Радиоактивност и йонизираща радиация радиоактивност. Алфа и бета радиоактивно превръщане. Алфа, бета и гама лъчи



Дата17.12.2017
Размер256.98 Kb.

Медицинска физика. Иван Танев Иванов. Тракийски университет. 2016




ГЛАВА 9. РАДИОАКТИВНОСТ И ЙОНИЗИРАЩА РАДИАЦИЯ
9.1. Радиоактивност. Алфа и бета радиоактивно превръщане. Алфа, бета и гама лъчи
Радиоактивността е отделянето на високоенергетични частици (лъчи, лъчение) от ядрата на някои атоми. Използва се много широко в съвременната медицина за целите на диагностиката и терапията. Правилното използване на радиоактивните лъчи за нуждите на медицината изисква познаване на тяхната физична природа и механизъм на отделяне.

Ядрата на атомите съдържат нуклони (протони и неутрони), между които действат специфични сили на привличане – сили на ядреното взаимодействие. Всеки нуклон създава около себе си ядрени сили на привличане, които са много мощни, но много бързо затихват с отдалечаване от нуклона. Неутроните са електронеутрални частици, но протоните носят положителен заряд. Поради своя заряд протоните се отблъскват помежду си с електростатични сили, които са по-слаби от ядрените, но достигат на по-големи разстояния. Общата енергия на свързване в ядрото отговаря на баланса между ядрените сили на привличане и електростатичните сили на отблъскване между нуклоните и тя може да бъде повече или по-малко в зависимост от броя на протоните и неутроните в ядрото.

Ядрата (нуклидите) се характеризират с две числа, атомния номер Z и масовото число А, от които зависи енергията на свързване в ядрата. Атомният номер Z е равен на броя на протоните в ядрото, който от своя страна е равен на броя на кръжащите около ядрото електрони. Масовото число А е равно на броя на протоните плюс броя на неутроните в ядрото. Атомите, които имат ядра с еднакъв атомен номер Z но различно атомно число А представляват химично неотличими изотопи на един и същи химичен елемент. Атоми, чийто ядра имат различен атомен номер, но еднакво масово число се наричат изобари, а атоми чийто ядра съдържат еднакъв брой неутрони се наричат изотони.

Атомните ядра, които имат голяма енергия на свързване са стабилни и не отделят радиоактивни лъчи. Радиоактивни са тези ядра, които са нестабилни. От какво произтича тази нестабилност?

Ядрата на повечето атоми имат твърде удачно съотношение между броя на своите протони и неутрони и са стабилни, защото това им предоставя голяма енергия на свързване. Ядрата на някои изотопи имат твърде малко неутрони или прекалено много неутрони и са нестабилни, защото тяхната енергия на свързване е малка. Нестабилните ядра имат ограничено време на живот и преминават в нова стабилна форма чрез отделяне на високоенергетични частици - радиоактивност. Нестабилните ядра се означават като радиоактивни ядра (радионуклиди). Преходът на радиоактивното ядро от нестабилна в стабилна форма преставлява радиоактивно превръщане (разпад) и съобразно с вида на отделените частици, то бива два вида:

1) - радиоактивно превръщане, характерно за ядрата на тежките елементи (радий, радон, уран и др.). Тези радионуклиди отделят -лъчи (ядра на хелиевия атом - два протона плюс два неутрона), по схемата


AХZA-4Y Z-2 + 4He2,

където X е материнското ядро, а Y - полученото дъщерно ядро. Отделените частици имат голяма маса (четири атомни единици маса) и електричен заряд (два елементарни положителни заряда). Те се отделят с много висока кинетична енергия (няколко мегаелектронволта Меv), която има една или няколко дискретни стойности. Това значи, че енергетичният спектър на отделените  -лъчи е линеен (прекъснат).

2) - радиоактивно превръщане. Характерно е за радиоактивни изотопи от всички части на Менделеевата таблица. В ядрото настъпва смяна на вида на един нуклон (неутрон се превръща в протон или обратно). Бива два вида:

а) електронно (-) превръщане:



AXZAYZ+1 + e- +
В случая един неутрон се превръща в протон и се отделя електрон като лъчение. Поради това, че отделените електрони имат различна, но неквантувана енергия от нула до някаква максимална стойност Емах, е било предположено, че заедно с електрона, нестабилното ядро отделя и друга неуловима частица, която отнася част от енергията на това превръщане. Тази хипотеза по-късно е била потвърдена и откритата нова частица е наречена антинеутрино , което е античастицата на елементарната частица неутрино .

б) позитронно (+) превръщане:



AXZ --------> AYZ-1 + e+ +
В случая един протон се превръща в неутрон с отделяне на позитрон, който е античастицата на електрона е-. Масата и електричният заряд на позитрона е+ са равни по големина на тези при е-, но знакът на неговият заряд е положителен. От материнското ядро се отделят две частици: позитрон (е+) и неутрино , поради което енергетичният спектър на отделените позитрони е непрекъснат.

По-горе стана дума за позитрон и антинеутрино, които са античастици. В природата освен вещество се среща и антивещество, което е съставено от т.н. античастици. Античастиците са аналог на съответните елементарни частици и се получават при някои радиоактивни превръщания, ядрени реакции или сблъсък между високо енергетични частици. Всяка една античастица живее много кратко, тъй като при среща със своята частица-антипод се получава анихилация – изчезване на двете частици вещество и поява на високо енергетични фотони на елекромагнитното поле (-кванти). В медицината този процес се използва при позитроно-анихилационната компютърна томография.



Фиг. 9.1.1. Енергия на свързване на нуклеона в ядрото за различни изотопи.

Причината за  - радиоактивното превръщане са силите на т.н. слабо взаимодействие. Отделените -лъчи представляват поток от е- или е+. Съпътстващите ги потоци от антинеутрино или неутрино нямат медицинско значение, поради крайно слабото им взаимодействие с веществото.

в) Към -превръщането се причислява и т.н. електронно залавяне, при което ядрото на нестабилния изотоп присъединява един е- от собствената си електронна обвивка. Ако заловеният е- е от К-слоя, разпадът се обозначава като К-залавяне. При това, един протон се "неутрализира" до неутрон и се отделя неутрино. От друга страна, освободената електронна орбита в атома се заема от е- идващ от по-горните орбити и който поради това има по-голяма енергия. Излишната енергия се отделя под формата на фотони, които имат линеен енергетичен спектър, характерен за дадения вид атом - характеристично рентгеново лъчение.

След всяко радиоактивно превръщане на нестабилните ядра в стабилни дъщерни ядра, в получените дъщерни ядра остава известно малко количество излишна енергия. Поради това, новополучените дъщерни ядра се намират в състояние на възбуденост, като заемат енергетични състояния, които са дискретни (квантовани). Освобождавайки се от тази енергия под формата на -лъчи, те преминават в основното си, стабилно състояние. Гама-лъчите представляват електромагнитни кванти (фотони) с енергия, по-голяма от тази на рентгеновите фотони. Те нямат електричен заряд и маса в покой и се движат със скоростта на светлината. Тъй като се отделят при преход на възбуденото дъщерно ядро между две квантовани енергетични нива, -лъчите имат винаги дискретна енергия, т.е., техният спектър е линеен (прекъснат, дискретен).

Най-често, -лъчението се отделя веднага след образуването на дъщерните ядра. В този случай то съпровожда както -, така и -радиоактивното превръщане на нестабилните ядра. Това е нежелателно при медицинските приложения на радиоизотопите, тъй като прави тяхното лъчение по-вредно за пациента. В някои случаи, радиоактивното превръщане ( или -разпада) на цялото количество радионуклиди се извършва за кратко време, след което получените дъщерни ядра остават във възбудено състояние с години наред. Такова възбудено състояние с много голямо време на живот се нарича метастабилно състояние. Ясно е, че след известен интервал от време тези дъщерни ядра ще излъчват -лъчи вече в чист вид - изомерен преход. В медицината, такива метастабилни радионуклиди се предпочитат пред обикновенните радионуклиди, даващи смесен тип (-) или (-) излъчване, защото -лъчите в чист вид са по-малко вредни от  и -лъчите. Най-използваният в медицината радионуклид от такъв вид е технеций - 99m (99mTc).
Мас-спектрометърът е съвременен уред за детектиране на различни изотопи в дадена проба чрез сравняване масата на нейните атоми. За целта, пробата се изпарява (атомизира) и през получените пари се пропуска поток от електрони с цел пълно йонизиране на атомите. Получените йони (оголени атомни ядра) се ускоряват в електричното поле на положително зареден електрод и се прекарват през тънък процеп, след който се оформя лъч от успоредно движещи се йони. Накрая, тези йони се отклоняват от електрично поле и попадат върху фотографска плака. Йоните с еднаква маса и заряд попадат по дължината на една и съща линия (образа на процепа) върху плаката. Йоните от един и същи елемент, имащи еднакъв заряд, но различна маса ще образуват няколко близко разположени линии, всяка една съответстваща на различен изотоп от този елемент. Така, върху плаката ще се оформят групи линии, всяка група съответстваща на даден елемент и неговите изотопи. Интензивността на всяка линия ще съответства на концентрацията на съответстващия й изотоп в пробата. Чрез заместване на фотографската плака с фотоумножител, чувствителността на мас-спектрометъра нараства многократно и даже отделни единични атоми могат да бъдат детектирани. Мас-спектрометърът се използва за установяване на изотопния състав на различни проби и на молекулярната формула на химичните съединения.
9. 2. Активност и период на полуразпад на радиоактивен източник. Физични основи на радионуклидната диагностика

Нестабилните ядра на атомите претърпяват радиоактивни превръщания като отделят ,  и -лъчи. В медицината, под радиоактивен източник се разбира тяло, което съдържа атоми с радиоактивни ядра - радионуклиди.

Нека с N означим броят ядра на източника, които са се разпаднали за време t. Отношението N/t = А се означава като активност на радиоактивния източник, т.е, това е средният брой на разпадналите се ядра за единица време. Радиоактивното превръщане на отделните ядра на източника е спонтанно и случайно явление, което не зависи от никакви външни условия (температура, налягане и прочие). Вероятността дадено радиоактивно ядро да се разпадне в продължение на единица време се означава с . Тази величина зависи само от вида на нестабилното ядро, затова се нарича още като константа на радиоактивното превръщане.

Активността А на източника е пропорционална на общия брой радиоактивни ядра N в него и на вероятността за индивидуален разпад, т.е., A = . N. От това диференциално уравнение може да се получи как N ще намалява с времето. Крайното решение е N = No . exp (-. t). По същото правило ще намалява с времето и активността на източника A = Ao. exp (-.t), където No и Ao са съответно началния брой нестабилни атоми и началната активност на източника. Това е законът за радиоактивното превръщане, който гласи че активността на радиоактивните източници намалява експоненциално с времето.





Фиг. 9. 2. 1. Зависимост на активността от времето за два радиоактивни източника с различни константи на радиоактивен разпад.
На фиг. 9.2.1 е показан закона за радиоактивното превръщане в графичен вид за два различни радиоактивни източника с константи на превръщането 1 > 2. Вижда се, че активността намалява толкова по-бързо с времето, колкото по-голяма е константата на разпада. Освен това, активността никога не става равна на нула, но при достатъчно дълго време на разпад тя става по-малка от някаква допустима граница.

За всеки радионуклид, важна величина е периодът на полуразпад Т1/2, който се дефинира с времето за което броят на нестабилните атоми, съответно активността на източника, намаляват наполовина. От фиг.9.2.1 се вижда, че при източниците с по-голяма , Т1/2 е по-малък. По-точната връзка е Т1/2 = 0.69/ . От тук, законът за радиоактивното превръщане може да се напише в следната по-нагледна форма: A =Ao. exp (- 0.69.t/T1/2). На фиг. 9.2.2 е показано как зависи периодът на полуразпад на отделните изотопи от съотношението брой протони /брой неутрони в ядрото.

При радиоактивната диагностика се използват т.н. белязани атоми (трацери – неправилно). Това са радиоактивни (нестабилни) изотопи на даден елемент (P, C, O и др.), които могат да бъдат отделени от стабилните или получени чрез подходящи ядрени реакции. Най-често се прилага ядрената реакция на захват на топлинен неутрон от ядро на стабилен изотоп, при което се получава нестабилен изотоп на същия елемент. Нестабилните изотопи на даден химичен елемент не се отличават по химични отнасяния от неговите стабилни изотопи. Така, ако в обичайните химични реакции за получаване на метаболити, лекарства и др. използваме белязани атоми като изходни продукти, ще се получат крайни продукти, които са радиоактивни - радиофармацевтици. Радиофармацевтиците са радиоактивно белязани хранителни вещества, лекарства, хормони и др., които се включват в същите метаболитни процеси, както и съответните им аналози, съдържащи стабилни изотопи. Най-често радиофармацевтиците се бележат с 99mTc (метастабилен технеций-99m, -излъчвател с време на полуживот от около 6 часа).

Удобството при работа с радиофармацевтиците се състои в това, че тяхното местоположение и концентрация в даден орган може да се установи по радиоактивното излъчване на техните белязани атоми. От своя страна, радиоактивността на белязаните атоми се регистрира чрез подходящи осезатели (броячи на частици, йонизационни камери, сцинтилационни детектори и др.). Осезателите са много чувствителни уреди, позволяващи откриването на следи от радиоактивност, което позволява да се използват безвредни количества радиофармацевтици.
Фиг. 9.2.2. Период на полуразпад (T½) на различни изотопи със Z протона и N неутрона в ядрото.

В биохимията и физиологията, радиофармацевтиците се използват за изясняване на метаболитните кръгове по разграждането на дадено съединение и използването на неговите части при синтеза на други съединения.

Чрез използване на радиофармацевтици може да се проследи биологичния механизъм по който определено съединение се приема, преработва и изнася от даден организъм, тъкан или клетка. Биологичният механизъм за изнасяне на дадено вещество се характеризира с величината биологичен период на полуизвеждане (Тб). При биологичното извеждане на радиофармацефтик, активността на радиофармацевтика ще намалява както поради неговото извеждане, така и поради радиоактивния му разпад. В такъв случай, ефективният период Теф на полунамаление на активността в организма е по-кратък и се дава с израза
1/Теф = 1/ Тб + 1/Т1/2
В медицината, радиофармацевтиците се прилагат за целите на диагностиката чрез следните методи:

1. При функционалната радиодиагностика, радиофармацевтикът се внася в организма (чрез вдишване, орално или инжекция в кръвта) и се измерва времето за неговото натрупване в съответния орган, а също времената на задържане и отстраняване от органа. Пример - 53J131 (-радиоактивен йод с период на полуразпад от 8 дни) се концентрира в щитовидната жлеза, като предоставя мярка за нейната функция. Други подходящи радиофармацевтици са 15Р32 (бета радиоактивен фосфор) натрупващ се в костния мозък на кухите кости и Tl201 (гама-радиоактивен талий), който се натрупва в миокарда. При патология на изследвания орган, времената за натрупване и извеждане на съответния белязан атом се променят по характерен начин спрямо нормата. При тази диагностика, осезателят на радиоктивността (сцинтилационна сонда) се поставя близо до кожата срещу изследвания орган и се следят промените в неговите показания. Този метод е известен още като динамична авторадиография.

Приемът и натрупването на желязо в органите (сърце, чер дроб и костен мозък) се изследва, като на пациента се дава стандартно количество радиоактивен изотоп на желязото и след няколко дни чрез радиометър се измерва нарастването на радиоактивността в съответния орган.

2. При локализационната диагностика (сцинтиграфия) с помощта на високо колимиран осезател на радиоактивност се измерва равновесното разпределение на даден радиофармацевтик в съответния орган или в цялото тяло. Например - разпределение на радиоактивен йод (53 J131) във фоликулите на щитовидната жлеза или в бъбреците, на 201Tl (радиоактивен талий) в миокарда. След установяване на равновесното разпределение на белязания атом, осезателят на радиоактивност (линеен скенер) започва да се придвижва последователно по успоредни отсечки, лежащи в един правоъгълник над изследвания орган. Успоредно с него се движи и регистриращото устройство, като рисува двумерното разпределение на измерената радиоактиност (сцинтиграма).

Подобен резултат се получава и с гама камера, като тя има това предимство, че при нея отсъства механична система за обхождане (сканиране) на изследваната повърхност. При нея сканирането е заменено с компютърна обработка, което допълнително позволява да се проследи намалението на радиоактивността с времето, т.е., да се правят и функционални изследвания.

Установяване на пернициозна (губителна) анемия става, като на пациента се дава храна, съдържаща радиоактивно белязан витамин В12 и се измерва радиоактивността на черния дроб. Ако тя не нараства, значи витаминът не преминава през стомашната лигавица и имаме болен от пернициозна анемия.

3. Белязаните атоми намират разнообразно приложение в т.н. радиоимунологични методи. Радиоимунологическият анализ се използва за пряко и много точно измерване на микроконцентрацията на биологично активни вещества в кръвта – антигени и антитела, ензими, хормони, аминокиселини, маркери за бременност, алергени, лекарствени вещества, маркери за различни болести, включително рак. Например, може да се използва разтвор на антиген, белязан с подходящ радиоизотоп, например 125J. След смесване на този разтвор с кръвна плазма от пациента, протича реакция на специфично свързване между антигена с антитела от плазмата. Следва изолиране на образуваните комплекси от антиген-антитяло (например чрез преципитация) и измерване на радиоактивността на получения продукт. При други методики се използват антитела, белязани с радиоизотоп и се определя тяхното свързване към алерген. При тези методи се съчетава високата специфичност на реакцията антиген-антитяло с високата чувствителност на метода за измерване на радиоактивност.

4. При радиоавтографията, подходящ радиофармацевтик се инжектира в кръвта на пациента и се изчаква настъпването на неговото равновесно разпределение в даден орган. Близо до органа се поставя фотографска плака, чувствителна към лъчението на радиоизотопа. След проявяването на плаката, местата с по-голямо почерняне ще съответстват на онези участъци от органа, където натрупването на изотопа е по-високо. При животни, метода се прилага за установяване разпределението на белязания фармацевтик в отделни срезове на дадена тъкан, например мозък.

5. Обемът на кръвта е основен фактор, който подпомага снабдяването с кислород на тъканите и нараства при физическо натоварване и емоционален подем. Той се измерва много точно, като разтвор на радиофармацевтик с известен обем и начална радиоактивност се инжектира артериално. За тази цел се използва 1 ml разтвор на радиоактивно белязан албумин. Измерва се неговата радиоактивност Ао и след това той се инжектира на пациента. След 10-тина минути, време достатъчно за равномерното разпределение на разтвора в обема на кръвоносната система, от пациента се изтегля 1 ml кръв, чиято радиоактивност Акр също се измерва. Обемът Vпл на кръвната плазма в ml се определя по съотношението Vпл = Ао / Акр. След това се измерва хематокрита Н на кръвта, а търсеният обем на кръвта Vкр се изчислява по формулата Vкр = Vпл /(1 - Н).

6. Средно време на живот и времето на полуживот на еритроцитите в кръвообращението са важни параметри, чието намаление при някои заболявания води до влошаване в снабдяването на тъканите с кислород. Те са по-малки при пушачи, алкохолици и наркомани. Тези параметри се измерват най-точно, като кръвна проба се инкубира с разтвор на радиоактивен хром (хром-51). При това, йоните на хрома се закрепват за мембраните на червените кръвни клетки. Следва връщане на пробата в кръвообръщението и периодично измерване на остатъчната радиоактивност на кръвта. От експоненциалното намаление на тази радиоактивност се намира момента, когато половината от белязаните еритроцити са били изведени от кръвообращението. От намалението на тази радиоактивност за един ден се изчислява средно колко дни престояват еритроцитите в кръвообращението, което е важно за диагностиката на анемичните състояния.


7. В геологията, археологията, климатологията и др. се използват подходящи изотопни методи за определяне точната възраст на даден образец (датиране). Всички изотопни методи за датиране почиват на радиоактивното превръщане на атомите на определен изотоп (матерински изотоп) в атоми на друг изотоп (дъщерен изотоп) по закона за радиоактивния разпад N = No .e-.t. Основният проблем е в правилния избор на вида на материнския изотоп за датирания образец, така щото в момента на формиране на образеца в него да отсъстват атомите на дъщерния изотоп, а да има само атоми на материнския изотоп с начален брой No. С течение на времето, броят на атомите на материнския образец (N) ще намалява, а в образеца ще се появяват атоми на дъщерния изотоп с все по-нарастващ брой (D). Тъй като D = NoN, лесно може да се получи, че D/N = (e.t – 1) и от тук времето t = 1/ ln (D/N + 1). Измервайки отношението D/N в определен момент, ние ще можем да определим каква е възраста на образеца t. Броят на материнските атоми (които са радиоактивни) се определя като се измери тяхната радиоактивност, а броят на дъщерните ядра (те са стабилни изотопи) се определя чрез високочувствителни, неинвазивни методи (рентгенов микроанализ, мас-спектрометрия).

За тази цел често се използва изотопът 14С, който има период на полуразпад 5730 г. и се образува в атмосферата под действието на космическото лъчение. За много голям интервал от време неговата концентрация във въздуха е постоянна. Чрез процеса фотосинтеза 14С се натрупва в растенията и от тях той преминава във всички животни и хора. След смъртта на даден организъм натрупването се прекратява и концентрацията на 14С започва да намалява, а концентрацията на дъщерния продукт да расте. Ако се измери съотношението на двата елемента в органичната тъкан на археологичната находка, може да се определи датата на смъртта, а оттам и възрастта на находката.

Радиологията е клон на медицината, където болестите се диагностицират и лекуват с помощта на лъчение и радионуклиди. Първоначално, за диагностични цели радиологията е използвала само Ro-лъчи, а за лечение са били използвани Ro-лъчи, гама лъчи и други видове йонизиращо лъчение. В по-ново време, радиологията използва белязани атоми за органно сканиране, а също така и диагностика чрез нейонизираща радиация (ултразвук и ЯМР-томография). Също така, обхватът на радиотерапията на тумори е разширен чрез лечение с хормони и химиотерапевтици.
9.3. Основни дозиметрични величини. Погълната доза, мощност на дозата, ефективна еквивалентна доза. Експозиция. Радиобиологични ефекти
При преминаването си през веществото и тъканите, йонизиращото лъчение отдава дял от своята енергия на малка част от атомите и молекулите като предизвиква тяхната йонизация и възбуждане. Някои от засегнатите атоми и молекули се превръщат в силно реактивоспособни химични радикали, които впоследствие реагират с незасегнати молекули и ги променят – получава се радиобиологичен ефект. Повечето от радиобиологичните ефекти в живите организми са вредни. Увреждат се клетките и тъканите, нарушава се дейността на цели органи и физиологични системи. Степента на увреждане зависи от тази част от общата енергия на лъчението, която е погълната от облъчваното тяло.

Ако дадено лъчение преминава през вещество с маса m, намиращо се в достатъчно малък обем, степента на лъчевото увреждане най-общо ще се определи от величината погълната доза D = E/m, където E е тази част от енергията на преминаващото лъчение, която е погълната от веществото. При хомогенно облъчване на вещество с маса 1 kg, единицата за измерване на дозата ще бъде J/kg (Джаул/кг). Обикновенно, облъчването не е равномерно и следователно, дозата няма да бъде еднаква в целия обем на тялото.

В действителност, степента на увреждане зависи освен от погълнатата енергия и от няколко други фактора. Най-напред, при една и съща погълната доза, радиобиологичният ефект ще зависи от временния интервал t, през който е станало облъчването. Мощността на дозата е PD = D/t, където D е големината на погълнатата доза за време t. Колкото по-продължителен е интервалът от време, през което се поглъща дозата, т.е., колкото по-малка е мощността на дозата PD толкова вредния ефект ще бъде по-слаб. Това се обяснява с възстановителните процеси, които протичат по време и след облъчването.

Вторият фактор, от който зависи увреждането е естеството на лъчението. Тъкани от един и същи вид се уврежда различно, когато се облъчват с ралични видове лъчения, при една и съща доза. Колкото йонизиращите частици имат по-голям коефициент на линейно предаване на енергията, толкова увреждането е по-силно. Така,  -лъчите са по-вредни от -лъчите, а в сравнение с тях  -лъчите и особено Ro-фотони са най-слабо увреждащи.

На трето място, отделните видове тъкани се увреждат в различна степен от едно и също лъчение, т.е., проявяват различна радиочувствителност. Например, костният мозък е много по-чувствителен отколкото нервната тъкан и черния дроб. Увреждащото действие на лъчите е толкова по-голямо, колкото клетките на тъканта се размножават по-бързо и колкото клетките са по-слабо диференцирани. Най-силна е чувствителността на клетките във фазата на подготовка за делене (интерфазата), когато синтезът на нуклеинови киселини (ДНК и РНК) е най-интензивен. Точно по тези причини, туморните клетки са по-радиочувствителни от техните предшественици, което се използва при лъчетерапията и радиотерапията.

На четвърто място, различните индивиди от един и същи биологичен вид могат да имат големи различия в чувствителността си към йонизиращите лъчения.

Поради тези причини, за да се опише по-точно радиобиологичния ефект се въвежда величината ефективна еквивалентна доза Н = К12.D. Тук К1 е коефициент (качествен фактор на лъчението) отчитащ различния увреждащ ефект на отделните лъчения. К2 се нарича коефициент на радиационният риск и отговаря за различната радиочувствителност на отделните тъкани. Тези коефициенти са безразмерни числа, ето защо размерността на еквивалентната доза е една и съща с размерността на погълнатата доза (J/kg). За да се отличат все пак двете величини, единицата за погълната доза D се нарича грей (Gy), а тази за ефективната еквивалентна доза H - сиверт (Sv). Все още се използва и старата единица за доза рад, равен на 0.01 грея. Много често, особено когато се оценява ефекта в облъчен цял организъм, се използва величината Н = К1.D, която се означава като еквивалентна доза и също се измерва в единици сиверт (Sv).

Качественият фактор К1 се приема равен на 1 при електромагнитните лъчения (Ro- и  - лъчи). Той показва колко пъти радиобиологичния ефект на дадено високоенергетично лъчение е по-силен от този на електромагнитните лъчения. При отделните видове лъчения той е пропорционален на линейното предаване на енергия. Например, за ускорени електрони и позитрани (-лъчи) К1=1, за -лъчи К1=20 и за протони и неутрони К1 е от 5 до 30, в зависимост от тяхната енергия.

Нека при осреднени условия, човешкото тяло се подложи на хомогенно облъчване с такава доза, която гарантира появата на рак в някой орган. В такъв случай, коефициентите за радиационен риск К2 на отделните органи показват каква е вероятността ракът да се е развил в даден орган. Ясно е, че сумата от коефициентите за всички органи и тъкани трябва да бъде равен на единица. Най-висок коефициент на радиационен риск К2 имат бързоделящите се тъкани (Табл. 9.4.1). По-слабо се увреждат жлези, мускули и кости.
Таблица 9. 4. 1. Сравнителна радиочувствителност на човешки тъкани.

Тъкан



Яйчник и семеници


Млечна жлеза


Костен мозък


Бял дроб


Кости


Щитовидна жлеза

Всички други тъкани, взети заедно


Цяло тяло

Коефициент на радиационен риск, К2


0,25


0,15


0,12


0,12


0,03


0,03


0,30


1,00

Повечето видове тумори имат по-висока радиочувствителност спрямо нормалните клетки, от които са произлезли. Това се използва при лъчетерапията, при която туморната маса се облъчва с планирана доза лъчение (5–10 Gy) и се предизвиква нейната некроза при запазване на околните тъкани. За сравнение, при рентгеновата диагностика се поема доза около 200 пъти по-малко. В това се състои дозиметричната разлика между лъчетерапията и диагностиката с Ro-лъчи. При лъчетерапията и радиотерапията, като източник на йонизиращо лъчение се използват изотопи, излъчващи -лъчи на известно разстояние от пациента (телегаматерапия) или - и -изотопи, поставени в капсулки или на върха на игли близо до тумора (брахитерапия).

Полулеталната доза LD50/30 представлява онази доза, която предизвиква смърт у половината (50%) от индивидите в дадена група за период от 30 дни. При човек, това е около 4 Gy. Смъртта, предизвикана от йонизиращо лъчение преминава през фазата на лъчева болест – кръвотечение от стомаха и червата, подтисната еритропоеза, намалена имунна защита. Това състояние е лечимо, освен това то може отчасти да се избегне, ако преди облъчването човек поеме специални вещества (радиопротектори). При различните биологични видове, LD50/30 корелира с тяхната функционална сложност, например при влечуги LD50/30 е около 100 Gy, а при растителни семена и бактерии е 100 хиляди Gy.

Непосредственото измерване на погълнатата доза от обекта, особено при нехомогенните биообекти, е много трудно. Поради това, при фотонните лъчения (Ro- или -лъчи) погълнатата доза се оценява косвено, като чрез йонизационни камери се измерва величината експозиция. Експозицията Х се дава с общия електричен заряд Q на йоните с еднакъв знак, произведени от фотонното лъчение вътре във въздушния обема на камерата, разделен на масата m на въздуха, при условие, че всички получени йони остават в разглеждания обем. Следователно, Х = Q/m и се измерва в C/kg (кулон/кг). Най-често обаче, експозицията се измерва чрез извънсистемната единица рентген (R), като 1 R = 2.58.10-4 C/kg. Между погълнатата доза и експозицията има провопропорционална зависимост: D = f. X. Тук f е конверсионен фактор експозиция/погълната доза, който зависи от вида на тъканта. Ако погълната доза се дава в рад, а експозицията в рентгени, тогава f = 1 за вода и меките тъкани. При облъчване с диагностично Ro-лъчение, за костите f = 4.5. Това показва, че при облъчване на кости и меки тъкани с една и съща експозиция, в костите ще се погълне 4.5 пъти по-голяма доза, отколкото в меките тъкани. Това се използва за избирателна лъчетерапия на неопластични образования в костите чрез меко рентгеново лъчение.

Последствията от облъчване с йонизираща радиация (радиобиологичните ефекти) биват полезни и вредни, които се проявяват често пъти едновременно. Полезните ефекти включват ускоряване растежа на растения, лечение на артрит, херпес зостер и др.

Най-общо, вредните радиобиологични ефекти на йонизиращата радиация включват:



  1. изменения в соматичните клетки, които водят до тяхната ракова трансформация;

  2. генетични мутации в половите клетки, влияещи върху бъдещите поколения на облъчения индивид;

  3. влияние върху плода по време на бременност;

  4. смърт на човек под прякото действие на лъчението.

Първите два ефекта се свързват с много големия брой лица подлагащи се на рентгенова и радионуклидна диагностика, както и при лъчелечението. За бременните жени, подобни въздействия се допускат само по изключение. Четвъртата група ефекти са възможни само при аварийни радиационни ситуации от типа аварии в ЯЕЦ, рентгенови и гама-дефектоскопи, атомни подводници, ракетни установки, складове с радиоактивни материали и др.

Радиобиологичният ефект може да доведе до обратими и необратими последици за облъчения организъм. Необратимите последици биват генетични (проявяващи се в следващите поколения) и соматични (отнасящи се до самия облъчен организъм). Радиационно индуцираният рак е една възможна соматична последица, която може да се прояви след определен скрит (латентен) период. Колкото погълната доза е по-голяма, толкова вероятността за такъв рак е по-голяма, а латентния период е по-кратък.

Както вредните така и полезните радиобиологични ефекти, зависят главно от погълнатата доза. С нарастване на дозата настъпват по-голям брой ефекти, нараства и тяхната сила. Според зависимостта доза-ефект, радиобиологичните ефекти се делят на две групи. При т.н. вероятностни ефекти (например индуциране на рак, генетично увреждане), вероятността за настъпване на ефекта (радиационният риск) зависи от дозата, но силата на ефекта не зависи. При тях липсва минимална доза (праг), под която вероятността за настъпване на ефекта да е нула. Приема се, че вероятността за настъпване на ефекта е пропорционална на дозата. При детерминистичните ефекти (лъчева болест, депилация, радиодерматит, временна стерилност, поява на катаракт, конюктивит и др.), силата на ефекта зависи от дозата. Съществува минимална доза (праг), под която никакъв подобен ефект не е възможен.

В зависимост от времето на проявление, вредните радиобиологични ефекти при човек биват остри (главно детерминистични) и късни (главно вероятностни). Острите ефекти се проявяват в къс интервал от време след облъчване с дози над 200 rad и включват различни прояви на лъчевата болест – гадене, повръщане, кръвотечение, смърт. Късните ефекти са характерни за ниски дози (около 1 rad) и се проявяват в течение на няколко поколения. Те включват както вероятностни ефекти (индукция на рак, левкемия и генетични увреждания), така и детерминистични ефекти (катаракт, скъсяване на средния живот, временна или постоянна стерилност).



Зародишът и плодът са много по-чувствителни спрямо йонизираща радиация, отколкото възрастен човек. Облъчване на зародиша с дози около 5 rad може да индуцира силни малформации, при по-ниски дози е възможно индукция на рак.

Радиационната защита от облъчване с външни източници включва използване на подходящи екрани, намаляване на времето на облъчване и увеличаване на разстоянието до източника (дозата е пропропорционална на времето на облъчване и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието до източника). По възможност, трябва да се използват източници с по-ниска радиоактивност. Вътрешното замърсяване (инкорпориране) с радионуклиди е възможно по три пътя – през кожата, чрез храната и чрез инхалация. Ето защо, защитата от такова замърсяване използва същите средства, както и защитата от токсични вещества. Пациент, получил голямо количество от радионуклид трябва да се изолира за известно време, тъй като неговото тяло и екскрети представлява източник на йонизираща радиация за околните.


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница