Число частиц, испускаемых в единицу времени (n/t), равно активности радиоактивного вещества, содержащегося в организме а. Поэтому:
P=AEср/m(11).
При оценке биологического эффекта действия того или иного вида излучения расчетах нужно учитывать их биологическую эффективность, то есть находить мощность эквивалентной дозы облучения:
Pэкв =WR P(12).
Наряду с особенностями излучения, характерного для того или иного изотопа, надо учитывать, что многие вещества обладают способностью избирательно накапливаться в каком-то определенном органе, который в этом случае называют критическим органом. Например, для йода критическим органом является щитовидная железа. В таком случае в формулу (11) надо подставлять активность в критическом органе и массу этого органа.
Для гамма-излучения, как правило, представляет интерес расчет мощности дозы от внешних источников облучения. Для точечного источника с активностью А, на расстоянии Rот него мощность экспозиционной дозы равна:
Рэксп = КА/R2 (Кл кг-1с-1) (13).
Коэффициент К называется ионизационной постоянной. Для изотопа Со60, используемого в медицине она равна 27 10-19 в единицах Си.
6. Безопасные уровни облучения.
На население земного шара постоянно воздействует природный радиационный фон. Это необходимый компонент обитания в биосфере. Он складывается из трех составляющих. К ним относятся: космическая радиация, излучение естественных радиоактивных веществ, присутствующих в почве и излучение тех радиоактивных веществ, которые попадают к нам в организм с воздухом, пищей, водой.
Суммарная доза, создаваемая естественным излучением, довольно сильно варьирует в различных районах Земли. В Европейской части России она колеблется от 70 до 200 мбэр/год.
Естественный уровень излучения в некоторых районах Франции, Швеции и США достигает 200-300 мбэр/год. В Бразилии около 50 тысяч человек проживает в области, где почвы создают среднюю годовую дозу в 500 мбэр, а в штате Керала (Индия) 100 тысяч человек постоянно живут при уровне облучения в 1270 мбэр/год. В этих двух районах все время работают специальные медицинские группы. Полученные ими данные не дают оснований считать, что по каким-то демографическим показателям здоровье проживающих там людей отличается от контрольных групп.
Естественный фон дает примерно одну треть так называемой популяционной дозы общего фона, то есть средней дозы ионизирующего излучения, которая приходится на долю каждого жителя планеты.
Еще треть человек получает при медицинских диагностических процедурах – рентгеновских снимках, флюорографии, просвечиваниях и т.д. В нашей стране эта доза в год составляет примерно 140 миллирентген. А разовое лучевое воздействие на те или иные участки тела колеблется в зависимости от типа процедуры. Например, при рентгеновских снимках доза составляет от 0,04 рентгена до 7 рентген, а при просвечивании может быть и больше.
Остальную часть популяционной дозы общего фона дает пребывание человека в современных зданиях. В кирпиче и бетоне присутствуют, хотя и в очень малых количествах, такие радиоактивные элементы, как уран, торий, радий и другие. Эта часть составляет примерно еще 150 миллирентген в год.
Вклад в техногенно-усиленный фон вносят и выбросы из современных тепловых станций, работающих на угле, поскольку уголь также содержит рассеянные радиоактивные элементы. При полетах на самолетах человек также получает небольшую дозу ионизирующего излучения. На высоте 12 тысяч метров, где проходят трассы авиалайнеров, естественный фон усиливается в 1,5-2 раза. В общем, в нашей стране техногенно-усиленный фон колеблется от 200 до 400 млР/год. Но все это очень малые величины. Исследования в области радиобиологии убедительно доказали, что популяционная доза общего фона безвредна для человека.
При оценке безопасности работы с источниками ионизирующих излучений (или пребывания на загрязненной радиоактивными веществами территории) используют понятие предельно допустимой дозы (ПДД). Это такая доза, которая еще не вызывает сколько-нибудь существенных изменений в состоянии здоровья. Для однократного облучения за ПДД принимают значение 0,05 Зв или 5 бэр. Данное значение относится к облучению всего организма. Отдельные небольшие участки можно облучать значительно большими дозами. Поэтому те дозы, которые пациенты получают при медицинских исследованиях (до 15-20 бэр), являются вполне безопасными.
В экстремальных условиях (авария, боевые действия и т.п.) допускается облучение в дозах до 20 бэр (0,2 Зв). Однако при повседневной работе человек не должен получать такие дозы.
Для лиц, постоянно работающих с активностью, применяется другой подход к нормированию. В этом случае установлено допустимое значение для мощности дозы. Этот предел равен 0,02 Зв или 2 бэра в год, что соответствует 0,0004 Зв = 0,04 бэра в неделю. Исходя из этих цифр, можно рассчитать предельно допустимую мощность дозы для конкретных условий.
Пусть, например, оператор АЭС работает по 6 часов в день при двух выходных, то есть продолжительность рабочего времени составляет 30 часов в неделю. Тогда находим, что допустимая мощность дозы (ДМД) равна:
ДМД = 0,04 бэр/30час = 1,310-3бэрчас-1 = 0,3610-6 бэрс-1.
Другой результат получится для членов экипажа атомной подводной лодки, которые все время находятся на корабле. В этом случае время пребывания в зоне действия излучения составляет 247 = 168 часов в неделю, и ДМД =0,04бэр/168 час = 0,24 10-3 бэр в час, что в пять с лишним раз меньше, чем в первом случае. Отсюда ясно, что на атомной подводной лодке должна быть обеспечена более мощная защита от излучений, чем на атомной электростанции.
Данные ограничения относятся к лицам, профессионально работающим с ионизирующими излучениями. Все они должны проходить специальное обучение, а также постоянный медицинский контроль. Для лиц, не имеющих профессионального отношения к радиоактивности, допустимая мощность дозы установлена в 10 раз меньше – 0,2 бэра в год или приблизительно 0,3 микрозиверта в час (30 микробэр в час). В большинстве районов России (в частности, в Санкт-Петербурге) естественный радиационный фон составляет 12-16 микробэр в час. Таким образом, допустимая мощность дозы для населения всего в два раза превышает естественный радиоактивный фон.
Следует помнить, что допустимая мощность дозы – это предельно допустимая мощность дозы. На практике следует всегда стремиться к тому, чтобы реальный уровень облучения был как можно ниже.
Механизмы поражения ионизирующим излучением живой ткани.
Биологическое действие ионизирующих излучений является многоступенчатым. Создаваемая излучением ионизация – это лишь первое звено в сложной цепи процессов, приводящих в конце концов к радиационному поражению. В этой цепи можно выделить четыре основные стадии:
Физическая стадия (длительность 10-15 – 10-12 с). На этой стадии основным процессом является ионизация атомов и молекул.
Физико-химическая стадия (длительность до 10-6с), в течение которой происходит разрушение или перестройка облученных молекул. Эта перестройка, в частности, приводит к возникновению большого числа свободных радикалов, обладающих высокой химической активностью.
Биохимическая стадия (длительность до 1 с). На этой стадии в результате повреждения биологически важных молекул (в первую очередь ДНК, а также белков и фосфолипидов) происходит инактивация ферментов, нарушается синтез белков, АТФ и других необходимых для организма веществ, повреждаются мембраны и другие структуры клеток.
Клиническая стадия (недели и месяцы), когда возникают видимые проявления радиационного поражения. Как правило, клинической стадии предшествует латентный период, длящийся, в зависимости от дозы и индивидуальных особенностей от нескольких часов до нескольких недель. Изменения, возникшие под действием облучения, во время латентного периода внешне никак не проявляются, что создает ложное впечатление благополучия.
Нетрудно сообразить, что в течение первых трех стадий вмешательство в ход процесса практически невозможно. Все медицинские мероприятия проводятся либо до облучения, с целью предотвращения его последствий, либо во время латентного периода и клинической стадии.
Ионизация, создаваемая облучением, и следующая за ней перестройка электронных оболочек влекут за собой повреждение или разрыв биологически важных молекул – нуклеиновых кислот, белков и фосфолипидов. Наиболее значимым является повреждение ДНК. Дело в том, что белки организма достаточно быстро обновляются, поэтому повреждение белковых молекул является преходящим. Повреждение же ДНК и РНК приводит к устойчивому нарушению синтеза белков. Изменение белкового состава клеток влечет за собой различные нарушения их структуры и функции, вплоть до гибели клетки.
Повреждение ДНК, как и других молекул, может происходить двумя способами:
Частица или квант попадают прямо в молекулу и непосредственно вызывают ее разрыв или перестройку. Такой механизм получил название прямого действия радиации.
Значительная доля излучения может поглощаться молекулами воды. При этом возникают различные свободные радикалы, которые либо сами взаимодействуют с биологически важными молекулами, либо присоединяют атом кислорода и образуют перекисные соединения, обладающие высокой химической активностью (Н2О2, НО2-, органические перекиси), что в конечном итоге также приводит к повреждению ДНК, белков и других жизненно важных молекул. В этом случае имеет место непрямое (косвенное) действие ионизирующей радиации.
Роль перекисных соединений отчетливо видна из так называемого кислородного эффекта. Он заключается в том, что при недостатке кислорода (гипоксии) перекиси почти не образуются, и повреждающее действие излучения несколько уменьшается. Например, в условиях высокогорья, где парциальное давление кислорода заметно снижено, LD50 на 20-30% больше, чем в обычных условиях. В состав радиопротекторов часто вводят вещества, вызывающие гипоксию. Основной же механизм действия радиопротекторов состоит в том, что они связывают свободные радикалы, возникающие в момент облучения, и тем самым уменьшают непрямое действие радиации. Прямое действие излучения предотвратить практически невозможно.
В зависимости от объекта облучения и других условий на первый план может выйти как прямое, так и косвенное действие радиации. При облучении человека преобладает непрямое действие.
Наряду с поражением ДНК заметную роль играет повреждение мембран. При этом существенно, что возникающее под действием свободных радикалов окисление фосфолипидов может приобрести цепной характер: среди продуктов реакции опять возникают свободные радикалы, которые даже после окончания облучения могут поддерживать реакцию. В итоге это приводит к серьезным повреждениям клеточных мембран.
Повреждение мембран сказывается на всех их функциях, в частности нарушаются процессы транспорта, снижается электрическая прочность мембран, что ведет к электрическому пробою, еще более нарушающему их функции. Так, электрический пробой мембран митохондрий нарушает синтез АТФ, необходимой для энергообеспечения всех внутриклеточных процессов.
Степень и характер лучевых поражений в значительной степени зависят от линейной плотности ионизации. При высокой ЛПИ высока вероятность того, что несколько актов ионизации произойдут в одной и той же молекуле.
Это обстоятельство имеет особо существенное значение при воздействии ионизирующего излучения на ДНК. В случае низкой ЛПИ повреждение ДНК происходит преимущественно в одной нити, а при высокой – повреждаются обе нити. В первом случае восстановление поврежденного участка гораздо более вероятно, чем во втором, так как неповрежденная нить служит матрицей для копирования. Во втором случае, даже если восстановление произошло, могут возникнуть сбои в воспроизводстве генетической информации.
Особенно опасно воздействие ионизирующего излучения на ткани, находящиеся в состоянии интенсивного деления. Это связано с тем, что при митозе ДНК существует в виде одной нити, и даже малые дозы радиации могут приводить к серьезным последствиям. Именно поэтому органы и ткани, в которых интенсивно протекает клеточное деление, наиболее чувствительны к действию ионизирующей радиации. К таким органам относятся стволовые клетки кроветворной ткани костного мозга, половые органы, эпителий желудочно-кишечного тракта и др. Поражение наиболее чувствительных органов и тканей в значительной степени и определяет клиническую картину лучевой болезни. По этой же причине повышенной радиочувствительностью отличаются и клетки злокачественных опухолей, в которых происходит интенсивное деление. Это обстоятельство используется при лучевой терапии. Угнетается иммунитет, что приводит к развитию инфекционных осложнений, интоксикации и кровоизлияниям в ткани и органы.
Как было сказано ранее, для оценки биологического эффекта действия ионизирующего излучения на человека используется эквивалентная доза облучения. Однако одна и та же доза у разных людей может приводить к разным последствиям из-за индивидуальных различий в радиочувствительности. Можно представить это графически, отложив по оси абсцисс величину эквивалентной дозы, а по оси ординат – процент выживших после облучения организмов. Кривая будет иметь S-образный характер.
Подобный вид кривой «доза-эффект» объясняется тем, что наряду с лучевым поражением в тканях идут репаративные процессы. Организм активно борется с последствиями облучения, и при малых дозах происходит более или менее полное восстановление первоначального состояния. Процент погибших организмов очень низок и кривая на графике идет почти горизонтально. По мере увеличения дозы репаративных возможностей организма оказывается недостаточно и растет процент гибели. При очень больших дозах гибнут все облученные организмы – кривая сливается с осью абсцисс.
Опыт, накопленный при анализе облучения в разных ситуациях, дает представление о результатах облучения разными дозами. Так, например, при дозе до 25 бэр (0,25 Зв) изменения в организме незначительны и на состоянии здоровья серьезно не отражаются. Доза 50 бэр (0,5 Зв) вызывает некоторые патологические изменения, однако серьезной медицинской помощи в этом случае не требуется. При дозах 100-200 бэр (1-2 Зв) развивается легкая степень лучевой болезни; при дозах от 200 до 400 бэр (2-4 Зв) – лучевая болезнь средней тяжести, а при дозах выше 400 бэр (4 Зв) – тяжелая лучевая болезнь. Необходимо отметить, что индивидуальные особенности организмов приводят к большой вариабельности эффектов поражения. Так доза 250 бэр у мало чувствительного человека может привести к легкому лучевому поражению, а у человека с повышенной чувствительностью – вызвать тяжелую лучевую болезнь.
Все приведенные величины относятся к общему облучению организма. При локальном воздействии человек может перенести значительно большие дозы. При этом, разумеется, важно, какие именно органы попадают в зону облучения.
Важной особенностью ионизирующих излучений является кумулятивный эффект, который проявляется при длительном (хроническом) облучении. Те повреждения ДНК, которые клетки не смогли ликвидировать, постепенно накапливаются, что приводит к нарушению синтеза белков и расстройству различных функций организма.
Кумулятивный эффект учитывается при определении предельно допустимых доз облучения. Так предельно допустимая доза устанавливается на всю продолжительность жизни. В настоящее время ПДД для населения принята в размере 35 бэр (0,35Зв). Исследования показали, что при такой суммарной дозе никаких отклонений в состоянии здоровья не наблюдается. При средней продолжительности жизни 70 лет это соответствует предельно допустимой мощности дозы 0,5 бэр в год. Следует отметить, что это всего в 3-4 раза выше естественного радиоактивного фона.
Накопление дефектов в ДНК вызывает мутации, что сказывается на последующих поколениях. Этот эффект хорошо исследован на животных с малой продолжительностью жизни. Поскольку большинство мутаций приводит к нежелательным последствиям, а сам эффект может проявляться независимо от дозы облучения, необходимо стремиться свести к минимуму воздействие ионизирующего излучения на организм человека.
Выводы и заключение.
Знание природы и свойств ионизирующего излучения необходимо врачу для того, чтобы оценивать последствия воздействия ионизирующих излучений на организм человека. Количественная оценка этого воздействия, а также его механизмы будут рассмотрены на следующей лекции. Следует отметить, что ионизирующие излучения используются для диагностики и лечения ряда заболеваний, о чем в дальнейшем более подробно будет идти речь на кафедрах рентгенологии, военно-полевой терапии, военно-морской и радиационной гигиены и др.
«____»____________20__ г.
Исполнитель: Доцент Новикова Н.Г.
