额癌症死亡率的加权积分, 权重为该人群未受照时的存活率, 即本底存活率。综合式(5)(6)可以得到受照人群的超额终生癌症风险在不同危险预测模型中的表示形式^[5]:

相对危险模型:

(7)

绝对危险模型:

(8)

此外必须考虑癌症潜伏期对超额终生癌症危险的影响, 癌症潜伏期修正后的超额终生癌症风险在不同危险预测模型中的表示形式如下式所示:

相对危险模型:

(9)

绝对危险模型:

(10)

2 中国基线率下的辐射致癌危险 2.1 研究起点

ICRP 103号建议书根据日本原爆2002年剂量体系(DS02)和对原爆幸存者1958-1998年随访等最新研究结果, 对食道、胃、结肠、肝、肺、乳腺、卵巢、膀胱、甲状腺等实体癌建立剂量响应模型^[6], 并以(11)式计算方式推荐了全球适用的辐射致癌危险系数(ERR_D和EAR_D)见表 1, 该模型中考虑了危险随性别、受照年龄和发病年龄等因素的变异。这些系数是使用危险预测模型预测特定人群辐射致癌终生危险的基本初始数据, 也是本工作的研究起点。

(11)

式中β_S是性别相关的单位剂量超额危险, D为受照剂量, e是受照射年龄; a是确诊年龄; β_S、α、ω, 通过流行病学数据拟合来确定。

2.2 估算结果

利用上述辐射致癌危险系数和估算方法, 用Matlab 7.0软件编程计算了0~90岁中国人群食道、胃、结肠、肝、肺、乳腺、卵巢、膀胱、甲状腺及其他等10种器官的性别平均和受照年龄平均的超额终生癌症危险, 同时根据ICRP 103推荐的癌症致死性、生活质量调整因子、相对寿命损失^[2]计算了辐射致癌危害值, 计算结果见表 4。其中中国人群生存概率由2000年和2010年我国第四、五次全国人口普查数据计算得到, 见表 2; 癌症基线发病率取自国家癌症中心和卫生部疾病预防控制局发布的《2011中国肿瘤登记年报》, 见表 3。

估算过程中考虑了10年癌病潜伏期的影响, 此外使用ICRP 103号建议书推荐的剂量和剂量率效能因子(DDREF)将超额终生危险外推到小剂量和低剂量率情况下。

由上述估算结果可以看出, 基于中国人群近年来的存活概率和癌症基线率估算出的辐射致癌超额终生危险值和危害值在ICRP 103号建议书利用4个亚洲地区(上海、大阪、广岛、长崎)和3个欧美国家(瑞典、英国、美国)具有长期连续癌症登记人群的基线发病率数据和寿命表计算的超额终生癌症危险平均值的约± 50%范围内, 此外估算的合计超额终生危险值和危害值比ICRP103号建议书推荐平均值略偏高, 究其原因可能主要与近年来我国各类癌症日益趋高的发病率有关。

3 结论与意义

本研究从近年来日本原子弹爆炸幸存者寿命研究(LSS)得出的危险模型系数出发, 根据ICRP 103号建议书推荐成果更新了特定人群辐射致癌超额终生危险寿命表估算方法, 并利用该方法结合我国实际的人口数据和癌症发病率情况, 对食道、胃、结肠、肝、肺、乳腺、卵巢、膀胱、甲状腺及其他等10种器官的超额终生癌症危险进行了估算, 最后与ICRP103号建议书的推荐值进行了比较。本工作为特定人群辐射致癌超额终生危险的估算提供了参考, 为进一步开展辐射危害定量评价工作奠定了基础。

需要说明的是, 由于辐射致癌危险的估计存在很多不确定性, 如流行病学资料的不完整及统计误差; 放射生物学中对许多核素的效应行为尚不完全清楚; 不同癌症基线率人群间的转换以及剂量响应和外推低剂量造成的不确定性等, 因此本研究仅作辐射致癌终生危险估算方法及其应用的讨论, 不作具体数值的推荐。

未来的工作方向是通过分子生物学和基因组学方法对所观察到的辐射致癌作用进行合理解释, 同时利用不断积累的人群暴露和反应资料逐渐完善辐射致癌危险的外推模型, 目前国内已经出现了如"阳江高本底辐射与居民癌症^[7]"、"铀矿工和云锡矿矿工肺癌"和"中国X射线工作者辐射致癌危险估算^[8]"等放射流行病学研究, 随着调查的深入和数据的完善, 对特定人群辐射致癌危险的合理估算可以为辐射危害评价的开展提供可靠的科学基础, 从而准确的回答核能和平利用中遇到的医学和健康问题。