§ 11.7 Біологічна дія іонізуючого випромінювання. Еквівалентна доза

Виявилось, що для живих організмів потрібно врахувати при переході від D_екс до D_к не тільки склад тканин і енергію частинок (коефіцієнт f ), але й тип випромі­нювання - рентгенівське (Х-випромінювання) нейтронне, -випромінювания тощо.

Одні і ті ж поглинуті дози випромінювання різної природи по різному діють на жи­вий організм. Крім того, виявилось, що радіобіологічний ефект залежить не тільки від поглинутої дози, але й від деяких інших факторів. Основним серед них слід вважати лінійну густину іонізації.

Для кількісної оцінки цього фактора введено поняття коефіцієнта відносної біологічної ефективності або коефіцієнта якості випромінювання. Цей коефіцієнт показує, у скільки разів ефективність біологічної дії даного виду випромінювання більша, ніж рентгенівського (Х-променів) або -випромінювання, при однаковій по­глинутій тканинами дозі. Так, при вивченні катаракти, яка виникає внаслідок опро­мінення, показано, що ця хвороба внаслідок дії -випромінювання виникає при дозі 200 рад, а внаслідок дії швидких нейтронів - при дозі 20 рад. Таким чином, для швидких нейтронів коефіцієнт якості рівний 10.

В таблиці 8 наведені значення коефіцієнта якості для деяких видів іонізую­чого випромінювання.

Таблиця 8 Коефіцієнт якості для різних видів іонізуючого випромінювання

Вид іонізуючого опромінення	Значення коефіцієнта
Рентгенівське (Х-промені) і -випромінювання	1
α -випромінювання	20
Нейтрони з енергією 0,1 10 МеВ	10
Нейтрони з енергією 20 КеВ (теплові)	3

Поглинута доза, разом з коефіцієнтом якості, дає уявлення про біологічну дію іонізуючого випромінювання. В зв'язку з цим в радіобіології і радіаційній дозиметрії з'явилось нове поняття - еквівалентна доза (D_екb ).

D_{екс =} K _n (11.10)

де К- коефіцієнт якості. Оскільки K - безрозмірний коефіцієнт, то еквівалент­на доза випромінювання має ту ж розмірність, що й поглинута доза, але її назива­ють зівертом (Зв) на честь відомого шведського радіолога Рольфа Зіверта. Поза­системною одиницею вимірювання D_екв є біологічний еквівалент рентгена - бер; 1 бер – 10 ^-2 Зв. Еквівалентна доза в берах рівна поглинутій дозі в радах, помно­женій на коефіцієнт якості: 1 бер = 1 рад/К.

У випадку сумарної дії - і -випромінювання, що характерно для забруд­нення місцевості після вибуху ядерного реактора, можна користуватись вимірю­ванням поглинутої дози і потім переводити її в еквівалентну дозу D_екв. Практично в таких випадках завжди вимірюють потужність експозиційної дози D _кс в мР/год або мкР/с.

Радіаційну загрозу радіоактивної речовини зручно оцінювати за активністю, яка вимірюється в Кюрі (Кі) або беккерелях (Бк). 1 Бк відповідає активності нукліда в радіоактивному джерелі, в якому за 1 с відбувається один розпад. Ця величина дуже мала і користуватись нею незручно, Значно ширше використовується Кі - це позасистемна одиниця, яка дорівнює активності ізотопу, в якому за одну секунду відбувається 3-10¹⁰актів розпаду, тобто 1 Кі= 3-10¹⁰Бк.

Знаючи активність джерела, можна розрахувати потужність експозиційної дози на різних відстанях від нього, і таким чином визначити допустимий час перебуван­ня в цьому полі тощо. Експозиційна доза характеризує поле випромінювання за його іонізаційною здатністю, яка обумовлена характером радіоактивної речовини або іншого джерела іонізуючого випромінювання. Для переходу в розрахунках від експозиційної дози як характеристики взаємодії поля і опроміненого середовища необхідно знати властивості цього середовища.

Поглинута доза характеризує радіаційний ефект для всіх видів фізичних і хімічних тіл, крім живих організмів. Для оцінки дії випромінювання на живі організ­ми, насамперед на організм людини, використовується еквівалентна доза опромі­нення. В деяких простих випадках, які часто зустрічаються на практиці, замість В_еквдопустимо використовувати D_ексі D_п Для неоднорідних випромінювань при зовнішньому і, особливо, при внутрішньому опроміненні тільки використання D_екв дозволить уникнути помилок при оцінці ступеня загрози радіаційного опромінення.

Ступінь радіаційного впливу на людину іонізуючого випромінювання і радіо­нуклідів, які накопичуються в окремих органах і тканинах, визначається дозами зовнішнього і внутрішнього опромінення. Характер накопичення радіонуклідів в організмі та його окремих органах і тканинах залежить від швидкості їх поступлення з харчовими продуктами, водою і повітрям в шлунково-кишковий канал або легені, засвоєння і розподілу їх в органах або тканинах, часу утримання в них тощо.

Для розрахунку дози опромінення необхідно знати деякі фізіологічні парамет­ри, які характеризують обмінні процеси в організмі. Міжнародна комісія із радіа­ційного захисту рекомендує використовувати при цих розрахунках такі величини: хвилинний об'єм дихання, кількість повітря, яку вдихає людина, споживання води, водний баланс. Кількісна інформація про радіобіологічні ефекти для людини наве­дена в таблиці 9.

Таблиця 9. Клінічні наслідки опромінення людини

Доза опромінення, бер	Тип опромінення	Прояв впливу опромінення
25	все тіло	Клінічні симптоми не проявляються
50	все тіло	Тимчасове зменшення кількості лімфоцитів
100	все тіло	В'ялість у всьому тілі, значне зменшення лімфоцитів
150	все тіло	Смертність - 5 %; "похмілля" від опромінення - 50 %
200	все тіло	Значне зменшення лейкоцитів
400	все тіло	Смертність 50 % за 10 діб
600	все тіло	Смертність 90 % за 14 діб
800	все тіло	Смертність 100%

Наведемо ще деякі додаткові відомості:

0,011 мбер/год - потужність дози обумовлена природною

радіоактивністю Землі і космічним випромінюванням, тобто природний

фон Землі;

100 мбер - фонове опромінення за рік;

500 мбер - допустиме опромінення населення в нормальних умовах за рік.

Доза в 600 рад (6 Зв або 6 Гр) - або рентгенівського випромінювання (одно разове опромінення) є смертельною для людини, проте відносна кількість іонів, як утворюються при такій дозі, невелика. Цій дозі відповідає приблизно 1013 іонів/см тканини, що в перерахунку на іонізацію молекул води складає лише одну іонізовану молекулу води на 10 мільйонів молекул. Таким чином, прямою іонізацією (без врахування вторинних ефектів) пояснити шкідливу дію випромінювання не можна.

Основним процесом, який пояснює біологічну дію випромінювання, є втраті поглинутої енергії на розрив хімічних зв'язків з утворенням високоактивних в хімічному відношенні збуджених молекул, іонів радикалів. Розглядаючи первинні фізико хімічні процеси в організмі при дії іонізуючих випромінювань слід врахувати де принципово різні можливості взаємодії з молекулами води (радіоліз води) і з молекулами органічних сполук. Сполуки, які утворюються в результаті опромінення взаємодіють з іншими молекулами біологічної системи, що приводить до порушення мембран, клітин і функцій всього організму, тобто генерується ряд процесії які в своїй сукупності складають радіаційний синдром.

Розглядаючи питання про радіобіологічні ефекти слід відмітити, що сприйнятливість різних тканин і органів людини до дії іонізуючих випромінювань різна. Неоднакова радіостійкість різних тканин організму пояснюється особливостями тканинних клітин.

При опроміненні організму його витривалість і ступінь прояву синдрому визначається виходом за межі норми функціонування найбільш пошкоджених тканин органів, які відіграють визначальну роль в життєдіяльності організму. Такі тканини і органи відносять до критичних,

серед них виділяють три наступні групи:

1 група - червоний кістковий мозок, гонади;

2 група - щитоподібна залоза, печінка, легені, нирки, селезінка, шлунково- кишковий канал, м'язи, кришталик очей;

3 група - кісткова тканина, шкіра, передпліччя, стопи.

У людини радіаційне пошкодження має системний характер і проявляється по різному, залежно від рівня дози опромінення. За клінічною картиною при гострій променевій хворобі виділяють три патогенетичних механізми променевого пошкодження:

• при малих дозах критичною тканиною є кістковий мозок, пошкодження якого впливає на процес кровотворення;

• при більш високих дозах відбувається радіаційне пошкодження тканин шлунково-кишкового тракту;

• при високих дозах виникають загальні церебральні порушення.

Все, що згадувалось вище, стосується зовнішнього випромінення. Розглянемо тепер вплив внутрішнього опромінення - процесу, при якому джерело опромінювання знаходиться всередині людського організму, попадаючи туди при диханні, з їжею, а також через пошкоджену шкіру. Внутрішнє опромінення має ряд особли­востей, внаслідок яких воно у багато разів шкідливіше за зовнішнє при одних і тих же кількостях радіонуклідів. Насамперед це різке збільшення часу опромінення тканин організму, оскільки, на відміну від зовнішнього опромінення, при якому доза визначається часом перебування в зоні дії радіоактивного випромінювання, при внутрішньому опроміненні цей час співпадає з часом перебування радіоактивної речовини в організмі. Деякі речовини, такі як радій-226 ( Rа²²⁶) або плутоній-239 ( Ри ²³⁹ ) з організму практично не виводяться і опромінення здійснюється протя­гом всього життя.

Доза внутрішнього опромінення різко зростає через практично

нескінченно малу віддаль до тканини, яка опромінюється, із збільшенням

тілесного кута до 4 .

Введення радіоактивних речовин всередину організму означає виключення по­глинання а-частинок роговим шаром шкіри і переводить α-активні речовини із роз­ряду повністю безпечних при зовнішньому опроміненні в розряд найшкідливіших.

Радіоактивні речовини розподіляються по тканинах організму не рівномірно, а селективно, концентруючись в певних тканинах та підсилюючи їх локальне опро­мінення.

Кількісні значення гранично допустимих доз при внутрішньому опроміненні встановлені на основі аналізу радіаційних пошкоджень. Дозові межі розраховані, виходячи із уявлень про недопустимість поглинання протягом всього життя більше 1 мкг радію. При розрахунках гранично допустимих концентрацій всіх інших раді­онуклідів, які потрапляють в організм при диханні, споживанні води, харчових про­дуктів використовується ця величина.

За характером розподілу в організмі людини радіонукліди поділяють на три групи:

а) ті, що накопичуються в скелеті - Sг⁹⁰, Y⁹⁰, Rа ²²⁶, U²³⁹, Р²³⁹.

б) ті, що накопичуються в кровотворних органах і лімфатичній системі - Аи¹⁹⁸, P ²³⁹.

в) рівномірно розподілені по всіх органах і тканинах – Н³ , С¹⁴ , Rи¹⁰³

Слід окремо виділити йод , як речовину, яка надзвичайно селективно відкла­дається в щитоподібній залозі. При розрахунках допустимих величин внутрішньо­го опромінення використовують ефективну сталу розпаду або ефективний період, які враховують усунення радіоактивної речовини з організму двома шляхами: за рахунок розпаду і в результаті звичайних процесів виділення.

При внутрішньому опроміненні слід враховувати межу річного

поступлення радіонуклідів в організм людини. Крім цього критерію існує ще гранично допусти­мий вміст радіонуклідів у так званих критичних органах, опромінення яких чинить максимальну шкоду здоров'ю людини. Виходячи з цього, встановлені граничні кон­центрації радіонуклідів в повітрі, воді і харчових продуктах, причому ці величини для повітря значно менші, ніж для води і продуктів. Це пов'язано з тим, що повітря людина споживає дуже багато. Так, людина, яка фізично працює, споживає за день 20 м³ повітря і, в середньому, 2 л води. Як приклад, наведемо граничні концентрації (кюрі на літр) деяких радіонуклідів:

Rа²²⁶ в повітрі - 1-10 ^-14; у воді – 5 10 ^-11;

Sг⁹⁰ в повітрі - 1 ^-11; у воді - 1 • 10 ^-8.