Лекція №14. Дозиметрія випромінювань. Шкідливий вплив випромінювань. Випромінювання в медицині

Для визначення інтенсивності випромінювань використовується дозиметрія, яку здійснюють різними способами. Основними дозами, що використовуються в дозиметрії, є: поглинута доза, експозиційна доза та біологічна доза (еквівалентна).
 
Поглинута доза випромінювання - це енергія іонізуючого випромінювання, поглинута одиницею маси речовини, що поглинає. Поглинута доза визначається для всіх видів іонізуючого випромінювання. Вона залежить від природи випромінювання та властивостей речовини. Поглинута доза вимірюється в греях (Гр). 1 грей – доза, яка характеризує поглинання 1 кілограмом речовини 1 джоуля енергії.
 
Ефект іонізації речовини випромінюванням залежить не лише від величини поглинутої дози, а й від періоду часу, протягом якого випромінювання діяло на об'єкт. Отже, щоб оцінити ефект випромінювання, необхідно також визначити потужність поглинутої дози – величину, що дорівнює відношенню поглинутої дози випромінювання до періоду його дії, або поглинуту дозу за одиницю часу. Вимірюється в [Гр/с] .
 
Експозиційна доза – це загальна кількість радіоактивного випромінювання, що досягає речовини. Ця доза не залежить від характеристик речовини, а визначається лише характеристиками випромінювання. Експозиційна доза визначається для гамма- та рентгенівського випромінювання як загальна кількість іонів, що утворюються в одиниці маси сухого повітря в стандартних умовах (0⁰C, 760 мм.рт.ст.) під дією на нього зазначених видів випромінювання. Одиницею вимірювання експозиційної дози є кулон на кілограм [Кл/кг] . Але зручнішою одиницею вимірювання експозиційної дози є рентген (Р). 1 рентген дорівнює 2,58*10^-4 Кл/кг, що становить приблизно 2 мільйони пар іонів на 1 см³ повітря.
 
Один рентген експозиційної дози дорівнює приблизно 0,01 грея поглинутої дози в м'яких тканинах людини.
 
Потужність експозиційної дози - величина експозиційної дози, що припадає на одиницю часу. Вимірюється в [Р/с], [Р/год].
 
Біологічна доза (еквівалентна). Згадані вище поглинута й експозиційна дози характеризують лише фізичний ефект випромінювання. Біологічна доза використовується для оцінки біологічного ефекту випромінювання, який сильно залежить від виду випромінювання.
 
Щоб схарактеризувати залежність біологічного ефекту іонізуючих випромінювань від виду випромінювання, використовують коефіцієнт відносної біологічної ефективності (ВБЕ) випромінювання. Величину зазначеного коефіцієнта для різних видів випромінювання визначали експериментально, порівнюючи вироблювані ними ефекти з ефектами, що їх викликає дія певних стандартних доз рентгенівського випромінювання на біологічні об'єкти. Одним із тестованих об'єктів було око тварини, у якому викликали катаракту дією різних видів випромінювання. Було встановлено, що при ВБЕ = 1 для γ-частинок і рентгенівських променів значення ВБЕ становить 2-10 для нейтронів, 10 для протонів і 20 для α-частинок.
 
Позитивні іони спричиняють більшу іонізацію під час проходження через одиницю довжини речовини, ніж електромагнітні хвилі за однієї й тієї самої поглинутої дози випромінювання. Однак їхні ефекти більш обмежені, оскільки вони затримуються поверхневими тканинами через малий коефіцієнт поглинання.
 
Біологічна доза (еквівалентна) випромінювання розраховується множенням поглинутої дози на коефіцієнт ВБЕ. Одиницею вимірювання біологічної дози є зіверт (Зв), який дорівнює 1 грею поглинутої (й еквівалентної) дози рентгенівського та гамма-випромінювань.

Енергія іонізуючих випромінювань значно відрізняється від теплової енергії. Смертельна експозиційна доза гамма-променів дуже незначно змінює температуру тіла. Випромінювання, проходячи крізь живі клітини, змінюють структуру важливих біологічних молекул. При цьому тривала дія невеликої дози випромінювання є сприятливішою, ніж швидка дія тієї самої дози, оскільки при тривалій дії відбуваються виправлення (репарація) деяких ушкоджень.
 
Великі дози іонізуючого випромінювання спричиняють характерні ушкодження в організмі людини чи тварин і призводять до виникнення променевої хвороби.
 
Патогенез променевої хвороби вивчено детально. Головним чином, первинним ефектом випромінювання в живих клітинах є іонізація молекул води, концентрація яких більша, ніж інших молекул у цитоплазмі. Одержуючи енергію випромінювання, молекули води втрачають електрони й утворюють позитивні іони. Вільні електрони приєднуються іншими молекулами води з утворенням негативних іонів.
H₂O → H₂O⁺ + e^-;   H₂O + e^-→ H₂O^- ;
 
Такі іони води нестійкі й швидко розпадаються, утворюючи вільні радикали (водень і гідроксил).
H₂O^-  → H^• + OH^-  ;  H₂O⁺ → H⁺ + OH^•
       
Як відомо, вільні радикали характеризуються дуже великою хімічною активністю. Вони вступають у реакцію з іншими хімічними речовинами, утворюючи дедалі більше вільних радикалів.
 
Також утворюється перекис водню. Ця речовина відома як сильний окисник:
OH^• + OH^• →H₂O₂
Вільні радикали діють на білки, нуклеїнові кислоти та інші біологічні молекули. Ця дія може полягати в розриві ланцюгів білків і нуклеїнових кислот або в утворенні в їхніх молекулах зв'язків з неправильною валентністю. У результаті функція цих важливих біологічних молекул порушується.
 
У живій клітині до іонізуючого випромінювання чутливіше ядро, ніж цитоплазма. Це було доведено в експериментах на амебах. Першу групу тварин піддали дії летальної дози випромінювання. Згодом їхні ядра було вилучено й замінено ядрами здорових амеб, що становили другу експериментальну групу. Останні, навпаки, отримали ядра клітин опромінених амеб. Амеби першої групи залишилися живими, тоді як амеби другої групи загинули.
 
Дія випромінювання є найшкідливішою в період поділу клітини. Як правило, найчутливішими до опромінення є клітини, які ростуть і діляться. Це стосується незрілих клітин крові, епітелію кишечника, статевих клітин тощо. Зародки й немовлята більше піддані шкідливій дії випромінювань, ніж дорослі люди.
 
Негайні ефекти, що їх викликають в організмі людини великі дози випромінювання, досліджено на жертвах вибухів атомних бомб та аварій на
 
атомних електростанціях. Загальна доза опромінення тіла менш як 0,25Зв не має помітної дії. Сумарна доза понад 1Зв спричиняє порушення кровотворення, а понад 8 Зв - серйозні шлунково-кишкові порушення. Смерть зазвичай настає через кілька днів (тижнів), якщо доза становить більш ніж 5 Зв, і пацієнт не отримав жодної медичної допомоги.
 
Висока чутливість до іонізуючих випромінювань притаманна людям і таким тваринам, як мавпи, коні, собаки тощо. Гризуни менш чутливі й можуть залишатися живими після отримання ними дози 7-8Зв. Риби й амфібії можуть витримувати дози випромінювання, що дорівнюють кільком десяткам зівертів, а комахи - сотням зівертів.
 
Існують небезпечні віддалені ефекти дії випромінювання. Короткочасні сублетальні дози та дози, набуті поступово протягом тривалого періоду часу, можуть призвести до раку після латентного періоду, що становить багато років. При опроміненні дозою від 1Зв до 5Зв шанс смерті від раку подвоюється. У різноманітних дослідженнях, що охоплюють експерименти на тваринах і дані, отримані на людях, збільшення показника захворюваності на рак прямо пропорційне загальній дозі опромінення.
 
Інші віддалені наслідки дії випромінювання - генетичні дефекти, або мутації. Відомо, що частота мутацій підвищується під дією іонізуючих випромінювань, деяких хімічних речовин тощо. Мутації, викликані випромінюванням, подібні до тих, що виникають природним шляхом. Збільшення частоти мутацій призводить до підвищення рівня передродової смертності та збільшення числа дітей, що народилися з серйозними дефектами. Показано, що показник числа мутацій пропорційний дозі, незалежно від її величини.

Усі люди підлягають хронічній дії низьких доз іонізуючого випромінювання, яке виникає від космічних променів і від радіонуклідів, що містяться в навколишньому середовищі. Космічні промені включають майже всі типи іонізуючих випромінювань і характеризуються великою проникною здатністю. Доза, яку отримують організми внаслідок дії космічних променів, становить майже 0,4 мЗв за рік на рівні моря (в горах більше).
 
Природний фон випромінювання залежить також від концентрації радіонуклідів у ґрунті та скелях (U, Th, Ra тощо) Середня доза випромінювання від природних радіонуклідів у США становить 0,4 мЗв за рік. Але в деяких місцях, наприклад у Бразилії та Індії, ґрунт має високий вміст торію, і дози випромінювання в цих місцях у кілька десятків разів перевищують нормальні середні значення. Велику увагу приділяють радіоактивному газу радону, який розчинений у підземній воді.
 
Середня доза випромінювання США від космічних променів і всіх зовнішніх радіонуклідів становить майже 0,7 мЗв за рік.
 
До природного радіоактивного фону додається випромінювання штучного походження, доза якого майже дорівнює дозі, що її отримують від випромінювань природного походження. Найсуттєвішим джерелом штучного випромінювання є медична рентгенодіагностика.
 
Дія навіть малих доз випромінювань пов'язана з невеликим, але реальним ризиком для здоров'я людини. Національна рада США встановила гранично допустиму дозу (ГДД) для працівників, трудова діяльність яких пов'язана з використанням джерел випромінювання, і для широких мас населення від усього штучного випромінювання (крім використовуваного в медичній діагностиці та лікуванні). ГДД для персоналу, що працює з джерелами випромінювань – 50 мЗв за рік. Середня величина ГДД для населення - 1,7 мЗв за рік. Випромінювання виробничих приладів (наприклад, телевізорів, дисплеїв комп'ютерів тощо) не повинно піддавати населення дії доз, більших, ніж невелика частка ГДД. Оцінено також, що медичне опромінення, яке використовують у рентгенологічній діагностиці, може бути зменшене шляхом застосування сучасних, добре екранованих приладів.

Медична радіологія є розділом медичної науки, в якому використовуються випромінювання в діагностиці та лікуванні хвороб. Незважаючи на ризик, використання іонізуючих випромінювань у медичних дослідженнях, діагностиці й терапії є неоціненним. Радіонукліди, що використовуються в медичній радіології, одержують у реакторах і прискорювачах.

Нині синтезується велика кількість різних біологічних сполук, які містять радіонукліди водню, вуглецю, фосфору, сірки тощо. Їх уводять в організм експериментальних тварин для того, щоб дослідити біохімічні та фізіологічні процеси. Радіоактивні ізотопи, що застосовуються для вивчення метаболізму нерадіоактивних речовин, називаються слідкувальними пристроями. Радіоактивний препарат готується нейтронним бомбардуванням стабільного елемента, який захоплює нейтрони з утворенням важких радіоактивних нестабільних ізотопів.
 
Радіоактивність цих слідкувальних пристроїв уможливлює дуже точно, якісно й кількісно простежити їхні шляхи та метаболізм. Активний і пасивний транспорт натрію та калію, метаболізм цукрів і ліпідів, синтез білків і нуклеїнових кислот є прикладами фундаментальних біологічних процесів, які вивчено за допомогою радіоактивних слідкувальних пристроїв.

Радіоактивні слідкувальні пристрої поглинаються досліджуваним органом. Детектор випромінювання перебуває за межами органа протягом якогось часу та в різних положеннях. Для того щоб мінімізувати дозу, добирають недовговічні радіонукліди. Ці радіонукліди випромінюють гамма-промені з енергією, яку виявляють за допомогою детектора. Для цього часто придатний недовговічний радіоактивний технецій, який розпадається до стабільного стану, випромінюючи гамма-промені з періодом піврозпаду, що дорівнює шість годин. У складі відповідних хімічних сполук радіоактивний технецій може бути спрямований у різні органи.
 
Введення радіоактивних слідкувальних пристроїв дозволяє вивчати швидкість поглинання та виведення певних речовин серцем, нирками, печінкою, мозком, щитоподібною залозою та іншими органами. Наприклад, коли сечогінні засоби, що містять слідкувальний пристрій, надходять у нирки, про можливі аномалії нирок можуть сигналізувати зміни стандартних кількостей поглинання та виділення.
 
Сканування щитоподібної залози проводять за допомогою слідкувального пристрою складного складу. Оскільки нефункціонуюча тканина щитоподібної залози не поглинає таку речовину, вона утворює менш радіоактивну ділянку в щитоподібній залозі, що реєструють за допомогою поверхнево розташованих детекторів випромінювання.
 
Для формування зображення гамма-променів при скануванні  різних органів необхідний пристрій, що виявляє радіоактивність поглиненого слідкувального пристрою. Випромінювання з невеликих ділянок виявляють спеціальними лічильниками. Лічильник повільно переміщують або розташовують нерухомо над досліджуваною ділянкою тіла, а імпульси, що генеруються, записують на дисплеї або аркуші паперу.
 
Емісійна позитронна томографія - один із найцінніших методів діагностики, в якому використовують радіонукліди. Цей метод ґрунтується на феномені анігіляції, що виникає при взаємодії позитрона з електроном, у результаті чого утворюються фотони гамма-випромінювання. Короткоживучі радіонукліди виробляють за допомогою циклотрона або іншого типу прискорювачів. Найчастіше використовують радіоактивні ізотопи кисню, вуглецю або азоту. Усі вони здатні до позитронного  β - розпаду.
 
Певні хімічні сполуки, що містять радіонукліди, вводять в орган, який цікавить, наприклад, у мозок. Тут вони піддаються метаболізму й випромінюють позитрони. При взаємодії позитронів і атомних електронів відбувається їх взаємознищення, що супроводжується гамма-випромінюванням. Цей метод дає можливість отримувати точну інформацію щодо метаболізму клітини в нормальному та патологічному станах.

Клітини, що діляться, найчутливіші до дії іонізуючого випромінювання. Клітини злоякісних пухлин діляться частіше, ніж клітини нормальних тканин. Швидко поділювані ракові клітини та клітини саркоми дуже чутливі до іонізуючих випромінювань. Нормальні тканини мають більшу здатність відновлюватися від ефектів іонізуючих випромінювань, ніж клітини злоякісних пухлин. Таким чином, доза випромінювання, достатня, щоб знищити ракові клітини, лише незначно й тимчасово ушкоджує суміжні нормальні клітини.
 
Найчастіше випромінювання застосовують для лікування ракових пацієнтів разом із хірургічним втручанням і лікуванням протипухлинними препаратами. Використовують зовнішнє опромінення за допомогою спеціальних приладів – рентгенівських апаратів; пристроїв, що містять радіоактивний кобальт, або електронних прискорювачів. Поверхневе опромінення (здебільшого за допомогою рентгенівських променів) використовують при лікуванні злоякісних хвороб шкіри та очей. Гамма-промені, що їх випромінює радіоактивний кобальт, забезпечують велику ефективну дозу опромінення пухлин глибоких тканин тіла. Крім того, у пухлину можуть бути імплантовані заповнені радієм голки, невеликі зерна, що містять газ радон, або дріт, що містить штучні радіонукліди. Також використовують промені прискорювача, які являють собою потік високоенергетичних електронів, що депонують більшість своєї енергії в невеликій ділянці біля місця їхньої дії.