- •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
10.4.4. Ефект дії малих доз іонізуючого випромінювання
При дії різних типів іонізуючого випромінювання на біологічні середовища відбувається передача енергії малими кінцевими порціями (квантами) під час окремих актів взаємодії з речовиною. Для іонізації опромінюваного біологічного середовища необхідна мінімальна величина енергії, яка визначається середнім потенціалом іонізації (табл. 10.3).
При дії іонізуючого випромінювання в першу чергу іонізуються молекули води – найбільш поширеного середовища будь-якого біологічного об’єкту, які перетворюються у вільні радикали Н і ОН. Як зазначалося, вільні радикали мають високу хімічну активність і вступають в реакції безпосередньо з біологічними молекулами. Починається ланцюгова реакція, коли в хімічні взаємодії вступає все більше молекул. Викликані іонізуючим випромінюванням біохімічні реакції приводять до змін у ділянках кліткових структур (ДНК, мембрани, хроматиди тощо). При невеликих дозах опромінення захисні механізми організму відновлюють пошкодження в ДНК, виводять з організму пошкоджені клітини, нейтралізують їх системою імунного захисту. При великих дозах опромінення захисна система організму не в змозі ліквідувати наслідки іонізації, що приводить до порушення нормальної життєдіяльності клітин, тканин, органів і організму в цілому.
Таблиця 10.3
Біологічне середовище
середовищесередовище |
Середній потенціал іонізації, еВ (еВ) |
Вода |
65 |
М’язи |
66 |
Кістки |
85 |
Повітря |
34 |
Клітина, в якій іонізуючим випромінюванням викликані онкогенні зміни, тривалий час може залишатись в стані спокою. Для прояви її змінених властивостей необхідна дія на клітину активаторів (промоторів), які викличуть її прискорений поділ. В організмі всього налічується приблизно 1014 клітин. Завжди є в наявності певна кількість ініційованих клітин, із яких тільки одиниці утворюють клани злоякісних клітин. Із збільшенням числа опромінень зростає кількість ініційованих клітин. Повторна радіаційна дія для цих клітин може служити промотором. Це пояснює кумулятивну дію іонізуючого випромінювання на біологічний об’єкт з точки зору ризику віддалених ймовірних (стохастичних) наслідків.
Викликані зміни в генетичному апараті соматичних клітин можуть привести до переродження клітин в злоякісні. Зміни в генетичному апараті статевих клітин в осіб дітонароджуваного періоду життя можуть привести до спадкових змін у нащадків опромінених.
Ведучими міжнародними організаціями по оцінці радіаційного фактору (Міжнародна комісія з радіаційного захисту – МКР3, Міжнародне агентство з атомної енергії – МАГАТЕ, Науковий комітет по дії атомної радіації при ООН – НКДАР ООН) приймається модель безпорогової лінійної залежності між дозою опромінення і її ефектом. Це передбачає, що навіть мінімальна радіаційна дія володіє біологічним ефектом, зокрема радіаційним канцерогенезом. Такий підхід базується на ймовірній (стохастичній) природі канцерогенезу. За оцінками ризик смертності від раку, викликаного радіаційним фоном порядку 1 мЗв/рік, відповідно лінійній концепції складає приблизно 10 випадків на 1 млн. чоловік за рік. Це підтверджується даними, наведеними в табл. 10.2. До питання про лінійність залежності “доза-ефект” ми ще повернемося нижче.
На думку багатьох дослідників найбільш чутливою до іонізуючого випромінювання структурою клітини є ДНК, в якій іонізація може викликати розрив зв’язку між атомами. Одиночні і подвійні розриви викликають хромосомні спотворення (аберації). Поява хромосомних аберацій передує злоякісним пухлинам. Наявність хромосомних аберацій в лімфоцитах периферійної крові є ознакою передлейкозного стану, відповідає початковому етапу реакції на променеве навантаження.
Говорячи про ефект малих доз іонізуючого випромінювання, слід брати до уваги ще один дуже важливий фактор – тривалість їх дії. Дійсно, одну і ту ж саму, скажімо, поглинену (або еквівалентну) дозу можна отримати при відносно малих потужностях доз за рахунок збільшення часу їх взаємодії з речовиною (біооб’єктом, зокрема). Сказане підтверджується формулою
D = Р1 t1 = Р2 t2 = const. (10.39)
Звідси випливає досить очевидний факт: одне і те ж саме дозове навантаження іонізаційного випромінювання має місце для випадків, коли відношення потужностей доз оберненопропорційне часовим інтервалам дії цих потужностей, тобто
. (10.40)
Приклад. Нехай потужність еквівалентної дози є досить малою: Р1 = 50 мкбер/год (приблизно тільки втричі більшою за природне фонове значення). Тоді еквівалентна доза цього випромінювання буде такою ж, як і випромінювання з суттєво більшою потужністю еквівалентної дози Р2 = 180000 мкбер/год = 50 мбер/с (потужність Р2 більш ніж в 10 тисяч разів перевищує природне значення) за умови, що тривалість дії випромінювання малої потужності t1 складає 10 годин, тоді як тривалість дії випромінювання великої потужності t2 складає лише 10 с. Для даного прикладу маємо Р1 = Р2 / 3600, t1 = 3600 t2, так що для обох випадків добуток потужності еквівалентної дози на час, тобто сумарна еквівалентна доза є величина стала: P1 t1 = P2 t2 = 0.5 мбер.
Ця ситуація значною мірою еквівалентна згаданій вище в 10.4.3 ситуації з популяційною дозою іонізуючого випромінювання, а саме: медико-біологічні ефекти (зокрема, кількість ракових захворювань) залишається сталою при одночасному пропорційному збільшенні еквівалентної дози Dекв та зменшенні чисельності N людської популяції, що опромінюється (Dекв N = const).
І останнє зауваження щодо дії малих доз випромінювання на біооб’єкти. Воно стосується досить спірного і не до кінця з’ясованого явища підсилення дії фізико-хімічних (та, мабуть, і медико-біологічних) факторів при прямуванні параметрів, які характеризують цей фактор (наприклад, концентрації речовини тощо) до нуля. Іншими словами, мова йде про те, що не можна просто екстраполювати результати, які отримані при великих значеннях параметрів (концентрації, доз і т.п.) на малі значення цих параметрів, тобто сподівання на прямопропорційне зменшення біологічного ефекту при зменшенні поглиненої дози не є апріорі вірним.
З математичної точки зору ефект підсилення часто описується такою формулою:
А (С) ln C, (10.41)
де А – певна властивість(фактор), а С – відповідна змінна (параметр). Прикладом може бути наведена в розділі 6 залежність хімічного (електрохімічного) потенціалу від концентрації, що дається виразом
= R T lnC. (10.42)
З формул (10.41) і (10.42) безпосередньо випливає, що якщо концентрація С прямує до нуля, то величина |A| або || прямують до нескінченості. Більш уважний аналіз досить тонких математичних нюансів отримання подібних логарифмічних особливостей А(С) або (С) показує, що просто так прямувати змінну С до нуля не можна (через використання так званої формули Стірлінга, яка перестає бути вірною при С 0). Разом з тим тенденція до збільшення фактору А при зменшенні параметра С (хай не до нуля) залишається.
Подібні ефекти спостерігаються в фізико-хімічних дослідженнях деяких розчинів. Мабуть, саме вони лежать в основі дії гомеопатичних препаратів, а також в дії іонізуючого випромінювання в малих дозах на біологічні об’єкти. Звичайно, вкрай необхідно з’ясування особливостей молекулярних механізмів дії малих доз випромінювання, що потребує подальших теоретичних і експериментальних досліджень з боку фахівців різних галузей знань.