- •351 Рентгенівські промені розділ 10. Іонізуюче випромінювання та його дія на медико-біологічні об’єкти
- •Рентгенівські промені
- •10.1.1. Історія відкриття рентгенівських променів, праці і. Пулюя
- •10.1.2. Природа рентгенівських променів і методи їх отримання
- •10.1.3. Гальмівне рентгенівське випромінювання
- •10.1.4. Характеристичне рентгенівське випромінювання, його природа. Закон Мозлі.
- •Радіоактивне випромінювання
- •10.2.1. Радіоактивність, її властивості
- •10.2.2. Основний закон радіоактивного розпаду, період напіврозпаду, активність
- •10.2.3. Правила зміщення, особливості спектрів при радіоактивному розпаді
- •Основи дозиметрії іонізуючого випромінювання
- •10.3.1. Експозиційна доза, її потужність, одиниці
- •10.3.2. Поглинена доза, її потужність, одиниці
- •10.3.3. Еквівалентна доза, її потужність, одиниці
- •10.3.4. Дозиметри іонізуючого випромінювання
- •Взаємодія іонізуючого Випромінювання з речовиною
- •10.4.1. Первинні фізичні механізми взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною
- •10.4.2. Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину
- •10.4.3. Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень
- •10.4.4. Ефект дії малих доз іонізуючого випромінювання
- •Застосування рентгенівського випромівання в медицині
- •10.5.1. Методи рентгенодіагностики
- •10.5.2. Рентгенотерапія
- •10.5.3. Рентгенівський структурний аналіз в медико-біологічних дослідженнях
- •10.5.4. Променеві навантаження на медичний персонал при рентгенодіагностичних дослідженнях
- •10.5.5. Деякі факти реакції крові на опромінення
- •10.5.6. Опромінення малими дозами великих груп людей
- •10.5.7. Латентний період – час виявлення в організмі порушень, викликаних радіацією
- •10.5.8. Проблеми ризику, пов’язаного із радіаційною дією
- •Комп’ютерна томографія
- •10.6.1. Рентгенівська томографія
- •10.6.3. Позитронна емісійна томографія
- •Практичне заняття “Рентгенівське випромінювання, його застосування”
- •Контрольні питання для підготовки до заняття
- •Приклади задач та їх розв’язки
- •Контрольні запитання та завдання для самостійної роботи
- •Практичне заняття “Радіоактивне випромінювання та його дія на біооб’єкти”
- •Контрольні питання для підготовки до заняття
- •Приклади задач та їх розв’язки
- •Контрольні запитання та завдання для самостійної роботи
- •Лабораторна робота “Визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання”
- •Питання для підготовки до лабораторної роботи
- •Додаткова література
- •Додаткові теоретичні відомості
- •Лабораторна установка для визначення коефіцієнта лінійного послаблення гамма-випромінювання
- •Порядок виконання роботи
- •Завдання для самостійної роботи та самоконтролю
- •2. Склад приладу
- •3. Характеристики дозиметра дргз-04.
- •4. Управління роботою дозиметра дргз-04
- •Порядок виконання роботи
- •Завдання для самостійної роботи та самоконтролю
10.4.3. Фізико-хімічні механізми радіаційних пошкоджень
Згідно з загальноприйнятими концепціями радіаційного захисту (див. список літератури до розділу 10), існує декілька основних фізико-хімічних механізмів пошкоджень, що викликаються дією радіоактивних випромінювань на живі істоти.
Первинна стадія (умовно її можна назвати фізичною), пов’язана з іонізацією молекул води (нагадаємо ще раз, що в тілі людини на воду припадає приблизно від загальної ваги) відщеплюється електрон згідно з реакцією:
Н2О (Н2О)+ + е.
Цей процес в типових випадках триває дуже короткий час (t 10–16 c).
Наступна так звана фізико-хімічна стадія, яка триває приблизно протягом 1 мкс, характеризується декількома процесами (реакціями), а саме:
а) відщепленням протону від додатного іону Н2О+
(Н2О)+ Н+ + ОН,
б) приєднанням електрону до нейтральної молекули води з утворенням від’ємно зарядженого іона (Н2О)–, тобто
Н2О + е (Н2О)–,
в) перетворення цього іона на атом водню і від’ємно заряджений іон (ОН)–, тобто
(Н2О)– Н + (ОН)–.
Таким чином, продуктами цих реакцій є утворення як заряджених (ОН)– і Н+, так і нейтральних Н, ОН частинок. Слід зауважити, що протон Н+ та іон (ОН)– не відіграють в наступному якої-небудь значної ролі, бо внаслідок дисоціації їх є досить багато в звичайній воді, тоді як нейтральні утворення – молекула водню Н і гідроксильна група ОН є вільними радикалами. Вони мають неспарений електрон і тому хімічно є дуже активними.
На цій стадії виникає ще й водневий пероксид Н2О2 за реакцією
ОН + ОН Н2О2,
який є дуже сильним окислювачем.
Після фізико-хімічної стадії наступає стадія, яку можна умовно назвати хімічною. Під час цієї стадії, яка триває типово декілька секунд, продукти реакцій, що отримані на попередній стадії, починають взаємодіяти з органічними молекулами в клітинах, можуть атакувати комплекси молекул в хромосомах тощо.
Таким чином, перші три стадії (фізична, фізико-хімічна та хімічна) по суті ще не викликають великих порушень в тканинах. Токсична дія випромінювання пов’язана з вторинними реакціями, при яких відбувається розрив зв’язку всередині складних органічних молекул. Вільні радикали та інші активні біохімічні продукти стають каталізаторами для вторинних реакцій вже біологічного порядку, які розвиваються лавиноподібно по типу ланцюгової реакції і можуть привести до стану організму, який називають променевою хворобою.
Всі ці процеси відбуваються на останній біологічній стадії, тривалість якої може змінюватися в дуже широких межах – від декількох хвилин до десятків років. Радіаційні пошкодження на біологічній стадії звичайно поділяють на такі два класи:
а) соматичні, що впливають лише на опромінену живу істоту (наприклад, людину),
б) спадкоємні, що передаються на репродуктивні органи і переходять до наступних поколінь.
Біологічна стадія характеризується, таким чином, віддаленими впливами зазначених вище фізико-хімічних механізмів дії випромінювання на живі істоти, які пов’язані з сповільненням чи зупиненням процесів ділення клітин, що призводять до відповідних змін в клітинах наступних поколінь та до передчасної загибелі клітинної популяції і організму в цілому.
Слід зазначити, що іонізуюче випромінювання діє на всі біооб’єкти, починаючи з найпростіших вірусів та бактерій і закінчуючи такими найскладнішими, як людина. Вивчення радіочутливості біооб’єкта, тобто його сприйнятливості до дії різних видів іонізуючого випромінювання, довело, що ця дія відбувається на всіх рівнях організації живих істот – молекулярному, клітинному та організменному.
Найважливіші біологічні макромолекули – білки, нуклеїнові кислоти, ферменти тощо – під дією іонізуючого випромінювання втрачають свою біологічну активність (гармональну, ферментативну та інші), в них відбувається деполімеризація або, навпаки, виникають нові хімічні утворення. В клітинах навіть руйнується процес ділення, що може інколи відбуватися при Dпогл 3–5 рад. Доведено, що найбільш радіочутливою частиною клітин є його ядро. Загибель клітин внаслідок опромінення ядра відбувається при дозах, які в десятки та сотні разів менші за ті дози, що приводять до загибелі цих клітин при опроміненні їх цитоплазми. Разом з тим було експериментально встановлено, що заміна цитоплазми опроміненої клітини на цитоплазму неопромінених відновлює властивість клітини до подальшого ділення.
Важливим результатом подібних радіаційних експериментів було встановлення того принципового факту, що загибель живих організмів відбувається внаслідок одночасного ураження багатьох клітин і тканин. Внаслідок цього ураження порушується загальна регуляція життєво важливих процесів, що відбуваються у кістковому мозку, лімфатичній системі, кишковому тракті, статевих залозах та інших системах організму людини і тварини.
Н
Мал.
10.14. Крива виживання.
Більш точно, віддалені впливи дії радіації поділяють на ранні та пізні ефекти. Для характеристики ранніх радіаційних ефектів часто вводять так звану “летальну дозу” ЛД50/30. Це така доза, яка є летальною для 50% опромінених об’єктів певної популяції через 30 діб після опромінення. Для людської популяції летальна поглинута доза ЛД50/30 становить від 3 до 8 Гр або 300–800 рад при загальному опроміненні тіла рентгенівськими променями. При поглинутій дозі Dпогл < 1 Гр = 100 рад ймовірність смерті є дуже малою, тоді як при поглинутій дозі Dпогл > 8 Гр = 800 рад ймовірність вижити є вже дуже малою.
При поглинутих дозах порядка 10 Гр (1000 рад) смерть настає від пошкодження білих кров’яних клітин (в основному – лімфоцитів). Ці формені елементи крові звичайно забезпечують захист від інфекцій. При їх загибелі під дією великих доз радіації опромінена людина не може протистояти будь-яким інфекціям, які стають смертельно небезпечними. Ризик смерті при Dпогл 10 Гр зменшується, якщо пацієнт утримується в стерильному приміщенні і йому робиться пересадка спинного мозку для стимуляції появи додаткових білих кров’яних клітин. Без подібних заходів смерть опроміненої людини настає через 3–5 діб, якщо Dпогл > 10 Гр = 1000 рад.
При значно більших поглинутих дозах радіації (Dпогл 100 Гр), відбувається катастрофічна загибель клітин шлунково-кишкового тракту, а при ще більших дозах гинуть клітини центральної нервової системи. Слід однак зазначити, що в експериментах на тваринах смерть не наступала миттєво навіть при 500 Гр.
Щодо пізніх радіаційних ефектів, то одним з найбільш небезпечних проявів дії радіації є рак. Основний механізм появи цього смертельно небезпечного захворювання пов’язаний з руйнуванням системи контролю ділення клітин. Наслідком стає більш швидкий процес ділення опромінених клітин у порівнянні з швидкістю цього процесу в неопромінених (нормальних) клітинах. Такий процес прискореного ділення клітин зветься, як відомо, проліферацією клітин. Ефект проліферації передається у спадщину дочірнім клітинам, внаслідок чого можуть з’являтися злоякісні пухлини. Між часом опромінення людини і знаходженням у неї ракового захворювання може пройти досить великий (до 30 років) проміжок часу – так званий “латентний період”.
На жаль, не існує порогової дози, нижче якої немає ризику захворіти раком. Разом з тим немає прямих підтверджень того факту, що будь-які малі дози радіації здатні викликати рак. Це досить незвичайне, на перший погляд, протиріччя можна пояснити наступними експериментальними даними, наведеними англійськими радіологами Торном і Веннартом.
Нехай є людська популяція, що включає в себе мільйон людей. Тоді виявляється, що при еквівалентній дозі радіаційного випромінювання в 1 мілізіверт (Dекв = 1 мЗв), яку отримала кожна людина, загальна кількість випадків захворювання раком будь-яких органів і тканин складає: у чоловіків – 10.5 випадків, у жінок – 15.5 випадків. Різниця в 5 випадків пов’язана з захворюваннями жінок на рак молочної залози (більш докладні дані див. в табл. 10.2). Цікавим є той факт, що добуток кількості людей N в групі на еквівалентну дозу Dекв (це так звана популяційна еквівалентна доза) залишається величиною сталою, тобто NDекв = сonst. Іншими словами, така ж кількість чоловіків (всього їх буде 10–11) або жінок (їх буде 15–16) захворіє на рак будь-якої форми при умові, що буде взята група не в мільйон, а в тисячу людей, якщо еквівалентна доза стане не 1 мЗв, а 1 Зв. Такий самий результат буде мати місце і для N = 109 людей при Dекв = 10–6 Зв.
Таблиця 10.2.
Тип (локалізація) раку |
Кількість випадків на 106 людей при Dекв = 10–3 Зв |
|
ч о л о в і к и |
ж і н к и |
|
Саркома кісток |
0.5 |
0.5 |
Рак щитовидної залози |
1.0 |
1.0 |
Рак печінки |
1.0 |
1.0 |
Рак легенів |
2.0 |
2.0 |
Рак крові (лейкемія) |
3.0 |
3.0 |
Рак грудної залози |
– |
5.0 |
Раки інших локалізацій |
3.0 |
3.0 |
В С Ь О Г О |
10.5 |
15.5 |