Биофизическое действие ионизирующего излучения

 

При воздействии излучения на молекулы воды происходят различные реакции, названные радиолизом.

Воздействие излучения на молекулы органических соединений приводит к образованию ионов, радикалов, перекисей. Их взаимодействие с остальными молекулами приводит к нарушениям мембран, клеток, а, следовательно, и функций всего организма.

Общие закономерности действия ионизирующего излучения:

– Большие нарушения при малой поглощенной дозе.

– Действие на последующие поколения через наследственный аппарат клетки.

– Характерен скрытый, латентный период.

– У разных клеток разная чувствительность.

– В первую очередь поражаются делящиеся клетки, что особенно опасно для детского организма.

– Для взрослых радиация также опасна для делящихся клеток.

а) Радиофармпрепараты (РФП).

РФП широко применяются в медицине. Критерии применимости:

– Оптимальным нуклидом для РФП является тот, который позволяет получить максимум информации при минимальной радиационной нагрузке на больного. Выбирается такой РФП, который быстро вводится в исследуемый орган и быстро выводится.

– РФП должен обладать малым периодом полураспада (табл. 12).

– РФП должен быть источником излучения, которое удобно для наружной регистрации.

– Пригодность РФП определяется биологической характеристикой функций организма или органа. Избирательное поглощение, например, йода в щитовидной железе.

– РФП не должны содержать токсических примесей или радиоактивных веществ с большими периодами полураспада.

 

Таблица 12

Некоторые радиоактивные вещества, использующиеся

в качестве РФП

 

Изотоп	Период полураспада (T)	Вид излучения	Механизм действия
Йод-131 I131	8,1 дня	-излучение -излучение	Участвует в обменных процессах в организме, в т.ч. в щитовидной железе
Йод-125 I125	60 дней	-излучение	Для метки гормонов, определяемых в сыворотке крови больного in vitro
Йод-132 I132	2,26 часа	-излучение	Короткий период полураспада и отсутствие -излу-чения уменьшает радиационную нагрузку на щитовидную железу примерно в 200 раз по сравнению с I131, что позволяет применять его у детей
Технеций-99 Tc99	6 часов	-излучение	Используются стандартные наборы реагентов, связывающиеся с этим изотопом и поставляющие его в определенный орган (печень, желчный пузырь, кишечник)
Фосфор-32 P32	14,2 дня	-излучение	Используется для диагностики злокачественных новообразований глаз, кожи, слизистых оболочек, молочной железы, головного мозга

 

б) Радиодиагностика.

Метод меченых атомов.

В организм вводят нуклиды и определяют их:

– расположение;

– скорость накопления;

– активность в органах и тканях.

Например, по показателям поглощения I¹³² щитовидной железой оценивается ее функциональное состояние.

– Для обнаружения распределения радионуклидов используют гамма-топограф – прибор, который фиксирует распределение радиоактивного препарата. Регистрация фиксируется штрихом на бумаге.

– Более точным является метод авторадиографии. Здесь также вводятся радионуклиды. Затем на исследуемый объект наносится слой фотоэмульсии, который фиксирует радионуклиды. Снимок называется радиоавтографом.

– Радиоизотопная ангиография – метод исследования кровеносных и лимфатических сосудов после введения в них контрастного вещества в виде РФП.

В диагностических методах радионуклиды вводятся в малом количестве и с малым периодом полураспада. Ни они, ни продукты распада не оказывают вредного действия.

в) Радиотерапевтические методы.

Терапевтический эффект основан на разрушающем воздействии излучения на клетки опухолей.

– Гамма-терапия – использование -излучения высокой энергии (источник -лучей Co⁶⁰) для разрушения глубоко расположенных опухолей. Облучение проводят в разные сеансы по разным направлениям (рис. 55).

– Альфа-терапия – лечебное использование -частиц.
-частицы поглощаются даже небольшим слоем воздуха. Поэтому препарат используют или при контакте, или при введении внутрь с помощью иглы.

– Радоновая терапия (ванны) – для кожи; питье – для органов пищеварения; ингаляции – для органов дыхания.

 

Рис. 55. Co⁶⁰ – лечение злокачественных опухолей.

Доза по отношению к нормальной здоровой ткани

минимизирована тем, что источник излучения поворачивается

вокруг пациента по кругу, сконцентрированному на опухоли,

так что общая точка пересечения для лучей Co⁶⁰

находится прямо в опухоли

 

– Использование нейтронов. В ткань вводят элементы, ядра которых под действием нейтронов испускают -частицы. Облучая орган потоком нейтронов вызывают образование
-частиц непосредственно внутри органа.

Кроме изложенного, в медицине в терапевтичексих целях используют ускорители заряженных частиц.

 

Дозиметрия

 

Это раздел ядерной физики, в котором изучают величины, характеризующие ионизирующее излучение, методы и приборы для их измерения.

Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от природы) оценивается по энергии, переданной веществу.

Поглощенная доза (доза излучения) – величина равная отношению энергии ∆ E, переданной элементу облучаемого вещества, к массе этого элемента ∆ m.

; [ ].

В СИ единицей поглощенной дозы является грэй [Гр= ].

1 Гр соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия излучения 1 Дж.

Есть внесистемная единица поглощенной дозы ‑ рад.

1 рад = 10^‑2 Гр.

Экспериментально оценить поглощенную дозу трудно. Оценку производят по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем объект – это экспозиционная доза.

Экспозиционной дозой (X) является кулон на килограмм. 1 Кл/кг соответствует экспозиционной дозе излучения, при которой в результате ионизации в 1 кг сухого воздуха (при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд равный 1 Кл каждого знака.

Единица, которой пользуются на практике ‑ рентген [Р] (внесистемная единица).

1 P=2,58 10^‑4 Кл/кг;

При экспозиционной дозе 1 P в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2 10⁹ пар ионов.

Связь между D и X:

D = f · X,

f ‑ некоторый коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов. Для воды и мягких тканей f = 1, для костной ‑ 4,5. То есть для мягких тканей 1 рад = 1 P – это удобно.

Эквивалентная доза (Н) используется для оценки действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Размерность та же, что и у поглощенной дозы, но название другое.

Это зиверт [Зв]. 1 Зв = 1 Дж/кг.

Внесистемная единица бэр. 1 бэр = 10^‑2 Зв (Бэр – биологический эквивалент рентгена).

Между эквивалентной и поглощенной дозой также есть связь:

H = K · D,

K – коэффициент качества. K – показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем фотонного (рентгеновского и -излучения), при одинаковой дозе излучения в тканях (устанавливается опытно).

Эффективная эквивалентная доза (H_эф) – связана с тем, что биологический эффект воздействия одного и того же вида излучения на разные органы различен. Вводится коэффициент риска (b). Тогда:

H_эф = b · H.

(Например, красный костный мозг b = 0,12; костная ткань ‑ 0,03; щитовидная железа ‑ 0,03; молочная железа ‑ 0,15; яичники или семенники 0,25).

Мощность дозы – доза, полученная объектом за единицу времени.

Нормы радиационной безопасности определяются предельно допустимой эквивалентной дозой за год (ПДД):

ПДД для взрослого населения 0,5 бэр/год = 5 мЗв/год;

ПДД для детей, беременных 0,17 бэр/год = 1,7 мЗв/год;

ПДД для профессионалов 5 бэр/год = 50 мЗв/год.

Предельно допустимые мощности экспозиционной дозы:

Норма 0,02 мР/час = 20 мкР/час;

Профессиональная норма 0,57 мР/час = 570 мкР/час.

Летальные дозы для всего организма:

ЛД 50 = 400 Р; (смертность 50 %); ЛД 90 = 800 Р; (смертность 90 %) (табл. 13).

 

Таблица 13

Биологический эффект при различных

эквивалентных дозах облучения

 

Эквивалентная доза, бэр	Биологический эффект
0–0,1	Угнетение жизнедеятельности (замедленное деление, ухудшение развития)
0,1–0,2	Оптимум жизнедеятельности
0,2–5	Стимуляция жизнедеятельности (стимулирование и развитие, повышение сопротивления неблагоприятным условиям среды)
5–10	Регистрация мутаций
10–25	Для взрослого человека видимых нарушений нет, для эмбриона могут быть поражения мозга
25–50	Временная мужская стерилизация. Возможны изменения в крови
50–100	Обязательно есть изменения в крови, нарушение иммунитета
100–200	Иммунодефицитное состояние
200–400	Потеря трудоспособности, инвалидизация
400–500	Тяжелое поражение костного мозга, 50% смертность
600–1000	Тяжелое поражение слизистой кишок, 100% смертность 3–12 дн.
1000–10000	Коматозное состояние, смерть через 1–2 часа
H > 10000	Смерть под лучом

 

Дозиметрические приборы: радиометр, рентгенометр. Первый измеряет активность или концентрацию радиоизотопов. Второй измеряет экспозиционную дозу рентгеновского и
-излучения.

 

ЛЕКЦИЯ 16

 

Физические поля человека