Принципы расчета эквивалентной дозы внутреннего облучения при непрерывном поступлении радионулидов в организм с постоянной скоростью

В этом случае активность радионуклида, попадающего в орган, будет изменяться не по формуле (3.5), а более сложным образом, поскольку она будет не только убывать, но и увеличиваться за счет поступления радионуклидов в организм из внешней среды. Для установления закона изменения активности со временем и последующего интегрирования формулы (3.4) для расчета эквивалентной дозы, в начале составим дифференциальное уравнение:

d [A(t)] = v f dt - l _эф A(t) dt. (3.11)

Здесь d [A(t)] - изменение активности радионуклида в организме за время dt. Оно обусловлено двумя причинами. Первая из них – это прирост активности за счет поступления радионуклидов в организм с воздухом, водой и пищей, описываемый положительным слагаемым в правой части уравнения. Скорость поступления радионуклидов в организм (v), измеряемая в Бк/сут., считается постоянной. Ее значение может быть получено из данных санитарного контроля удельной активности конкретного радионуклида в воздухе, воде и продуктах питания, а также из данных о суточном потреблении данного продукта.

Например, сответствующие измерения показали, что удельная активность атмосферного воздуха по составляет А _v = 1,8×10^-2 Бк/л, объем легочной вентиляции равен V = 2×10⁴ л/сут. Тогда скорость поступления этого радионуклида в организм с дыханием составляет: v = А_v × V = 360 Бк/сут.

Следует учитывать, что радионуклиды, попадающие в организм из внешней среды, не полностью депонируются в определенном органе. Этот факт в уравнении (3.11) отражается введением коэффициента f, который определяет долю радионуклида, попадающего в орган с дыханием или заглатыванием. Величина f для каждого радионуклида может быть получена из справочных данных. Так, для при поступлении его в организм с дыханием коэффициент f = 0,75.

Вторая причина изменения активности радонуклидов в организме – это ее уменьшение за счет процессов распада и выведения. В уравнении (3.11) она учитывается отрицательным слагаемым, в которое входит A(t) - временная зависимость активности, которую и следует найти решением данного дифференциального уравнения.

Решая уравнение (3.11) с учетом начального условия (при t = 0, A(t) = 0), и выражая l _эф через Т_эф, получим:

A(t) = . (3.12)

В крайних частных случаях формула (3.12) может быть упрощена.

а) Короткоживущие и быстро выводимые радионуклиды (t >> Т_эф).

Тогда сомножитель в скобках формулы (3.12) обращается в нуль и выражение для активности приобретает вид:

A(t) = . (3.13)

б) Долгоживущие и не выводимые из организма радионуклиды (t << T_эф).

В этом случае активность определяется только коэффициентом f, временем и скоростью поступления радионуклида:

A(t) = v f t (3.14)

Для получения расчетной формулы, определяющей эквивалентную дозу внутренного облучения, полученную (при отмеченных условиях) органом массы m за время t₁ необходимо выражение для активности (3.12) подставить в формулу (3.4) и произвести интегрирование:

H = (3.15)

Конечный результат имеет вид:

Н (3.16)

Для короткоживущих и быстровыводимых радионуклидов подстановка формулы (3.13) в (3.4) и последующее интегрирование приводит к результату:

H = . (3.17)

Для долгоживущих и невыводимых из организма радионукдлидов в формулу (3.4) подставим формулу (3.14) и в результате интегрирования получим следующее выражение для эквивалентной дозы:

H = . (3.17)

Итак, приведенные расчетные методы позволяют определять эквивалентную дозу облучения по данным об удельной активности воздуха, воды и продуктов питания, а также о радионуклидном составе радиационного загрязнения. Они позволяют решать и другую важную задачу – определять предельно допустимые концентрации различных радионуклидов в продуктах питания и окружающей среде.

3.11. Основы биологического действия ионизирующих
излучений

Поглощенная энергия ионизирующих излучений, воздействующих на живые ткани, вызывает сильные структурные и функциональные изменения в облучаемых биологических объектах. Прямое физико-химическое действие, возникающее при этом на молекулярном и клеточном уровне, обуславливается ионизацией атомов и молекул, расщеплением молекул белка, разрывом наименее прочных химических связей и другими изменениями. Необходимо заметить, что прямая ионизация и непосредственная передача энергии тканям тела не объясняют повреждающего действия излучения. Так, при абсолютно смертельной дозе, равной для человека 6 Гр на все тело, в 1 см³ ткани образуются 10¹⁵ ионов, что составляет одну ионизированную молекулу воды из 10 млн.молекул.

Так как основную часть массы тела человека составляет вода, то первичные физико-химические процессы, обусловленные действием ионизирующих излучений во многом определяются поглощением излучения водой. В результате ионизации из молекулы воды выбивается электрон и образуется положительно заряженная молекула Н₂О⁺ : Н₂О ® Н₂О⁺ + е^-. Образовавшийся электрон постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу Н₂О^-. Эти молекулы не являются стабильными и распадаются, образуя ион и свободный радикал:

Н₂О⁺ ® Н⁺ + ОН^° и Н₂О^- ® Н^° + ОН^-.

Таким образом, при радиолизе воды образуются химически высоко активные свободные радикалы типа ОН^° и Н^°. Взаимодействуя с органическими молекулами, они способны превращать их в радикалы, обладающие высокой реакционной способностью. В дальнейшем под действием первичных процессов в клетках возникают функциональные изменения, подчиняющиеся биологическим законам жизни клеток.

Наиболее важные изменения в клетках: а) повреждение механизма митоза (деления) и хромосомного аппарата облученной клетки; б) блокирование процессов обновления и дифференцировки клеток; в) блокирование процессов пролиферации и последующей физиологической регенерации тканей.

Радиочувствительность - чувствительность биологических объектов к поражающему действию ионизирующего излучения. Радиорезистентность - понятие, противоположное радиочувствительности.

Количественная оценка радиочувствительности производится путем определения поглощенных доз ионизирующего излучения, вызывающего определенный биологический эффект.

Наиболее радиочувствительными в организме являются ткани, имеющие резерв активно размножающихся малодифференцированных клеток: кроветворная ткань, гонады, эпителий тонкого кишечника.

Наименее радиочувствительны высокоспециализированные малообновляющиеся ткани, например, мышечная, костная, нервная.

В качестве биологических эффектов, определяющих радиочувствительность на тканевом уровне, используют цитокинетические параметры: долю клеток, выживших (или погибших) после облучения, а также долю клеток с хромосомными аберрациями.

На популяционном уровне радиочувствительность зависит от особенностей генотипа (в человеческой популяции 10-12% людей отличаются повышенной радиочувствительностью); от физиологического состояния (например, сон, бодрость, усталость, беременность); пола (более чувствительны мужчины, у мужчин обмен интенсивнее); возраста (наименее чувствительным является зрелый возраст).

На эволюционном уровне радиочувствительность зависит от сложности организации живого организма. Наименее радиочувствительными являются бактерии, для некоторых из них критерий полулетальной дозы ЛД_50/30 составляет 1000-3000 Гр (в канале ядерного реактора обнаружены бактерии, которые живут при дозах 100000 Гр в сутки). Наиболее радиочувствительными являются человек (2,5 -3 Гр), собаки (2,5-3Гр), обезьяны (2,5-4 Гр).

Возможно искусственное изменение радиочувствительности. Оно может осуществляться как в сторону ее увеличения так и снижения. Физические и химические агенты, применяемые для противолучевой защиты - радиопротекторы, а для увеличения радиочувствительности - радиосенсибилизаторы. Так, гипертермия, гипергликемия, гипербарическая оксигенация повышают радиочувствительность. Гипоксия, вызывающая уменьшение тканевого напряжения кислорода, увеличивает радиорезистентность тканей (что используется для защиты здоровых тканей при лучевой терапии).

Классификация возможных последствий облучения на организменномуровне показана на приведенной ниже схеме (В.Ф.Козлов, «Справочник по радиационной безопасности», М., 1987.).

Соматические (телесные) эффекты - это последствия воздействия облучения на самого облученного, а не на его потомство. Соматические эффекты облучения делятся на стохастические (вероятностные) и нестохастические.

К нестохастическим соматическим эффектам относят поражения, тяжесть которых зависит от дозы облучения и для возникновения которых существует дозовый порог. К таким эффектам, например, локальное незлокачественное повреждение кожи (лучевой ожог), катаракты глаз (потемнение хрусталика), повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стерилизация) и др. Эти эффекты проявляются, если превышается высокая пороговая доза.

Соматико-стохастические и генетические эффекты облучения, которые имеют вероятностную природу, обнаружить трудно, так как они незначительны и имеют длительный латентный (скрытый) период, измеряемый десятками лет после облучения. К соматико-стохастическим эффектам относят злокачественные новообразования и опухоли, индуцированные излучением.

Вероятность их появления зависит от дозы облучения и не исключается при малых дозах, так как полагают, что соматико-стохастические эффекты не имеют дозового порога.

Генетические эффекты – врожденные уродства – возникают в результате мутаций и других нарушений в половых клеточных структурах, ведающих наследственностью. Генетические эффекты, так же как и соматико-стохастические, не имеют порога. Выход обоих эффектов мало зависит от мощности дозы, а определяется суммарной накопленной дозой не зависимо от того, получена она за 1 сутки или за 50 лет. Соматико-стохастические и генетические эффекты должны учитываться при оценке ущерба в результате действия малых доз на большие группы людей, насчитывающие сотни тысяч человек. Выход этих эффектов определяется коллективной дозой, а выявление эффекта у отдельных индивидуумов практически непредсказуемо.

Доза 6Гр (доза 100%-ной летальности) вызывает смерть всех облученных людей не имевших медицинского лечения.