Ионизирующие излучения

Первые исследования ионизирующего излучения были проведены в конце XIX в. В 1895 г. немецкий физик В.К. Рентген открыл «Х-лучи», названные впоследствии рентгеновским излучением. В 1896 г. французский физик А. Беккерель обнаружил следы естественной радиоактивности солей урана на фотографических пластинках. В 1898 г. супруги Мария и Пьер Кюри установили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов они назвали «радий» (Ra) (от лат. «испускающий лучи»).

Ионизирующее излучение – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Ионизирующие излучения подразделяются на корпускулярное и фотонное.

К корпускулярному излучению относятся: a, b-, протонные и нейтронные излучения.

a-излучение – это поток ядер гелия, образующихся при радиоактивном распаде. Они имеют массу 4 и заряд +2. К a-излучателем относятся около 160 природных и техногенных радионуклидов, большинство которых находятся в конце периодической системы элементов (заряд ядра > 82). a-частицы распространяются в средах прямолинейно, имеют незначительный пробег (расстояние, на котором частицы теряют свою энергию, взаимодействуя с веществом): в воздухе – менее 10 см; в биологических тканях 30-150 мкм. a - частицы обладают высокой ионизирующей и низкой проникающей способностью.

b-излучение – это поток электронов и позитронов. Их масса в десятки тысяч раз меньше массы a-частиц. К b-излучателям относятсяоколо 690 природных и техногенных излучателей. Пробег b-частиц составляет в воздухе несколько метров, а в биологических тканях - около 1 см. Они обладают более высокой, чем a - частицы, проникающей способностью, но меньшей ионизирующей.

Протонное излучение – поток ядер водорода.

Нейтронное излучение – поток ядерных частиц, не имеющих заряда с массой, близкой к массе протона. Свободные нейтроны захватываются ядрами. При этом ядра переходят в возбужденное состояние и делятся с выделением g-квантов, нейтронов и запаздывающих нейтронов. Благодаря запаздывающим нейтронам реакция деления в ядерных реакторах является управляемой. Нейтронное излучение обладает более высокой ионизирующей способностью, по сравнению с другими видами корпускулярного излучения.

Фотон – это квант энергии электромагнитного излучения высокой частоты. Фотонное излучение делится на рентгеновское и g-излучение. Они обладают высокой проникающей и малой ионизирующей способностью.

Рентгеновское излучение – это искусственное электромагнитное излучение, возникающее в рентгеновских трубках («Х – лучи»).

g-излучение – это электромагнитное излучениеестественного происхождения. g-лучи распространяются прямолинейно, не отклоняются в электрических и магнитных полях, имеют большой пробег в воздухе.

Непосредственно ионизирующее излучение – это излучение состоящее из заряженных частиц, например, a, b-частиц. Косвенно ионизирующее излучение – это излучение, состоящее из незаряженных частиц, например, нейтронов или фотонов. Они создают вторичное излучение в средах, через которые проходят.

Ионизирующее излучение описывается следующими физическими величинами

Активность вещества A определяется скоростью радиоактивного распада:

A = dN/dt

где: dN – число спонтанных ядерных превращений за время dt.

Единицы активности:

в системе СИ - Беккерель: 1 Бк = 1 расп/с

внесистемная единица – Кюри: 1 Ки = 3.7 ^. 10¹⁰ расп/с, что соответствует активности 1 г. чистого Ra.

Период полураспада Т_1/2 – время, необходимое для уменьшения активности радионуклидов в 2 раза. Для U-238 Т_1/2 = 4,56 ^. 10⁹ лет, для Rа-226 Т_1/2 = 1622 года.

Экспозиционная доза X – энергия ионизирующего излучения, вызывающая образование в воздухе заряда dQ одного знака в элементарном объеме, массой dm.

X = dQ/dm

Единицы экспозиционной дозы:

в системе СИ 1 Кл/кг = 3880 Р.

внесистемная единица – Рентген: 1 Р

Поглощенная доза D определяется количеством поглощенной энергии dE на единицу массы облучаемого вещества dm.

D = dE/dm

Единицы поглощенной дозы:

в системе СИ Грей: 1 Гр

внесистемная единица 1 рад = 0,01 Гр

1 Р = 0.87 рад

1 рад = 1.14 Р

Название «рад» - от первых букв термина «radiation absorbed dose».

Эквивалентная доза H_R показывает опасность различных видов радиационного облучения биологических тканей и равна:

H_R = D ^. W_R

где: W_R – весовой коэффициент, отражающий опасность того или иного вида ионизирующего излучения для организма.

рентгеновское, g-излучение, b-излучение W_R = 1;

нейтроны W_R = 5-20;

a-частицы W_R = 20.

Единицы эквивалентной дозы:

в системе СИ 1 Зв в честь шведского ученого Зиверта

внесистемная единица – 1 бэр = 0.01 Зв

бэр – биологический эквивалент рада.

Эффективная эквивалентная доза H_E – это величина риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Разные органы и ткани имеют разную чувствительность к облучению. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения H_R возникновение рака легких более вероятно, чем щитовидной железы. Поэтому, введено понятие эффективной эквивалентной дозы.

H_E = H_R ^. W_T

где: W_T – весовой коэффициент для биологической ткани.

åW_T = 1

Орган или ткань	WT
Гонады (половые клетки)	0.20
Красный костный мозг	0.12
Толстый кишечник	0.12
Легкие	0.12
Желудок	0.12
Мочевой пузырь, печень	0.05
Грудная железа	0.05
Пищевод	0.05
Щитовидная железа	0.05
Кожа	0.01
Клетки костных поверхностей	0.01
Остальное	0.05

Источниками ионизирующих излучений являются атомные реакторы АЭС, ледоколов, подлодок; зольные выбросы угольных ТЭС; рентгенологическое оборудование; радиотерапевтические препараты, стройматериалы. Например, при распаде радия Ra-226 образуется радиоактивный газ радон Rn-222, который является a-радиоактивным. Значительный вклад в радиационный фон жилых помещений вносят строительные материалы, содержащиеU-238. В промышленности широко используются радиоактивные источники закрытого типа: толщиномеры, плотномеры, рентгеновские установки для исследования структуры кристаллов, дефектоскопы.

При работе с радиоактивными веществами возможно попадание их внутрь организма, через легкие и желудочно-кишечный тракт, а также через неповрежденную кожу. Особенно опасны в этом отношении работы по разработке радиоактивных руд. Выраженность возникновения поражения организма зависит не только от дозы облучения, но и от вида излучения. В этом состоит радиобиологический парадокс ионизирующего излучения – биологический эффект радиации определяется не только поглощенной организмом энергией, но и физической природой излучения, видом частиц или спектром электромагнитного поля. Установлено, что тяжесть последствий зависит от времени накопления дозы. Если интервал времени получения дозы большой, то поражающее действие ее меньше, чем при одномоментном получении той же дозы. Отмечена также зависимость тяжести лучевого поражения от состояний организма.

Попадая в организм радиоактивные вещества могут заноситься кровью в различные ткани и органы, становясь источником внутреннего излучения. Особую опасность представляют долгоживущие изотопы, которые на протяжении почти всей жизни пострадавшего могут быть источниками ионизирующего излучения. Выводятся радиоактивные вещества через желудочно-кишечный тракт, кожу, дыхательные пути.

Ионизирующему излучению могут подвергаться работающие с рентгеновскими и - лучами при осуществлении дефектоскопии на промышленных предприятиях, работающих на ускорительных установках элементарных частиц, обслуживающий персонал реакторов, занятые на разведке и добыче полезных ископаемых.

Патогенез: действие радиации на молекулы белка приводят к их денатурации (распаду). Особенно чувствительны к действию радиации хромосомы ядер и цитоплазма. В клетках вырабатываются токсичные вещества за счет продуктов распада белков. Наблюдается специфическое повреждение костного мозга - клеток кроветворения. Неспецифическое действие радиации – разрушение эндокринной и нервной систем.

В зависимости от поглощенной организмом дозы последствия облучения могут быть детерминированными или вероятностными. Первые имеют дозовые пороги - четкую связь тяжести последствий облучения с поглощенной дозой. Вторые носят статистический характер и не имеют дозовых порогов. Частота проявления этих эффектов пропорциональна поглощенной организмом дозе, а тяжесть поражения при этом не зависит от дозы.

К вероятностным последствиям облучения ионизирующим излучением относят канцерогенные эффекты (злокачественные опухоли, лейкоз) и генетические эффекты (наследственные заболевания, генные мутации). Статистические эффекты имеют долгий скрытый период проявления, исчисляемый иногда десятилетиями после облучения.

К детерминированным последствиям облучения относят лучевую болезнь. Классификация лучевых болезней включает острую лучевую болезнь и хроническую лучевую болезнь.

Острая лучевая болезнь (ОЛБ) - развивается при внешнем - и нейтронном облучении в дозе, превышающей 1 грэй (Гр) (1 Гр = 100 рад), полученной одномоментно или в течение короткого промежутка времени (от 3 до 10 суток), а также при поступлении внутрь радионуклидов, создающих адекватную поглощенную дозу.

В диапазоне доз от 1 до 6 Гр развивается костномозговая форма ОЛБ с преимущественным поражением кроветворения различной степени тяжести. При крайне тяжелом поражении (доза от 6 до 10 Гр) в клинической картине наряду с глубоким угнетением кроветворения возникают характерные поражения кишечника, в связи с чем некоторые исследователи обозначают эту патологию как переходную от костно-мозговой к кишечной форме.

Костномозговая форма ОЛБ. Костномозговой синдром при этой форме ОЛБ является ведущим, определяющим в значительной мере патогенез, клинику и исход заболевания. Инфекционные осложнения и геморрагический синдром (кровотечения) в основном представляют собой характерное следствие распада клеток. В зависимости от величины поглощенной дозы эта форма подразделяется по тяжести на 4 степени.

1 степень – при дозе 1 – 2,5 Гр;

2 степень – при дозе 2,5 – 4 Гр;

3 степень – при дозе 4 – 6 Гр;

4 степень – при дозе 6 – 10 Гр.

Характерна отчетливая периодичность - фазность течения болезни. Выделяют 4 периода заболевания.

Период первичной реакции. Особое внимание уделяется наличию отдельных симптомов первичной реакции, времени их появления от момента облучения, продолжительности и выраженности. Симптомы первичной реакции могут быть разделены на четыре группы:

- диспепсические - тошнота, рвота, понос

- общеклинические - нарушение сознания, слабость (недомогание), головная боль, изменение двигательной активности, повышение температуры тела

- гематологические – показатели крови, лейкоцитоз

- местные - изменение кожи, слизистых и других тканей в местах наибольшего облучения.

Особая значимость в оценке первичной реакции принадлежит в первые 3 суток показателям крови. Лейкоцитоз является надежным количественным показателем для оценки тяжести лучевого поражения и прогнозирования течения заболевания в последующие сроки.

Клинические проявления периода первичной реакции являются не только следствием прямого повреждения радиочувствительных систем организма (задержка клеточного деления, уменьшение числа или исчезновение молодых форм кроветворных клеток), но и свидетельствуют о ранних нарушениях нервно-регуляторных и гуморальных механизмов (диспепсические, общеклинические, сосудистые расстройства).

Латентный период. После периода первичной реакции наступает относительное улучшение состояния. Прекращается рвота, тошнота, уменьшается гиперемия кожи и слизистых, нормализуется сон и аппетит, улучшается общее самочувствие. Объективные клинические симптомы выражены нерезко. Выявляются неустойчивость пульса и артериального давления. Изменения в кроветворении продолжают прогрессировать. Длительность латентного периода зависит от степени тяжести ОЛБ: 1 ст. - до 3-х суток, 2 ст. – 15 - 28 суток, 3 ст. – 8 - 15 суток, 4 ст. - может и не быть или менее 6 - 8 суток.

Наибольшее внимание в латентный период должно быть уделено динамике гематологических показателей. Решающее прогностическое значение имеет уровень лимфоцитов на 3 - 6 сутки. На этот период приходится появление эпиляции. Пороговая поглощенная доза облучения, вызывающая эпиляцию, близка к 2,5 - 3 Гр. Наиболее радиочувствителен волосистый покров на голове, подбородке, в меньшей мере - на груди, животе, лобке, конечностях. Эпиляция ресниц и бровей наблюдается при облучении дозой 6 Гр и более.

Период разгара заболевания. Прогрессирующее поражение костномозгового кроветворения достигает значительных и крайних степеней. Проявляются нарушения иммунитета с последующим снижением защитных свойств организма и формированием инфекционных осложнении. Нарушения тканей и особенно кожи, слизистых оболочек кишечника и полости рта ведут к повышению проницаемости физиологических барьеров, поступлению в кровь токсических продуктов и микробов, развитию токсемии, бактериемии, сепсиса. Развивается анемия. Осложнения носят смешанный инфекционно-токсический характер.

Сроки наступления периода разгара и его продолжительность зависят от степени тяжести ОЛБ:

1 ст. наступает на 30-е сутки, длится 10 суток

2 ст. -"- на 20-е, -"-15 суток

3 ст. -"- на 10-е, -"- 30 суток

4 ст. -"- на 4 - 8 сутки, на 3 - 6 недели наступает летальный исход.

Клинический период от латентного к периоду разгара наступает резко (исключая легкую степень). Ухудшается самочувствие, снижается аппетит, нарастает слабость, повышается температура. Формируется дистрофия миокарда (приглушение тонов сердца, расширение его размеров, изменения желудочкового комплекса на ЭКГ). Яркую клиническую картину приобретают инфекционно-токсические осложнения: при 2 ст. наблюдаются изменения полости носа, рта, глотки и гортани (стоматит, ларингит, фарингит, ангина). При 3 - 4 ст. возможны язвенно-некротические поражения слизистых пищеварительного тракта и верхних дыхательных путей, что позволяет выделить соответствующие синдромы: оральный, фарингеальный, кишечный. Геморрагические осложнения проявляются кровоизлияниями, кровотечениями. Костный мозг при 4 ст. представляется полностью опустошенным.

Период восстановления. Различают фазу непосредственного (ближайшего) восстановления, заканчивающуюся в сроки от 2 до 4 месяцев от момента облучения соответственно при легкой, средней и тяжелой степени и фазу восстановления продолжительностью от нескольких месяцев до 1-3 лет. В эти сроки восстанавливаются основные функции, а более серьезные дефекты приобретают определенную стойкость. Практически завершаются основные восстановительные и реализуются возможные компенсаторные процессы.

Более тяжелые формы ОЛБ (кишечная, токсемическая, церебральная) у человека изучены недостаточно полно. Эти формы возникают при дозе облучения свыше 10 Гр.

Кишечная форма ОЛБ. Первичная реакция развивается в первые минуты облучения, длится 3 - 4 дня. Многократная рвота появляется в первые 15 - 30 минут. Характерны боли в животе, озноб, лихорадка, артериальная гипотензия. Часто в первые сутки отмечается жидкий стул, позднее возможны явления динамической кишечной непроходимости. В первые 4 - 7 суток резко выражен орофарингеальный синдром в виде язвенного стоматита, некроза слизистой полости рта и зева. С 5 - 8 дня состояние резко ухудшается: высокая температура тела, обезвоживание, общая интоксикация, инфекционные осложнения, кровоточивость. Летальный исход на 8 - 16 сутки. При гистологическом исследовании погибших на 10 - 16 день отмечается полная потеря кишечного эпителия, обусловленная прекращением физиологической регенерации клеток. Основная причина летальности обусловлена ранним радиационным поражением тонкого кишечника (кишечный синдром).

Токсемическая форма. Поглощенная доза около 100 Гр. Первичная реакция отмечается с первых минут, возможны кратковременная потеря сознания и нарушение двигательной активности. Развиваются тяжелые гемодинамические нарушения с резко выраженной артериальной гипотензией и обморочным состоянием. Четко проявляется интоксикация вследствие глубоких нарушений обменных процессов и распада тканей кишечника, слизистых, кожи. Нарушается функция почек. Летальный исход наступает на 4 - 7 сутки.

Церебральная форма. Поглощенная доза до 200 Гр. По особенностям клинической картины обозначается как острейшая или молниеносная лучевая болезнь. Характерным для нее является коллапс с потерей сознания и резким падением давления. Клиническая картина может быть обозначена как шокоподобная реакция с выраженной гипотензией, признаками отека головного мозга. Рвота и понос носят изнуряющий характер. Выделяют следующие синдромы этой формы:

- судорожно-паралитический;

- дисциркуляторный с нарушением центральной регуляции ряда функций вследствие поражения нервных центров.

Летальный исход наступает в первые 3 суток, иногда - в первые часы.

Лучевое воздействие в дозах, составляющих 250 - 300 Гр и более, вызывает гибель экспериментальных животных в момент облучения. Такую форму лучевого поражения обозначают как "смерть под лучом".

Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ). Данное заболевание, развивающееся в результате длительного действия ионизирующего изучения в относительно малых, но в превышающих в 3 – 5 раз допустимые уровни дозах. Хроническая лучевая болезнь обусловлена общим облучением в течение 3-5 лет, доза суммируется.

Доклиническая фаза ХЛБ имеет три степени:

1 степень, 2 степень, 3 степень, 4 степень.

1 легкая степень – наличие расстройств нейродинамики сосудов.

2 степень средняя - функциональнай недостаточности органов и систем;

3 степень - лучевой пневмосклероз,

4 степень - поражение ЦНС, сердца.

Клиническая картина: - изменения в нервной системе, кроветворной аорте, сердечно-сосудистой и эндокринной системах, желужочно – кишечном тракте, печени, почках, нарушение обменных процессов.

Изменяются показатели крови, количество лейкоцитов, уровень тромбоцитов. Общее недомогание, головная боль, повышенная раздражительность, кровоточивость десен, диспепсическое расстройство желудочно – кишечного тракта, дрожание пальцев рук, изменение на ЭКГ, аритмия.

При 2 степени - головная боль, головокружение, снижение памяти, выпадение волос, изменение показателей крови, тахикардия, ЭКГ, кризы с потерей сознания, кровотечения.

3 степень - могут возникать необратимые изменения в органах и тканях к которым часто присоединяются инфекции, расшатывание зубов, боли в сердце, животе.

4 степень – терминальная, прогноз выздоровления неблагоприятный. В отдаленные периоды возможно развитие опухолей.

Клиническая картина хронической лучевой болезни изменяется при попадании радиоизотопов внутрь организма. При поступлении через дыхательные пути развивается пневмосклероз. Картина определяется местом оседания радиоизотопных элементов. Если скопление идет в костях скелета происходит разрушение костей.

Нормы облучения установлены санитарными правилами СП 2.6.1.758-99 “Нормы радиационной безопасности” (НРБ-99). Нормируются годовые дозы облучения для:

- персонала группы А – непосредственно работающих с источниками;

- персонала группы Б – лица, находящиеся в сфере воздействия источников ионизирующего излучения (в т. ч. экипажи самолетов);

- все остальное население, в т. ч. персонал вне работы).

Доза при облучении	ПДД в мЗв/год
А	Б	Население
Всего тела	20 за любые последовательные 5 лет, но не более 50	5 за любые последовательные 5 лет, но не более 12.5	1 за любые последовательные 5 лет, но не более 5
Хрусталика		37.5
Кожи
Кистей и стоп

Ограничивается эффективная доза для:

- персонала за период трудовой деятельности, равной 50 годам:

группа А – 1000 мЗв;

группа Б – 250 мЗв;

- населения за время жизни 70 лет - 70 мЗв.

Отсчет периодов ведется с 1.01. 2000 г. Указанные дозы не учитывают облучение в результате аварий и медицинских обследований.

Работники рентгенологических отделений относятся к группе А, простые медработники – к группе Б. При профилактическом обследовании доза не должна превышать 1 мЗв/год, а в случае неблагоприятной эпидемиологической обстановки норматив может быть превышен. При рентгенологических исследованиях по показателям, от которых зависит жизнь больного, пределы доз не устанавливают.

Мощность эквивалентной дозы излучения на расстоянии 1 м от пациентов, которым с терапевтической целью введены радиофармацевтические препараты не должна превышать 3 мкЗв/ч. Эти препараты, как правило, недолгоживущие - мощность дозы падает до фона в течение нескольких часов.

п.5.4.3. НРБ-99 допускает проведение научных исследований на людях с использованием источников ионизирующего излучения. Для этого необходимо:

- разрешение федерального органа здравоохранения (Минздрава РФ);

- письменное согласие испытуемого;

- предоставление испытуемому информации о возможных последствиях облучения.

Ограничение облучения при авариях. В случае необходимости спасения людей может быть запланировано повышенное облучение персонала группы А (только мужчины старше 30 лет при их добровольном согласии). Допустимое повышенное облучение 200 мЗв/год. Лица, подвергшиеся такому облучению в течение года, в последующие годы не должны подвергаться облучению с дозой, превышающей 20 мЗв/год.