Порядок взаимодействия ионизирующего излучения с биологической тканью

Несмотря на то, что весь процесс взаимодействия ионизирующего излучения с биологической тканью занимает тысячные и миллионные доли секунды, его можно условно разделить на несколько стадий:

1. Заряженные альфа- и бета-частицы проникают в ткань организма и вследствие электрических взаимодействий с электронами атомов, находящихся в ней, теряют свою энергию.
2. Уже через доли секунды после того, как излучение вступит в контакт с соответствующим атомом в живой ткани, от этого атома отделяется заряженный отрицательно электрон. Вследствие этого остальная часть атома становится положительно заряженной – таким образом, происходит процесс ионизации. Отделившийся электрон может ионизировать другие атомы в ткани организма.
3. В следующие несколько миллиардных долей секунды свободный электрон, а также ионизированный атом, вступают в сложную цепь реакций, в результате которых происходит образование новых молекул, в том числе и «свободных радикалов», отличающихся особенно высокой реакционной способностью.
4. В следующие миллионные доли секунды происходит цепь реакций образовавшихся свободных радикалов друг с другом, а также с другими молекулами, что может вызвать химическую модификацию тех молекул, биологическое значение которых особенно велико. Изменение таких молекул может негативно сказаться на нормальном функционировании клетки.

Использование радионуклидов в медицине

Диагностическое применение основано на избирательном накоплении некоторых химических элементов отдельными органами. Йод, например, концентрируется в щитовидной железе, а кальций - в костях.

Введение в организм радиоизотопов этих элементов позволяет обнаруживать области их концентрации по радиоактивному излучению и получать таким образом важную диагностическую информацию. Такой метод диагностики называется методом меченых атомов.

Терапевтическое использование радионуклидов основано на разрушающем действии ионизирующего излучения на клетки опухолей.

1. Гамма-терапия- использование γ-излучения высокой энергии (источник ⁶⁰Со) для разрушения глубоко расположенных опухолей. Чтобы поверхностно расположенные ткани и органы не подвергались губительному действию, воздействие ионизирующего излучения осуществляется в разные сеансы по разным направлениям.

2. Альфа-терапия- лечебное использование α-частиц. Эти частицы обладают значительной линейной плотностью ионизации и поглощаются даже небольшим слоем воздуха. Поэтому терапевтическоеприменение альфа-лучей возможно при непосредственном контакте с поверхностью органа или при введении внутрь (с помощью иглы). Для поверхностного воздействия применяется радоновая терапия (²²²Rn): воздействие на кожу (ванны), органы пищеварения (питье), органы дыхания (ингаляции).

63.Закономерности биологического действия ионизирующих излучений.

Для биологического действия ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей:

1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии.

2) Биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма.

3) Для биологического действия ионизирующих излучений характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

64.Физические основы радионуклидной диагностики и терапии

Как уже отмечалось выше, воздействие радиоактивного излучения на биологические системы связано с ионизацией молекул. Процесс взаимодействия излучения с клетками можно разделить на три последовательных этапа (стадии).

1. Физическая стадия состоит в передаче энергии излучения молекулам биологической системы, в результате чего происходит их ионизация и возбуждение. Длительность этой стадии 10^-16-10^-13 с.

2. Физико-химическая стадия состоит из различного рода реакций, приводящих к перераспределению избыточной энергии возбужденных молекул и ионов. В результате появляются высокоактивные

продукты: радикалы и новые ионы с широким спектром химических свойств.

Длительность этой стадии 10^-13-10^-10 с.

3. Химическая стадия - это взаимодействие радикалов и ионов между собой и с окружающими молекулами. На этой стадии формируются структурные повреждения различного типа, приводящие к изменению биологических свойств: нарушаются структура и функции мембран; возникают поражения в молекулах ДНК и РНК.

Длительность химической стадии 10^-6-10^-3 с.

4. Биологическая стадия. На этой стадии повреждения молекул и субклеточных структур приводят к разнообразным функциональным нарушениям, к преждевременной гибели клетки в результате действия механизмов апоптоза или вследствие некроза. Повреждения, полученные на биологической стадии, могут передаваться по наследству.

65.Рентгеновские лучи. Природа и метод получения рентгеновских лучей. Первичные процессы взаимодействия рентгеновских лучей с тканями организма.

Рентгеновское излучение - электромагнитные волны с длиной волны от 100 до 10^-3 нм. На шкале электромагнитных волн рентгеновское излучение занимает область между УФ-излучением и γ-излучением. Рентгеновское излучение (Х-лучи) открыты в 1895 г. К. Рентгеном, который в 1901 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.

Естественными источниками рентгеновского излучения являются некоторые радиоактивные изотопы (например, ⁵⁵Fe). Искусственными источниками мощного рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки

В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии иони-зации¹ А_и имеют место три главных процесса.

Когерентное (классическое) рассеяние

Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его называют когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv< А_и.

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгеноструктурного анализа

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона)

Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны называют некогерентным, а само явление - эффектом Комптона. Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии ионизации: hv> А_и.

Фотоэффект

При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетает электрон, а атом ионизируется (фотоионизация).

66.Закон ослабления рентгеновских лучей при прохождении через вещество. Физические основы рентгеноскопии.

Рассеяние рентгеновских лучей и фотоэффект приводят к тому, что по мере проникновения рентгеновского излучения вглубь первичный пучок излучения ослабляется. Ослабление носит экспоненциальный характер

Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Чем больше атомов в единице длины вещества, соответственно в единице объема, тем сильнее ослабляется поток рентгеновского излучения. Отсюда следует, что линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества

Физической основой этих методов является закон ослабления рентгеновского излучения в веществе. Однородный по сечению поток рентгеновского излучения после прохождения неоднородной ткани станет неоднородным. Эта неоднородность может быть зафиксирована на фотопленке, флуоресцирующем экране или с помощью матричного фотоприемника. Например, массовые коэффициенты ослабления костной ткани - Са₃(РО₄)₂ - и мягких тканей - в основном Н₂О - различаются в 68 раз (μ_{m кости} /μ_{m воды} = 68). Плотность кости также выше плотности мягких тканей. Поэтому на рентгеновском снимке получается светлое изображение кости на более темном фоне мягких тканей.

Если исследуемый орган и окружающие его ткани имеют близкие коэффициенты ослабления, то применяют специальные контрастные вещества.Так, например, при рентгеноскопии желудка обследуемый принимает кашеобразную массу сульфата бария (ВаSО₄), у которого массовый коэффициент ослабления в 354 раза больше, чем у мягких тканей.

1. Рентгеноскопия.Изображение формируется на флуоресцирующем экране. Яркость изображения невелика, и его можно рассматривать только в затемненном помещении. Врач должен быть защищен от облучения.

Достоинством рентгеноскопии является то, что она проводится в реальном режиме времени. Недостаток - большая лучевая нагрузка на больного и врача (по сравнению с другими методами).

Современный вариант рентгеноскопии - рентгенотелевидение - использует усилители рентгеновского изображения. Усилитель воспринимает слабое свечение рентгеновского экрана, усиливает его и передает на экран телевизора. В результате резко уменьшилась лучевая нагрузка на врача, повысилась яркость изображения и появилась возможность видеозаписи результатов обследования.

67.Дозиметрия ионизирующих излучений. Экспозиционная доза. Мощность экспозиционной дозы.

Дозиметрия - раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором изучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Поглощенная и связанная с ней эквивалентная дозы облучения характеризуют энергетическое действие радиоактивного излучения. В качестве характеристики ионизирующего действия излучения используют другую величину, называемую экспозиционной дозой. Экспозиционная доза является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ-лучами.

Экспозиционная доза (Х)равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон - это очень большой заряд. Поэтому на практике пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р), 1 Р = 2,58х10^-4 Кл/кг

Мощность дозы (N) -величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени.

При равномерном действии излучения мощность дозы равна отношению дозы ко времени t, в течение которого действовало ионизирующее излучение

68.Поглощенная доза. Мощность поглощенной дозы.

Поглощенная доза (D)- величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента

В СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр), в честь английского физика-радиобиолога Луи Гарольда Грея.

1 Гр - это поглощенная доза ионизирующего излучения любого вида, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия 1 Дж энергии излучения.

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10^-2 Гр).

Мощность дозы (N) -величина, определяющая дозу, полученную объектом за единицу времени.

При равномерном действии излучения мощность дозы равна отношению дозы ко времени t, в течение которого действовало ионизирующее излучение

69.Эквивалентная доза. Единицы измерений. Коэффициент качества. Зависимость коэффициента качества от природы ионизирующих излучений.

Эквивалентная доза (Н)равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения

Коэффициент качества (К)показывает, во сколько раз биологическое действие данного вида излучения больше, чем действие фотонного излучения, при одинаковой поглощенной дозе.

В СИ единица эквивалентной дозы называется зивертом (Зв) - в честь шведского специалиста в области дозиметрии и радиационной безопасности Рольфа Максимилиана Зиверта. Наряду с зивертомиспользуется и внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр (биологический эквивалент рентгена): 1 бэр = 10^-2 Зв.

70.Способы защиты от ионизирующих излучений.

Существует три принципа защиты от ионизирующих излучений – временем, расстоянием и экранировкой.

Для уменьшения дозы облучения необходимо резко уменьшить время нахождения под действием излучения и наоборот, увеличить расстояние нахождения человека от источника излучения.

Защитное экранирование

При проектировании и расчете защитных экранов определяют их материал и толщину, которые зависят от вида излучения, энергии частиц и квантов и необходимой кратности ослабления.

Для защиты от альфа-частицнеобходимо, чтобы толщина экрана превышала длину пробега альфа-частиц в данном материале экрана. Для защиты от внешнего облучения альфа-частицами обычно применяют тонкую металлическую фольгу (20-100 мкм), силикатное стекло, плексиглас или несколько сантиметров воздушного зазора.

Для защиты от бета-излученийприменяют экраны из материалов с малым атомным весом (алюминий, оргстекло, полистирол и др.), т.к. при прохождении бета-излучений через вещество, возникает вторичное излучение, энергия которого увеличивается с ростом атомного номера вещества

При проектировании защитного экранирования от нейтроноввыбирают вещества с малым атомным номером (вода, полиэтилен, парафин, органические пластмассы и др.), т.к. при каждом столкновении с ядром нейтрон теряет тем большую часть своей энергии, чем ближе масса ядра к массе нейтрона.

Для защиты от гамма-лучейприменяются экраны из металлов высокой плотности (свинец, висмут, вольфрам), средней плотности (нержавеющая сталь, чугун, медные сплавы) и некоторые строительные материалы (бетон, баритобетон и др.).

Для экранирования от рентгеновского излучения используютсятакие материалы как свинец, бетон, свинцовое стекло и др.

71.Системные и внесистемные единицы измерений поглощенной, экспозиционной и эквивалентной дозы. Мощности доз.

Поглощенная доза (D)- величина, равная отношению энергии ΔΕ, переданной элементу облучаемого вещества, к массе Δm этого элемента

В практической дозиметрии обычно пользуются внесистемной единицей поглощенной дозы - рад (1 рад = 10^-2 Гр).

Экспозиционная доза (Х)равна заряду всех положительных ионов, образующихся под действием излучения в единице массы воздуха при нормальных условиях.

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон - это очень большой заряд. Поэтому на практике пользуются внесистемной единицей экспозиционной дозы, которая называется рентгеном (Р), 1 Р = 2,58х10^-4 Кл/кг

Эквивалентная доза (Н)равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент качества для данного вида излучения

В СИ единица эквивалентной дозы называется зивертом (Зв) - в честь шведского специалиста в области дозиметрии и радиационной безопасности Рольфа Максимилиана Зиверта. Нарядус зивертомиспользуется и внесистемная единица эквивалентной дозы - бэр (биологический эквивалент рентгена): 1 бэр = 10^-2 Зв.