Wykład 4 – 06.03.2015
dr. Ewa Tarnowska - Sokołow
Promieniowanie jonizujące
Promieniowanie jonizujące zawsze towarzyszyło życiu na Ziemi – promieniowanie tła. Źródła promieniowania:
Kosmos
Ziemia
Naturalne radioaktywne skażenie biosfery
Promieniowanie jonizujące jest czynnikiem fizycznym którego oddziaływanie na żywe organizmy obok pożądanych efektów zawsze związane jest z ryzykiem wystąpienia negatywnych skutków.
Źródła promieniowania stworzone przez człowieka:
Źródła medyczne (RTG, zastosowanie izotopów)
Opad radioaktywny pochodzący z doświadczalnych wybuchów jądrowych
Opady radioaktywne w energetyce jądrowej
W chwili obecnej promieniowanie ze źródeł cywilizacyjnych obarcza populacje ludzkie średnio dawką równą wartości tła.
Oddziaływania promieniowania jonizującego z materią - etapy:
Stadium fizyczne – jonizacja i wzbudzenie
Stadium chemiczne – powstawanie wolnych rodników oraz reakcje pomiędzy rodnikami i rodników z obojętnymi cząsteczkami
Stadium biologiczne
Każde stadium jest dłuższe od poprzedniego – fizyczne trwa 10-13s a biologiczne może trwać dni a nawet lata.
Etap fizyczny :
Absorbcja promieniowania jonizującego:
Zdolność do wzbudzenia i jonizacji atomów i cząsteczek:
hv → M* → M+ + e
Wynik jonizacji – jon dodatni M i swobodny elektron (może utworzyć jon ujemny)
Promieniowanie jonizujące może mieć charakter korpuskularny lub fali elektromagnetycznej.
Promieniowanie jonizujące dzielimy na:
jonizujące bezpośrednio - cząstki naładowane (α, β+, β-, protony, jądra odrzutu)
jonizujące pośrednio (X, γ, neutrony)
Promieniowanie jonizujące bezpośrednio – promieniowanie korpuskularne
Jonizacja – wynik elektrostatycznego oddziaływania pomiędzy cząsteczkami obdarzonymi ładunkiem a elektronami walencyjnymi atomów lub cząsteczek środowiska
Miara jonizacji – liczba par jonów wyzwolonych wzdłuż jednostki drogi cząsteczki jonizującej.
Intensywność jonizacji określa LET – utrata energii (E) przez cząstkę jonizującą na jednostce drogi (l).
$$LET = \ \frac{E}{l}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ LET = \ \frac{\text{NZ}q^{2}}{v^{2}}$$
gdzie:
N − liczba atomow w jednostce odleglosci od osrodka z ktorym
oddzialywyje czastka jonizujaca,
Z − liczba atomowa atomow osrodka,
q − laduknek czastki jonizujacej,
v − predkosc czastki jonizujacej
Zdolność do jonizacji jest tym większa im cząstka jonizująca ma większy ładunek i mniejszą prędkość. Dla cząstek o tej samej energii zdolność do jonizacji jest wprost proporcjonalna do ich masy.
Promieniowanie jonizujące pośrednio – promieniowanie elektromagnetyczne (X, γ)
zjawisko fotoelektryczne – wybijanie elektronów z atomów, fotoelektron. Fotoelektron zużywa Ek na jonizację lub wzbudzenie atomów i cząsteczek. Zasięg fotoelektronu w tkankach miękkich – 0,02 – 4,5mm
zjawisko Comptona – sprężyste zderzenie fotonu z elektronem
$hv = h\overset{\acute{}}{v} + \frac{mv^{2}}{2}$
Atomy stają się jonami (+) rozproszony foton może wywołać fotoefekt a elektron comptonowski jeśli ma odpowiednią Ek jonizuje atomy i cząsteczki.
Zjawisko tworzenia par elektron – pozyton
Gdy E > 1,02MeV – zmiana energii promieniowania na masę dwóch cząstek elementarnych
hv = 2mc2 + Ek+ + Ek−
Wytworzone elektrony jonizują cząsteczki ośrodka. Pozytony po utracie zdolności jonizacyjnej ulegają anihilacji w zderzeniu z elektronem – wypromieniowują dwa kwanty promieniowania γ (PET) – pozytonowa emisja transmisyjna
Przenikliwość promieniowania przez materię:
Dozymetria promieniowania jonizującego
Skutki biologiczne zależą od ilości pochłoniętej energii dla oceny której wprowadzono pojęcie dawki pochłoniętej i ekspozycyjnej.
Dawka pochłoniętego promieniowania (D)
Jest to ilość energii promieniowania pochłonięta przez jednostkę masy.
$$D = \ \frac{E}{m}$$
$$1Gy = 1\frac{J}{\text{kg\ }}\ \ \ \ \ \ \ \ 1rad = 0,01\ Gy\ $$
Dawka ekspozycyjna – ilość ładunków jednego znaku (Q) wytworzonych przez promiwniowanie jonizujące w jednostce masy (m) powietrza.
$$X = \ \frac{Q}{m}\ \ \ \ \ \ \ \ \ D = f*X\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ gdzie:$$
f − rownowaznik energetyczny danego typu promieniowania
$$\left\lbrack X \right\rbrack = 1R = 2,58*10^{- 3}\frac{C}{\text{kg}}$$
Skutki biologiczne zależą także:
Od czasu w jakim D została zdeponowana w organizmie – Mocy dawki:
$$P_{D} = \frac{D}{t}$$
Rodzaju promieniowania
Ocena biologicznego działania promieniowania jonizującego
Promieniowanie jonizujące spośród czynników fizycznych wyróżnia:
Niewspółmiernie intensywne działanie biologiczne stosunkowo małej ilości energii doprowadzonej do organizmu
Brak dawki progowej (dla uszkodzeń genetycznych)
Czynniki wpływające na intensywność reakcji radiobiologicznych komórek i tkanek
Efekt tlenowy
Skutki biologiczne są większe jeżeli w momencie napromieniowania występował w napromieniowanych komórkach tlen. Efekt tlenowy ujawnia się przede wszystkim dla promieniowania o niskim LET – X, γ.
Za efekt tlenowy odpowiedzialny jest nadtlenek wodoru H2O2
Efekt tlenowy ujawnia się często w terapii nowotworów . W szybko rozwijających się nowotworach występuje zjawisko niedotlenienia komórek. Komórki takie są odporne na działanie promieniowania X
Moc dawki
Im mniejsza jest moc dawki tym mniejsza na ogół uszkodzenie żywej materii mimo że całkowita energia pochłonięta zostaje ta sama.
Skuteczność naprawy uszkodzeń popromiennych zwiększa się w miarę wydłużania się czasu pomiędzy kolejnymi oddziaływaniami promieniowania jonizującego na komórki
Faza cyklu życiowego komórki
Najbardziej narażone na działanie promieniowania jonizującego są komórki w okresie:
Przedsyntetycznym
We wczesnej fazie syntezy DNA
W okresie mitozy
Komórki napromieniowane w stadium mitozy kończą podział. Komórki napromieniowane w innych fazach cyklu życiowego – następuje opóźnienie przejścia w następne fazy.
Względna radiowrażliwość tkanek
Radiowrażliwość komórek i tkanej jest tym większa im większe są:
Aktywność poliferacyjna
Liczba komórek pozostających w trakcie różnicowania
Radiowrażliwość | Narządy / tkanki |
---|---|
Wysoka | Narządy limfatyczne, szpik kostny, jądra, jajniki , jelito |
Względnie wysoka | Skóra i inne narządy o pokrywie nabłonkowej, (rogówka, jama ustna, przełyk, odbytnica, pochwa, szyjka macicy, pęcherz moczowy), soczewka oka, żołądek |
Średnia | Naczynia włosowate, tkanka chrzęstna i kostna w okresie wzrostu |
Względnie niska | Dojrzałe chrząstki i kości, gruczoły ślinowe, narząd oddechowy, nerki, wątroba , trzustka, nadnercza, przysadka |
Mała | Mięśnie, mózg, tkanka nerwowa |
Dawki pochłonięte w badaniach medycznych
Prześwietlenia
Dawka (mSv)
Klatka piersiowa 0,06
Czaszka 0,20
Przewód pokarmowy 2,45
Badania izotopowe
Tarczyca 5,90
Serce 7,10
Nerki 3,10
Średnia dopuszczalna dawka promieniowania jonizującego dla całego ciała dla ogółu populacji źródeł sztucznych wynosi 1mSv/rok
Dawka graniczna dla osób narażonych zawodowo na promieniowanie jonizujące wynosi 20mSv/rok
Spontaniczne przemiany jądrowe
ZAX
Z – liczba atomowa – ilość protonów, określa właściwości chemiczne
A – liczba masowa – ilość nukleonów
Liczba neutronów N= A-Z
Izotopy różnią się ilością nukleonów w jądrze
Promieniotwórczość naturalna – spontaniczny rozpad nietrwałych jąder atomów – emisja cząstek α, β+, β-, lub kwantów γ
Przemiana α – emisja jądra cząstki α – odchyla w polu E i B, silnie oddziaływane z materią, duża energia, mały zasięg, w tkance <1mm
Przemiana β- - odchylane w polu E i B energia 1 MeV, mniejsze oddziaływanie z materią, większy zasięg w powietrzu, zaczernia kliszę fotograficzną. Jest to emisja z jądra z równoczesną przemianą neutronu w jądrze w proton.
$$_{Z}^{A}X \rightarrow_{Z + 1}^{A}X +_{- 1}^{0}{\beta + \ \overset{\overline{}}{\nu}}$$
Przemiana β+ - jest to emisja z jądra z przemianą protonu w jądrze w neutron.
$$_{Z}^{A}X \rightarrow_{Z - 1}^{A}X +_{+ 1}^{0}{\beta + \ v}$$
Neutrino i antyneutrino ulegają reakcji anihilacji (rozpadu) wraz z wydzieleniem energii.
Przemiana γ – występuje wówczas gdy jądro znajduje się w stanie wzbudzonym (po emisji α lub β) przechodzi do stanu wzbudzonego o niższej energii lub do stanu podstawowego. Energia kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii E:
$$E = hV\ \ \ \ \ \ \ gdzie\ h\ to\ stala\ Plancka = 6,62*10^{- 34\ }\frac{J}{s}$$
$$_{Z}^{A}X^{*} \rightarrow_{Z}^{A}X +_{0}^{0}\gamma$$
Fala elektromagnetyczna nie odchyla się w polu E i B, bardziej przenikliwe niż poprzednie, zaczernia kliszę fotograficzną i wywołuje luminescencję.
Prawo rozpadu spontanicznego –opisuję zachodzącą w czasie zmianę liczy jąder pierwiastka promieniotwórczego:
N = N0 * e−λt
gdzie : N0 − liczba jader w chwili poczatkowej dla t = 0,
N − liczba jader ktore pozostaly po czasie t,
λ − stala rozpadu (charakteryzujaca rozpad jader danego rodzaju),
e = 2, 72
Charakterystykę rozpady można oceniać na podstawie znajomości 𝝀 lub czasu połowicznego zaniku T1/2
$$T_{1/2\ } = \ \frac{\ln 2}{\lambda} = \frac{0,693}{\lambda}$$
Aktywność pierwiastków promieniotwórczych:
$$A = \frac{N}{t} = - \lambda N$$
gdzie : N − ilosc rozpadow pormieniotworczych zachodzacych w czasie t,
λ − stala rozpadu,
N − liczba czasteczek ktore ulegly rozpadowi
Jednostką aktywności w układzie SI jest Bq:
$$1Bq = 1\frac{\text{rozpad}}{s}$$
Wpływ podwyższonego ciśnienia na organizm człowieka
Ciśnienie(p) – wielkość fizyczna informująca nas o tym, jaki jest nacisk ciała (F) na jednostkę powierzchni (S) na którą działa.
$$p = \ \frac{F}{S}$$
Jednostką ciśnienia jest 1 Pa (Pascal) – ciśnienie ma wartość 1 Pa gdy siła o wartości 1 N wywiera nacisk na powierzchnię 1 m2. W użyciu obecne są również:
1at = 1bar = 0, 1MPa = 10 m H2O
Ciśnienie wzrasta o 1 atm. Na każde 10 m zanurzenia się w wodzie słodkiej a o 9,75m wody morskiej.
Zwiększone ciśnienie:
W tych warunkach gęstość powierza jest tak duża że utrudnia wymianę gazową w płucach,
Zwiększenie ciśnienia atmosferycznego wpływa na zwiększenie się cząstkowego ciśnienia tlenu, ale też oddziaływane na krew, układ krążenia i oddychania m.in. zwiększa pracę mięśni oddechowych.
Niebezpieczeństwo w przypadku oddychania powietrzem o podwyższonym ciśnieniu wiąże się z nasyceniem tkanek azotem, a także z działaniem narkotycznym azotu, które objawia się już przy wartościach około 405 kPa (4 atmosfery) dlatego nurkowie podczas nurkowania na dużych głębokościach stosują mieszaninę tlenu z helem (np. 98% He, 2% O2)
Oddychanie czystym tlenem nie jest wskazane ze względu na jego szkodliwe działanie. Już kilkugodzinne oddziaływanie O2 w hiperbarii wynoszącej 304 kPa (3 atmosfery) wywołuje uszkodzenie ściany pęcherzyków płucnych.
Ponadto duża prężność tlenu powoduje osłabienie aktywności enzymów oddechowych,
Drugim niebezpieczeństwem jest nagłe uwalnianie się pęcherzyków gazowych (najczęściej azotu) podczas szybkiego zmniejszania ciśnienia atmosferycznego w środowisku człowieka (np. przy wynurzaniu się z wody). Zaburzenie to towarzyszy chorobie kesonowej.
Działanie biochemiczne zwiększonego ciśnienia:
Oddychanie gazem pod zwiększonym ciśnieniem może powodować w organizmie zmiany toksyczne związane z chemicznymi właściwościami tych gazów.
Zatrucie tlenem
toksyczny wpływ tlenu ujawnia się na głębokości większej niż 10m. prężność tego gazu jest w tych warunkach blisko 10 razy większa niż w normalnych warunkach oddechowych a już dwukrotny jego wzrost przy długotrwałym podawaniu jest szkodliwy.
Objawem zatrucia tlenem jest porażenie dróg oddechowych i tkanki płucnej, szum w uszach, drżenie mięśni, objawy dychawicy, ślinotok i drgawki, pogorszenie ostrości widzenia oraz upośledzenie zdolności do rozróżniania barw.
Zatrucie azotem
azot stanowi 79% składu powietrza i wywiera ciśnienie równe 0,8 ciśnienia atmosferycznego. Zwiększające się ciśnieni powoduje wnikanie azotu do krwi powodując szybko nasycenie krwi azotem. Najwolniej nasyca się azotem tkanka tłuszczowa – słabo ukrwiona ale zatrzymująca 5 krotnie więcej azotu niż woda
wzrastające ciśnienie azotu nasycającego tkankę nerwową pod coraz większym ciśnieniem cząstkowym powoduje powstawanie halucynacji wzrokowych i słuchowych, euforii przy jednoczesnym obniżeniu zdolności umysłowych i fizycznych.
Biochemiczne działanie azotu
„prawo Martini” mówi iż każde 10 metrów głębiej zaczynając od 30 m poniżej lustra wody odpowiada wypiciu 1 lampki Martini
Niekiedy narkoza azotowa wywołuje zamiast euforii panikę i przez to może stać się przyczyną wypadku.
Ze względu na objawy jakie wywołuje narkoza azotowa nazywana jest również „ekstazą głębin”
Biochemiczne podstawy narkozy azotowej
Azot zależnie od ciśnienia parcjalnego może rozpuszczać się w mniejszym lub większym stopniu w błonie komórkowej. Rozpuszczając się tam zaburza lipidową strukturę błony. Utrudnia to przesyłanie impulsów nerwowych w komórkach wywołując powyższe efekty.
Działanie mechaniczne obniżonego ciśnienia
Obniżenie ciśnienia w otoczeniu człowieka powoduje rozprężenie gazów zawartych w przewodzie pokarmowym i oddechowym, uchu środkowym, zatokach przynosowych nosa, niedokładnie wypełnionych ubytków zębów. Na skutek czego występują wzdęcia, kolki jelitowe, bóle ucha i zębów. Podczas gwałtownego i dużego spadku ciśnienia rozprężające się nagle w płucach gazy mogą doprowadzić do uszkodzenia tkanki płucnej.
Zatory gazowe – embolie
Część gazów zawartych w organizmie człowieka jest jednak rozpuszczalna w cieczach i tkankach. Ilość rozpuszczalnych gazów w płynach ustrojowych i tkankach zgodnie z prawem Henry’ego jest wprost proporcjonalna przy stałej temperaturze do ich ciśnień cząstkowych (dotyczy przede wszystkim azotu). Podczas spadku ciśnienia powietrza zmniejszają się ciśnienia cząstkowe jego składników dlatego mogą być rozpuszczone we krwi i tkankach odpowiednio mniejsze objętości tych gazów. Nadmiar gazów (zwłaszcza azotu) uwalnia się w postaci pęcherzyków które czopują małe naczynia krwionośne.
Hipoksja - niedotlenienie zazwyczaj oznacza niedotlenienie wysokościowe występujące wówczas gdy w miarę osiągania wysokości ciśnienie atmosferyczne obniża się, a mimo stałej zawartości tlenu w powietrzu obniża się jego ciśnienie cząstkowe. Zmniejsza się wówczas stopień oksydacji hemoglobiny i ilość dostarczonego z krwią tlenu tkankom. Zależność tę ilustruje krzywa Bohra.
Hipoksja wywołuje wiele zmian w organizmie o charakterze adaptacyjnym, poprzez różne reakcje nerwowe. W zależności od szybkości przemieszczania się człowieka na znaczną wysokość mogą rozwijać się różne stany chorobowe
Rodzaj choroby | Objawy, okoliczności wystąpienia |
---|---|
Ostra hipoksja | Ograniczenie sprawności umysłowej, zapaść krążenia- po nagłym wzniesieniu na wysokość ponad 5500m;w lotnictwie w sytuacjach awaryjnych i w sporcie lotniczym |
Ostra choroba wysokogórska | Bóle głowy, nudności, wymioty, zaburzenia snu, duszności; powyżej 2500m |
Ostry wysokościowy obrzęk płuc | Duszności, kaszel, osłabienie, bóle głowy, osłupienie, rzadko śmierć; ponad 3000m; konieczne szybkie zejście w dół i leczenie |
Ostry wysokościowy obrzęk mózgu | Silne bóle głowy, halucynacje, osłabienie, zaburzenia kojarzenia, osłupienie, śmierć; ponad 3000-3600m; występuje rzadko; konieczna szybka ewakuacja w dół i leczenie |
Podostra i przewlekła choroba górska | przedłużająca się ostra choroba górska; duszność, zmęczenie, krwawe wybroczyny; występuje rzadko |