01 физические, технологические и организационные осн

Физические, технологические и организационные
основы радиационной медицины
Ас. Угляр Т.Ю.
Радиобиология научная дисциплина, изучающая действие ионизирующего излучения
на живые организмы.
Современная радиобиология самостоятельная комплексная дисциплинаОсновные
направления:
общая радиобиология,
радиационная гигиена
радиационная экология,
радиационная цитология,
радиационная биохимия,
радиационная генетика,
противолучевых защиту и терапия радиационных повреждений,
космическаярадиобиология,
радиобиология опухолей,
Возникновение радиобиологии обязано трем
великим открытиям:
1895 год - открытие рентген Х-лучей (рентгеновских);
1896 - открытие Анри Беккерель естественной
радиоактивности урана;
1898 год открытие супругами Кюри (Марией Склодовской и Пьер
ом Кюри)радиоактивных свойств полония
и радия.
Теоретической основой радиобиологии есть 2 постулаты
Нильса Бора (1885-1962).
Первый постулат:
Атомная система может
находиться только в особых стационарных иликвантовых
состояниях, каждому из которых
соответствует определеннаяэнергия. В стационарном
состоянии атом
не излучает.
Второй постулат:
При переходе атома из одного стационарного состояни
яв
другое выпускаетсяили поглощается квант электромаг
нитной энергии.
История радиобиологии индивидуальные, коллективные
и мировые трагедии,научный опыт и случаи.
1895 год - открытие К. Рентгеном Х-лучей
В 1896
году Анри Беккерель (18521908) заметил замедления
прорастания семян горчицы,
находящихся рядом с радиоа
ктивным веществом.
В том же году описаны
случаи эпиляционного эффе
кта и даже ожоги кожи при
рентгенологических исследо
ваниях.
В 1902 году Беккрель получил ожог кожи от ампулы радия,
носивший для демонстрации в жилетном кармане.
В
том
же
году
Пьер
Кюри в плане эксперимента прикрепил к запястью радий и
продержал
его
в
течение
10
дней.
Ожог,
возникший, доказал неслучайность ожега в Анри Беккереля.
Мария
СкадовскаКюри умерла от недиагно
стированого
заболевания крови
1903 год - русский
ученый В.С. Лондон доказал летальное действие радиации
на мышей
Гамбурге - 1936
"Памятник посвящается рентгенологам и
радиологам всех наций, врачам,
физикам, химикам, техникам, лаборантам и сестрам,
которые пожертвовали своей жизнью в
борьбе против болезней их ближних. Они героически
прокладывали путь для эффективного и безопасного приме
нения рентгеновских лучей и радия в медицине.
Слава их бессмертна ".
До 1936 г. погибло 169 человек
В 1959 году пострадавших, погибших от лучевой
болезни и рака, стало 360.
Трагедия на часовой фабрике в Нью-Джерси(Англия).
Трагедия в Хиросиме и Нагасаки
Время: 6 сентября 1945 г 8:15 утра
Бомба: Little Boy ("малыш"), 15 кт
Бомбардировщик: B-29 № 82 "Enola Gay"
Командир: Тиббетс (Tibbets)
Жертв: 66 000 убито, 69 000 ранены
Хиросима
Нагасаки
Время: 9 августа 1945, 11:02 утра
Бомба: Fat Man ("толстяк"), 21 кт
Бомбардировщик: B-29 "Block's Car"
Командир: Свиньи (Sweeney)
Жертв: 39 000 убито, 25 000 ранены
До конца 1945 года погибло более 140 тысяч человек
Арзамас-16
РДС-1
Семипалатинськ, Казахская РСР
29.08.1949 год в 7:00 утра
Семипалатинск, Казахская РСР
РДС-6с - термоядерная бомба
12.08 1953
Семипалатинск, Казахская РСР
25.11.1955
РДС-37 - термоядерная бомба мегатонного класа
Ядерная часть первой
ракеты с подводным
Первая атомная бомба для
фронтовой авиации
Часть мижконтинентальной
балистической ракеты
стартом
Трагедия 1954 года на атоли Бикини (Маршальськие
острова)
100 Мт
Заряд: 100 Мт
Вес: 27 т
Длина: 8 м
Диаметр: 2 м
Время: 11:32 30,11 1961
Место: Новая Земля
Тип Взрыва: Воздушный, высота 4 км
Мощность: 50 Мт
Югославия (1957 год) - атомный реактор вышел
из под контроля и 6 человекполучили дозу быстрых и
медленных нейтронов от 300 до 1000 бэр
Производственное объединение "Маяк" города Челябинска произошел выброс отходов стронция-89, стронция90 (1949), цезия137 и плутония (1956)в реку Тэган на Южном
Урале. Облучению подверглись более 28 тысяч
населения в дозе от 34 до 1270 МэВ.
Чернобыльская трагедия 1986
В результате аварии не
посредственно от боль
ших доз радиации поги
бли 32 человека
Подвергшихся радиационному
воздействию в различных дозах бол
ее 300 тысяч человек.
Подвергшихся радиационному воздействию в различны
х дозах более 300 тысяч человек.
Вопервых, при облучении даже небольшими дозами человек
не чувствует его действия.
Во-вторых, от момента облучения до первых
проявлений радиационных повреждений проходит то или
иное время, то есть скрытый период, тем меньше, чем
больше доза излучения.
В-третьих, не существует жесткой линейной зависимости
между биологическим
эффектом и величиной дозы в диапазоне малых и средних д
оз радиации (при
больших дозах облучения отмечается прямая, линейная
зависимость).
В-четвертых, ионизирующее излучение обладает
кумулятивным свойством даже при малых, но неоднократно повторяющихся доз обл
учения накапливается повреждающим эффектом в
клетке, тканях и организме в целом.
Впятых, радиационные излучения обладают елективнист
ю, избирательностью
действия на определенные органы и ткани живого орган
изма зависит, как уже
упоминалось, от радиочувствительности или радиорезис
тентности биообъекта.
По характеру ионизирующее
излучение можно разделить на два класса:
- Фотонное, т.е. такое, которое представляет
только электромагнитные колебания,
- Корпускулярное, т.е. представляет поток частиц
Виды ионизирующего излучения
Виды излучения
Квантовое
рентгеновское
γ-излучение
тормозное излучение
Корпускулярное
Електроны
Нейтроны
Протоны
α-частицы
β-частицы
π-мезоны
Осколки тяжелых ядер
Рентгеновское
излучение является электромагнитным, (фотонным).
Энергия излучения 10-300 кэВ (килоэлектронвольт).
Источником излучения является вакуумная трубка
Различают два вида излучения:
Характеристическое, т.е. такое, которо
е зависит только от материала анода и
имеет дискретный характер
Тормозное, что имеет непрерывный спектр.
Распределение поглощенных доз рентгеновского
излучения в среде
определяется двумя главными эффектами: фотоэлектрически
м и комптоновским рассеянием.
Схема фотоэфекта
Схема комптоновского розсеевания
Гамма (γ) - излучение по характеру является
фотонным и относится к электромагнитным.
γ-излучение получают при
распаде изотопов радиоактивного элемента.
Применяют как для дистанционного облучения, так и
для внутритканевогооблучения.
Бета-излучение (β) - корпускулярное
излучение, которое состоит из электронов,
движущихся с большими скоростями.
Получают из изотопов фосфора-32, иттрия-90 или золота-198.
Применяют для внутритканевой терапии.
Тяжелые заряженные частицы α-частицы, протоны, дейтроны
Получают при распаде изотопов и с помощью ускорителей.
В чистом виде не используются.
нейтроны
Получают на ускорителе путем бомбардировки бериллиев
ой мишени
электронами. Нейтроны захватываются ядрами легких
элементов (водорода и азота) с
образованием неустойчивых изотопов. Изотопы, образова
вшиеся в свою очередь, распадаются с
образованием ионов.
Чем выше ионизирующая способность излучения,
тем ниже проникающая способность излучения.
Нейтрино практически не
взаимодействует с веществом, дающим ему
возможность путешествовать в пространств
е миллиарды лет не встречая
препятствий, проходя насквозь атомы, звезд
ы и планеты.
α-излучение имеет
небольший пробег в тканях и исключительно большу
ю ионизирующую способность.
Характеристика некоторых видов излучения
α
Скорость,
км,с
15-20
Энергия до
Длинна пробега
(МеВ)
повітря
тканини
9
5-7 см
50-70 мк
β
87-258
3
20 м
γ
300
3
600 м
плотность
ионизации
3000-4000 пар
на 1 мк
До 10 мм 50-70 пар на 1
мк
До 20-30 см 3000 пар на
всьом пути
Радиоактивность - это свойство атомов к
самопроизвольному распаду с испусканием излучения в
виде частиц и квантов излучения.
От водорода до багатонуклонних ядер (Fe56). энергия связи постепеннорастет.
После железа с
увеличением массы ядра энергия связи уменьшается,
делая ядро атома нестабильным.
При распаде ядра выделяются элементарные
частицы (если они меньше ядра гелия) и γ-излучения.
γ-излучение
несет в себе ту разницу энергии связи исходного и конеч
ного продуктов распада ядра.
Три види розпада ядра.
α-распад (испускание ядра гелия) из ядра с исходными А и Z получаем ядро схарактеристиками А-4 и Z-2.
При β-распаде (испускании электрона) один
из нейтронов превращается в протон, а ядро с А и Z в ядро с Z + 1 тем самым А.
При испускании γ-кванта ядро теряет энергию в
виде фотона, но остается с теми же А и Z.
правило сдвига
При α-распаде образуется элемент, расположенный в
таблице Менделеева на две
клетки левее исходного, а при β-распаде на одну клетку правее
Радиоактивные изотопы получают двумя путями:
- Естественные (урановые) изотопы элементов, такие
как
уран-238,
радий-226.
Период полураспада урана238 составляет 4.5 млрд лет, (возраст Земли - 4,7
млрд лет)
- Трансурановые элементы
можно получить искусственно, подвергнув бомбардиро
вке какой-либо элемент в реакторе.
Радиоактивные изотопы, используемые в медицине
Назваие изотопа
Цезий-137
Кобальт-60
Золото-138
Иридий-192
Радий-226
Радон-222
Стронций-90
Тантал-182
Итрий-90
Йод-131
Фосфор-32
Стронций-89
Период
полураспада
30 лет
5,27 лет
2,7 дня
74,4 дня
1622 лет
3,8 лет
28 лет
11,5 дней
64 лет
8 дней
14,3 дня
50,5 дня
Енергия МеВ
β
0,51
0,31
0,96
0,57
3,17
3,17
0,2
γ
0,66
1,17-1,33
0,41
0,30-0,61
0,18-2,20
0,18-2,20
0,07-1,2
0,93
0,19
0,69
0,58
0,284
Единицы измерения в радиологии
Физическая
величина
Единицы
позасистемна
Активность изотопа
Кюри (Сі, Кі)
междунеродная
(СІ)
Беккерель (Bq,
Бк)
Соотношение
между
позасистемной и
СІ
1 Ки=3,7 · 1010 Бк
Експозиционная доза Рентген (R, P) Кулон на
излучения
килограм (С/kg,
Кл/кг)
1 Р = 0,000258
Кл/кг
Поглощенная
доза излучения
Рад (rad, рад)
1 рад = 0,01 Гр
Эквивалентная доза
излучения
Бер (rem, бер) Джоуль на
килограм (І/kg,
Дж/кг)
Грей (Gy, Гр)
1 бер = 0,01
Жд/кг
Мощность экспозици Рентген за
онной дозы
секунду (R/s,
Р/с)
Ампер на
кілограм
1 Р/с = 0,000258
А/кг
Мощность
поглощенной дозы
Рад за
секунду
(rad/s, рад/с)
Грей за секунду
(Gy/s, Гр/с)
1 рад/с = 0,01
Гр/с
Мощность
эквивалентной дозы
Бер за
секунду
Ват на килограм 1 бер/с = 0,01
Вт/кг
(W/kg, Вт/кг)
Основная единица характеристики источника излучения активностьрадиоактивного вещества (беккерель).
1 беккерель (БК) - активность источника излучения, в котором в
течение 1секунды происходит один акт распада.
Экспозиционная доза (кулон на килограмм) энергия фотонного излучения,затраченого на ионизацию массы сух
ого воздуха.
Мощность экспозиционной дозы (ампер / кг) это экспозиционная доза за какой промежуток времени
Поглощенная доза ионизирующего излучения (Грей)-служит для
количественной
оценки энергии излучения, передаваемого объекта.
Поглощенная доза, отнесенная к
единице, времени является мощностью поглощенной
дозы. Единица измерения - 1 Гр / с.
Эквивалентная доза (биологическая характеристика самой
ткани, облучается)- это произведение поглощенной
дозы на средний коэффициент качества Q в данной точке в
зависимости от линейной потери энергии.
Интегральная доза - доза излучения, поглощенная в
определенной массе вещества. Единица измерения 1 Гр / кг.
Основной закон (постулат) радиочувствительности
Бергонье-Трибондо 1906
чувствительность тканей к ионизирующего
излучения
прямо пропорциональная интенсивности ми
тотических и метаболических процессов в
клетке
и
обратно
пропорциональна их дифференциированию.
В радиобиологии и клинике лучевых воздействий приня
то выделять 3 степени
чувствительности клеток и органов к
воздействию ионизирующего излучения:
высокий,
средний,
низкий
Шкала радиочувствительности отдельных клеток, органов и систем
Чувствительно
сть
Високая
Середня
Низкая
Клетки
Органы
Ембриональные,
лимфоциты,
ретикулоэндотелиальные,
сперматогонии,
эритробласты, миелоциты
Клетки сальних и потных
желез волосистых
мешочков. Клетки
герментативного шара,
эпителий хрусталика,
хрящевые клетки,
остеобласты, эндотелий
сусудов
эмбрион,
лимфатическая,
ретикулоэндотелиальная
системы, яичники,
костый мозк
Железистый эпителий, печеночны
е клетки, эпителий
канальцев почки, нервные
клетки, альвеолярный эпителий, к
летки соединительной
ткани, мышечной.
Железы внутренней секреции,
печень, почки, головной
и спинной мозг, мышцы, кости
Кожа, слизистые
оболочки, глаза,
растущие кости, сосудистая си
стема
клиническая дозиметрия
- факторы, связанные с подведением дозы излучения к
специфической точкиили объема в теле больного
- толерантная доза ткани, облучаемой
- Дозы
излучения, необходимые для достижения местного лечения опух
оли.
Толерантной (переносимой) дозой обычно называю
т дозу, при которойчастота поздних осложнений не
превышает 5%.
Зависит от 2 факторов:
- От режима облучения
- Объема (площади) тканей, облучаемых
Оценка по эмпирическим показателем времяфракция-доза - ЧДФ (TDF - С.Orton и F. Ellis).
где
N - количество фракций (сеансов) облучения,
Т - продолжительность курса облучения, включая первый и
последний дни,
d - разовая доза.
Толерантная доза,
дающая 5% вероятность значительных поврежденийздоровых тканей
Тип тканин
Обьем
уровни доз (Гр
протягом Х недель)
ЧФД
Соеденительная
ткань
< 500 см3
63/6
107
> 500 см3
60/6
100
Весь орган
30/3
50
< 50 % органа
40/4
66
Весь орган
20/2
33
< 30 % органа
60/6
100
Весь орган
30/3
50
< 100 % органа
60/6
100
< 2 см (диаметр)
90/3
125
< 10 см (диаметр)
55/3
92
5 см (длина)
45/3
92
< 10 см (длина)
50/5
82
< 10 см (длина)
45/4,5
75
Печень
Почка
легкие
Кожа
Спинной мозк
принцип
можно добиться излечения практически любой опухоли,
однако
осложнения, возникающие при этом, ставят под
сомнение необходимость такого лечения.
Поэтому приходится
ориентироваться на дозы, которые можно реально
подвести к органу, который облучается.
Ориентиром служит доза обеспечивающей 90% местное
лечение
Объем
Уровни доз (Гр
протягом Х
недель)
ЧФД
N0
(субклиничный)
50/5
82
Т1
50/4
93
Раний Т2
52/4
60/6
100
Т2-Т3 N1
70/7
66/6
58/4
115
Лимфогранулемато
з
< 100 см3
30/3
50
> 100 см3
40/4
66
Семинома
N1-3
30/3
60
Лимфосаркома
< 100 см3
30/3
50
Саркомы
Т1-2
70/6
> 125
Тип опухоли
Аденокарцинома
или
пласкоклеточный
рак
Так, для рака Т 2-3 возможен одинаковый эффект при суммарной
дозе в 70 Грза 7 недель по 5 сеансов в неделю, и
58 Гр, подведенных за 4 недели по 5сеансов в неделю.
Методы для измерения параметров ионизирующих
излучений.
Ионизационный метод основан на эффекте ионизации газовой среды и
регистрации возникающих электрических зарядов.
Полупроводниковый метод основан на регистрации изменения электриче
ской проводимости материалов под воздействием облучения.
Термолюминисцентный метод основан на
способности при нагревании после облучения, соединений
кальция, алюмофосфатные стекла давать вспышку света.
Фотографический метод дозиметрии основан на
способности ионизирующего
излучения засвечивать фотопленку. Сцинтилляционные методы дозиметр
ии
основаны на способности веществ превращать поглощенную энергию в
световое излучение.
Калориметрический метод основан на прямом измерении выделенного
при поглощении излучения тепла.
Фоновое облучение человека состоит
из облучения естественными иискусственными источника
ми.
естественный фон и техногенный радиационный фон
от естественных радионуклидов.
Естественный фон ионизирующего излучения обусловлен
космическим излучением и
излучением естественно распределенных природных
радиоактивных веществ
(радиоактивные вещества в горных породах,
почвах, атмосфере,
а также радионуклиды, инкорпорированы в тканях человека)​​.
Естественный фон обуславливается
внешним и
внутренним облучением;
Внешним за счет воздействия на организм излучения от внешних по
отношению к нему источников (космическое
излучение и естественные
радионуклиды в горных породах, почве, атмосфере и др.).
Внутренним - за счет воздействия на организм излучений
естественных радионуклидов,
находящихся в организме (40К и радионуклиды семействауран
а и тория, поступающие в организм с
воздухом, пищей и водой).
Внутреннее
облучение создает примерно 40% естественного
фона, около 60% приходится на внешнее облучение.
Доза естественного
фона зависит от таких факторов, как высота над уровнем
моря, количество и вид радионуклидов
в горных породах и почве, количество радионуклидов,
поступающих в организм человека с
воздухом, пищей и водой.
При перелете из НьюЙорка в Париж пассажир обычного турбореактивного
самолета получает дозу за время полета около
50 мкЗв, а пассажир сверхзвукового самолета, хоть
и подвергается более сильному облучению, но
получает дозу на 20% меньшую за счет значительного
сокращения времени полета.
Суммарная средняя мощность эффективной
эквивалентной дозы для человека от естественного
фона на уровне моря составляет 1 мЗв / год, а в
отдельных районах доза повышенного естественного
фона может превосходить среднюю в десятки раз.
Действие радиации на человека.
Радиация по природе вредна для жизни.
Малые дозы облучения могут "запустить"
не до конца еще установленную цепь событий,
приводящую к раку или к генетическим повреждениям.
При больших дозах радиация может разрушать клетки,
повреждать ткани органов и явиться
причиной скорой гибели организма.
Ионизирующие излучения взаимодействует с веществом
по
одному типу,передавая свою энергию атомам вещества, в
ызывая их возбуждение иионизацию.
Схематично последовательность реакций можно было
бы представить в следующем виде:
излучения
ионные пары
свободные радикалы
химические изменения
биологический эффект
10
-12
Время
секунд
10-9 секунд
10-3 секунд
Секунды-минуты
минуты-часы
Часы-минуты
Сутки-месяцы
Годы
Поколения
Уровень поражения
Физическое взаемодействие,
поглощения энергии, ионизация и возбуждение молекул
Первичные радиохимические реакции, образование ради
калов
Изменение молекул, нарушение биохимии клеток
Поражение структур клеток, - ДНК
Порушення морфології клітин, їх загибель
Нарушение функции
органа, морфологические
изменения в системах
Гибель организма, лучевая болезнь, лучевыереакции
Отдаленные соматические последствия: снижение сопро
тивляемости
организма, сокращение
продолжительности
жизни, развитие опухолей,дистрофические
изменения тканей
Генетические последствия облучения
Стадии лучевого поражения
Различают два вида гибели клеток:
это репродуктивная и
интерфазных гибель.
репродукционная гибель
связана с радиочутливистью тканей и
наступает по прохождению нескольких
делений. Причиной служит запуск программ
ируемой гибели клеток - апоптоза.
интерфазная гибель
связана с денатурацией структурных белков и ферментов про
цесса радиолиза, после которого наступают необратимые
нарушения.
Принципиально для данной
формы гибели радиочувствительность клеток не
играет большого значения.
Выделяют 4 фазы в лучевой реакции:
начальное активное
разрушение свободных клеточных элементов с иходно
временным удалением из органа.
следующее воспаление органа без видимого грубого расп
ада клеток за счетестественной
убыли оставшихся невредимыми, и угнетение механизма
клеточной регуляции
восстановление
поздние дистрофические изменения.