PROMIENIOWANIE NIEJONIZUJĄCE - to fale elektromagnetyczne w zakresie widzialnym nadfioletowym i podczerwonym. Nie wywołuje jonizacji ośrodka, przez które przechodzi ze względu na niską energię jonizacji
Źródło promieniowania niejonizującego: cząsteczki i atomy we wzbudzonych stanach elektronowych, podczas przechodzenia wzbudzonych elektronów do stanu podstawowego następuje emisja fotonów.
LUMINESCENCJA - wzbudzenie atomów lub cząsteczek.
- Fluorescencja - wzbudzony elektron przechodzi ze stanu wzbudzonego prosto do stanu podstawowego. Długość fali wyemitowanego światła jest dłuższa od długości fali zaabsorbowanej.
- Fosforescencja jest procesem bardziej złożonym z przejściem w stan meta trwały. Czas trwania - nawet do kilku sekund.
Rodzaje promieniowania niejonizującego
- promieniowanie termiczne - jeśli emisja jest wynikiem termicznego wzbudzenia cząsteczek i atomów
- zjawisko luminescencji - jeśli emisja jest następstwem wzbudzenia nie termicznego. Czynnikiem wzbudzającym jest tu promieniowanie rentgenowskie, jonizujące, pole elektryczne, fotony.
REAKCJE FOTOCHEMICZNE
Mogą być jednocząsteczkowe (produkty reakcji powstaje z cząsteczki wzbudzonej) jak i dwucząsteczkowe (produkty reakcji powstaje w wyniku oddziaływania cząsteczki wzbudzonej z inną cząsteczką)
Ważne reakcje fotochem.:
- Wytwarzanie witaminy D3. Powstaje ona w wyniku foto przegrupowania w cząsteczce prowitaminy polegającego na rozerwaniu wiązania pomiędzy atomami węgla pod wpływem promieniowania ultrafioletowego UV-b; jej jest pobudzenie transportu wapni z jelita do naczyń krwionośnych. Wpływa na prawidłowe kształtowanie szkieletu jej niedobór powoduje krzywice.
- Fotodimeryzacja tyminy; ma zastosowania w procesie dezynfekcji; w celu wytworzenia promieniowania nadfioletowego stosuje się niskociśnieniowe lampy rtęciowe. Lampy tego typu stosowane są w pomieszczeniach gdzie wymagana jest wysoka sterylność. Działanie bakteriobójcze promieniowania UV polega na powstawaniu połączeń kowalencyjnych pomiędzy sąsiadującymi tyminami. Takie dimery powodują zaburzenie replikacji.
- Fotoizomeryzacja retinalu
Barwnikiem umieszczonym w pręcikach odpowiedzialnym za widzenie jest rodopsyna. Zbudowana jest ona z 11-cis-retinalu połączonego kowalencyjnie z białkiem opsyną. W wyniku absorpcji światła 11-cis retinalu przechodzi w formę 11-trans-retinal. Następuje izomeryzacja oraz odłączenie od białka opsyny. W wyniku zmiany potencjału elektrycznego komórki powstaje impuls nerwowy
- Reakcja fotochemiczne ozonu atmosferycznego
Ochronne działanie ozonu polega na fotodysocjacji jego cząsteczek.
FOTOMEDYCYNA
Dział medycyny zajmujący się zastosowaniem promieniowania niejonizującego w terapii oraz patofizjologicznych następstw jego działania.
Fototerapia żółtaczki fizjologicznej u noworodków
W wyniku obumierających erytrocytach hemoglobina ulega przemianie w bilirubinę, która jest transportowana do wątroby. W normalnie funkcjonującym organizmie po przetworzeniu przez wątrobę wraz z żółcią trafia ona do jelit gdzie jest wydalana. Jeśli ten mechanizm zawiedzie nadmiar bilirubiny gromadzi się we krwi oraz tkanka zawierających tłuszcz co powoduje żółte zabarwienie skóry.
Bilirubina w związku ze swoją budową jest słabo rozpuszczalna w wodzie. Pod wpływem światła niebieskiego, fioletowego lub długofalowego promieniowania nadfioletowego dochodzi do rozerwania w cząsteczce bilirubiny wiązań wodorowych. Powstały izomer bilirubiny staje się rozpuszczalny w wodzie i może być rozpuszczalny bezpośrednio do moczu.
Fotodynamiczna terapia nowotworów (PDT)
Oparta jest na zjawisku fizycznym, w którym substancje wzbudzające pod wpływem światła przekazują część swojej energii otoczenia. Terapia ta oparta jest na dwóch etapach. W pierwszym podaje się choremu fotouczulacz, który selektywnie gromadzi się w komórkach zmienionych nowotworowo. W drugim etapie naświetla się chorego światłem o ściśle określonej długości aktywującej fotouczulacz. Niszczenie komórek nowotworowych zachodzi w oparciu o reaktywne formy tlenu - tlen singletowy. W wyniku stosowania PDT dochodzi do niszczenia komórek nowotworowych co powoduje powstanie lokalnego stanu zapalnego.
TERMOGRAFIA - Bezstykowy pomiar temperatury na powierzchni całego ciała.
Badanie opiera się na pomiarze promieniowania podczerwonego, które emitowane jest przez każdy obiekt o temperaturze wyższej niż 0. Do zalet termografii należy bezinwazyjność, niskie koszty oraz całkowite bezpieczeństwo stosowania. Znalazła zastosowanie kliniczne w rozpoznawaniu: chorób tarczycy; raka sutka; zmiany w układzie krążenia; zmiany reumatyczne
SPEKTOFOMETRIA
Analiza widmowa polega na oznaczaniu składników badanych substancji na podstawie identyfikacji długości fali świetlnych emitowanych lub absorbowanych przez substancję.
Spektrofotometria absorpcyjna znalazła zastosowanie w biochemii klinicznej.
PROMIENIOWANIE PODCZERWONE
- fale elektromagnetyczne o długości 760 - 106 nm
- głównym źródłem promieniowania podczerwonego jest słońce,
- oddziaływanie promieniowania podczerwonego z materią polega na jej ogrzewaniu, co znalazło zastosowania w medycynie
Stosowanie terapii promieniowaniem podczerwonym powoduje: poprawę ukrwienia skóry i zwiększenie wydzielania potu; rozszerzenie naczyń włosowatych oraz zwiększony przepływ przez tkanki krwi tętniczej; pobudzenia procesów metabolicznych; działanie przeciwbólowe poprzez podwyższenie progu bólu; zmniejszenie napięcia mięsni
Zastosowanie medyczne: leczenie przewlekłych i podostrych procesów zapalnych i reumatycznych stawów oraz części miękkich kończyn;
przewlekłych i podostrych stanach zapalnych jamy nosowej, zatok przynosowych, ucha zewnętrznego i stawów żuchwy; leczenie nerwobóli oraz zespołów bólowych w
stanach po zapaleniu bakteryjnym, odmrożeniu i uszkodzeniu promieniami rtg lub uv; leczeniu nacieków i ropni tkanek miękkich, nacieków po zbyt płytko podanych zastrzykach; jako zabieg przygotowawczy przed masażem
PROMIENIOWANIE NADFIOLETOWE
obejmuje obszar widma fal elektromagnetycznych od 20 - do 400nm; naturalnym źródłem jest słońce emitujące cały zakres fal.
Zakresy promieniow. UV
- Nadfiolet A (uvA) dobrze przenikliwy, przenika przez naskórek, odgrywa rolę w pigmentacji skóry czyli opaleniźnie
- Nadfiolet B stosowany jest w fizykoterapii i leczeniu krzywic
- Nadfiolet C posiada silne działanie bakteriobójcze i niszczące tkanki
- Promieniowanie próżniowe - silnie pochłaniane przez atmosferę powoduje powstawania ozonu.
MELANINA - naturalny fotoprotektor chroniący komórki skóry przed promieniowaniem nadfioletowym.
Wytwarzana w melanocytach czyli kom. barwnikowych w warstwie komórek podstawnych skóry. Substratem w syntezie melaniny jest aminokwas tyrozyna, a enzymem katalizującym reakcję oksydaza o-difenolowa. Pigment melanina chroni skórę poprzez pochłanianie promieniowania oraz wychwytywanie i dezaktywacje wolnych rodników.
RODZAJE PIGMENTACJI SKÓRY: pigmentację bezpośrednią - zachodzi pod wpływem promieniowania o szerokim zakresie; pigmentacja pośrednia - uwolniona melanina wędruje na powierzchnię skóry i natrafia na promieniowanie UV-A oraz tlen, który dostaje się do komórek skóry poprzez krew. W wyniku zachodzącej reakcji melanina jest przyciemniana.
FOTOKANCEROGENEZA - promieniowanie UV wywołuje dimeryzację tymin. Tego rodzaju mutacje nie są wywoływane przez żaden inny czynnik rakotwórczy. Rak skory występuje w jednej z 3 form w zależności od typu komórek od których się wywodzi. Prawdopodobieństwo wystąpienia raka skóry zwiększają niektóre związki chemiczne np. benzopiren pochodzący z dymu papierosowego.
LASERY - wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania.
Warunkiem koniecznym do emisji światła jest wzbudzenie atomów lub cząsteczek czyli przeniesienie elektronów na wyższy poziom energetyczny poprzez dostarczenie do układu energii. Elektrony przechodząc w stan podstawowy emitują nadmiar energii w postaci kwantów promieniowania. Zjawisko zachodzi w sposób nieuporządkowany i samorzutny.
Laser - generator spójnych fal elektromagnetycznych wykorzystujący zjawisko wymuszonej emisji polegające na działaniu kwantu promieniowania o energii równej różnicy poziomu energetycznego wzbudzonego i podstawowego na wzbudzony atom.
Właściwości promieniowania laserowego: Spójność;
Monochromatyczność - duża powierzchniowa gęstość mocy; Równoległość - mała rozbieżność wiązki
Wpływ promieniowania laserowego na tkanki
Podczas oddziaływania promieniowania laserowego na tkanki może zachodzić odbicie, rozproszenie, transmisja oraz całkowita lub częściowa absorpcja. Szczególnie ważne jest zjawisko transmisji i absorpcji. Absorpcja może wywołać w tkankach efekty fotobiochemiczne, fototermiczne i fotojonizujace.
Zastosowanie laserów w medycynie wywołuje efekty fotobiochemiczne: działanie antymutagenne; zmiany struktury błon biologicznych; wzrost szybkości wymiany metabolitów pomiędzy komórką i otoczeniem; wzrost aktywności enzymów; Stosowanie jako narzędzia tnące i koagulujące.
Przy wzroście mocy i odpowiednim czasie ekspozycji występują następujące efekty fototermiczne:
- 37-43s nie występują nieodwracalne zmiany
- 60s następuje uszkodzenie błon komórkowych i częściowego odwracalna denaturacja enzymów
- 80s trwała desaturacja białek enzymów na skutek zerwania wiązań stabilizujących cząsteczki
- 100s trwała denaturacja dna
- 300s wrzenie wody, osuszanie i zwęglanie komórek
- Powyżej 300s następuje fotopiroliza czyli odparowanie tkanek
Lasery znalazły również zastosowanie w: Usuwanie tatuaży; Wygładzaniu skóry przez uzyskanie efektu termicznego w kolagenie;
Bezinwazyjnym hamowanie krwawienie; w stomatologii
bezbolesnym odparowaniu zmiany próchniczych oraz topienie szkliwa; Leczenie jaskry; Korekcja wad wzroku
BUDOWA ATOMU:
Atom składa się z jądra mającego ładunek dodatni i skupiającego prawie całą masę oraz krążący wokół niego elektronów o znikomej masie i ładunku ujemnym.
Jądro atomowe składa się z dodatnio naładowanych protonów i obojętnych elektrycznie neutronów
Liczbę protonów w jądrze oznacza się literą Z jest to tzw. liczba atomowa
Sumę liczby protonów i neutronów oznacza się literą A jest to tzw. liczba masowa.
Liczbę neutronów obliczamy z zależności A-Z
Atomy tego samego pierwiastka o takiej samej liczbie Z) różniące się liczbą neutronów nazywamy izotopami
Rozpad promieniotwórczy
- trwałość jąder atomowych zależy od liczb (A) oraz od stosunku neutronów i protonów
- najbardziej trwałe są jądra, w których liczba neutronów jest równa liczbie protonów
- wszystkie jądra atomowe o liczbie A ≥ 210 rozpadają się, są promieniotwórcze
PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ jest to zdolność samoistnego wysyłania promieniowania jonizującego przez jądra niektórych pierwiastków,
PROMIENIOT. NATURALNA - sprowadza się do przemian zachodzących e jądrach pierwiastków ciężkich od Z=81 do Z=92.
Większość promieniotwórczych nuklidów występujących w przyrodzie tworzy trzy szeregi promieniotwórcze:
Szereg uranowo -radowy; szereg uranowo - aktynowy; szereg torowy
PROMIENIOT. SZTUCZNA - w 1934 roku Irena i Fryderyk Joliot-Curie otrzymali pierwszy sztuczny pierwiastek promieniotwórczy - izotop fosforu. Przeprowadzone doświadczenie polegało na bombardowaniu emitowanymi przez polon cząstkami alfa płytki wykonanej z glinu
PROMIENIOWANIE RTG
Promieniowanie to powstaje w wyniku hamowania szybko pędzących elektronów w ośrodku materialnym.
Podobnie do promieniowania gamma, jest to promieniowanie elektromagnetyczne.
Wywołuje jonizację ośrodka; nie odchyla się w polu elektromagnetycznym;
Jest niewidzialne, oddziałuje jednak z kliszą fotograficzną; przenika przez materiały, które, są nieprzenikliwe dla światła: drewno tkanka mięśniowa , aluminium. Jest silnie pochłaniane przez materiały o większym ciężarze właściwym np. ołów.
Powstanie promieniowania RTG
Źródłem promieniowania X w aparacie rentgenowskim jest lampa, w której elektrony emitowane są z żrącej katody. Uzyskują dużą energię kinetyczną dzięki silnemu polu elektrycznemu istniejącemu między katodą i anodą. Energia ta pozwala im na penetrację wnętrza anody. Podczas zderzenia z tarczą anody elektron zostaje nagle zahamowany w wyniku czego następuje wytworzenie promieniowania rentgenowskiego i ciepła
Podstawowe typy przemian promieniotwórczych w wyniku których powstaje promieniowanie jonizujące są: rozpad alfa; rozpad beta; rozpad gama.
Promieniowanie α - podczas rozpadu wyrzucane są z jądra cząstki α, czyli jądra helu, poruszają się z prędkością 107 m/s posiadają ładunek dodatni i silne właściwości jonizacji ośrodka, przez który przechodzą. Są mało przenikliwe w powietrzu ich zasięg wynosi kilka centymetrów z trudem przenikają przez pojedynczą kartkę papieru
Promieniowanie β - może powstawać na skutek rozpadu β+ lub β-
- rozpad β- - strumień szybko poruszających się elektronów, posiadają one ujemny ładunek elektryczny i właściwości jonizujące. Ich zasięg w powietrzu wynosi kilka metrów, mogą przenikać przez kilkumetrową osłonę metalową.
- rozpad β+ - strumień szybko poruszających się elektronów dodatnich nazywanych pozytonami. Promieniowanie to posiada podobne właściwości do β- z tym, że posiada ładunek dodatni.
Rozpad γ (gamma) - promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo dużej przenikliwości bez emitowania dodatkowej cząsteczki. Posiada własności jonizujące mniejsze niż promieniowanie β. Do promieniowania γ dochodzi podczas przejścia atomu ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii. Promieniowanie γ towarzyszy często rozpadowi α lub β.
ODDZIAŁYWANIE ELEKTRONÓW Z ANODĄ
- Pierwszym rodzajem oddziaływań jest przedostawanie się elektronów w pobliże jądra gdzie ich tro ulega w polu elektrycznym jądra zakrzywieniu, a elektron traci część swej energii która jest emitowana w postaci kwantu promieniowania.
- Drugim rodzajem oddziaływania pędzących elektronów jest ich oddziaływanie z elektronami atomów z materiału tarczy anody. Jeśli pędzące elektrony mają energię dostateczną do wybicia elektronów z wewnętrznych powłok elektronowych atomów anody to podczas powrotu tych wybitych elektronów będzie następowało wypromieniowanie kwantów promieniowania rentgenowskiego. Energia tych kwantów jest zależna od materiału anody, a powstające widmo jest nieciągłe i nazywamy je promieniowaniem charakterystycznym.
Oddziaływanie promieniowania rentgenowskiego i gamma z materią następuje przez:
- Zjawisko fotoelektryczne
- Efekt Comptona
- Tworzenie par
Zjawisko fotoelektryczne - emisja elektronów z ośrodka pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Zaabsorbowanie kwantu promieniowania X lub gama przez związany w atomie elektron może spowodować że uzyska on energię większą od jego energii wiązania i nastąpi wybicie. Taki elektron opuszczający atom nazywamy fotoelektronem,. Atom pozbawiony elektronu staje się jonem dodatnim. Wybity elektron ulega zderzeniu z sąsiednimi elektronami jonizując je. Fotoelektron traci stopniowo swą energię i ulega przyłączeniu do jonu dodatniego - powstaje jon obojętny lub z atomem obojętnym - powstaje ujemny anion. Wyniku działania pojedynczego fotonu powstaje w ośrodku pewna liczba jonów.
Efekt Comptona- możemy opisać jako sprężyste zderzenie fotonu z elektronem swobodnym (foton posiada tak dużą energię, że energię elektronu możemy zaniedbać i uważać go za swobodny) po zderzeniu foton zostaje odrzucony pod kątem elektron zaś uzyskuje pęd. Elektrony Comptonowskie oddziałują z otoczeniem podobnie jak fotoelektrony zaś foton powstały w wyniku odrzucenia oddziałuje dalej z energią
Tworzenie par - jeśli kwant promieniowania posiada energię większą 1,02 MeV może w pobliżu jądra atomu przekształcić się w parę elektron (negaton) - pozyton. Powstałe elektrony jonizują atomy kosztem swej energii kinetycznej. Pozytony po jej utracie łączy się z negatonem - oba elektrony ulegają unicestwieniu a w ich miejsce powstają dwa kwanty promieniowania gama biegnące w przeciwnym kierunku.
Biologiczne działanie promieniowania jonizującego
- Stadium pochłaniania energii przez struktury komórkowe - naładowane cząski wchodzą w głąb tkanek, tracą swą energię na skutek oddziaływania z elektronami atomów
- Stadium oddziaływania elektrycznego - następuje przekazywania energii składnikom komórkowym poprzez jonizację i pobudzenie atomów i cząsteczek. Pozbawione elektronów atomy stają się jonami a w wybite elektrony mogą oddziaływać z atomami sąsiednimi. Stadium pochłaniania energii oraz stadium oddziaływania elektrycznego przebiega tak samo dla materii ożywionej i nieożywionej. Podstawowymi efektoramii odgrywającymi tu rolę są zjawisko fotelektryczne efekt Comptona efekt tworzenia par.
- Stadium zmian fizyko - chemicznych - powstałe jony i wzbudzone atomy są bardzo nietrwałe i biorą udział w szeregu różnorodnych i skomplikowanych reakcji. Zachodzi radioliza wody, powstawanie wolnych rodników, uszkodzenia DNA
Stadium zmian chemicznych - wolne rodniki reagują z innymi cząsteczkami w komórkach powodując niekorzystne zmiany.
- Stadium zmian biologicznych - zaburzenie działania komórki może powodować poważne skutki biologiczne z jej śmiercią włącznie. Zmiany w materiale genetycznym mogą się utrwalać i po wielu latach ujawnić się chorobą nowotworową
TEORIE ANALIZ RADIOBIOLOGICZNYCH ZAKŁÓCANIA PRAWIDŁOWEGO FUNKCJONOWANIA KOM.
Trafienia w cel - opierała się ona na założeniu iż kwant energii lub cząsteczka promieniowania korpuskularnego trafiając w ważną dla funkcjonowania komórki strukturę może bezpośrednio spowodować zmianę lub uszkodzenie biologiczne istotnej funkcji - uszkodzenie komórki
Teoria radiochemiczna (pośredniego oddziaływania)zakłada, że w powstawaniu uszkodzeń popromiennych kluczową rolę odgrywa woda jako główny składnik układów biologicznych. Na jedną cząsteczkę DNA w komórce przypada 700 cząsteczek białka i aż 1,2 x 107 cząsteczek wody wg teorii przewaga wody jest tak duża że trawienia bezpośrednie na związki organiczne można pominąć
Obecnie przyjmuje się, że w skutek trafienia bezpośredniego powstaje 20% uszkodzeń, a 80% w skutek zmian radiochemicznych.
Skutki somatyczne i genetyczne promieniowania jonizującego
Somatyczne:
- Wczesne: Choroba popromienna (ostra, przewlekła); Miejscowe uszkodzenie skóry
- Odległe: Zmętnienie soczewek i zaćma; Aberracje chromosomowe w komórkach somatycznych; Nowotwory złośliwe; Niepłodność; Zahamowanie wzrostu i rozwoju
Genetyczne: Mutacje genowe (dominujące, recesywne); Aberracje chromosomowe w komórkach rozrodczych
Cechy promieniowania jonizującego - zmiany chorobowe mogą ujawnić się nie tylko u osoby napromieniowanej lecz również u jej potomstwa. W pierwszym przypadku mówimy o skutkach somatycznych a w drugich o genetycznych - dziedzicznych
Skutki stochastyczne - są to skutki późne, które związek przyczynowy z napromieniowaniem daję się wskazać dopiero w badaniach statystycznych. Mają charakter losowy. Wywoływane są przez małe dawki 0,5 - 1,0 dawki promieniowania. Są to efekty bez progowe - nie istnieje dawka uważana za bezpieczną.
Skutki stochastyczne można podzielić na somatyczne i genetyczne
Skutki somatyczne:
- indukowanie zmian nowotworowych - kancerogeneza popromienna.
- osłabienie układu immunologicznego u ludzi, co powoduje zwiększoną śmiertelność noworodków
Skutki genetyczne - występują wtedy gdy napromieniowaniu ulegną komórki rozrodcze. Skutki napromieniowania będą uwidaczniać się wówczas u potomstwa. Mogą być przekazywane jako zaburzenia dziedziczne następnym pokoleniom. Najczęściej schorzenia te powodują śmierć dziecka zaraz po urodzeniu, rzadziej zaburzenia pojedynczych komórek lub układów.
Skutki deterministyczne - do skutków deterministycznych zaliczamy takie, które wywołują zmiany w tkankach i narządach w krótkim czasie po napromieniowaniu i kiedy daje się ustalić związek pomiędzy napromieniowaniem, a objawami. Wywoływane są przez duże wartości dawek, powyżej 1 dawki promieniowania. Ogólnie polegają na uszkodzeniu znacznej liczby komórek co powoduje zaburzenie funkcjonowania całego organizmu. Objawy kliniczne pojawiają się od kilku minut do kilku dni po ekspozycji na promieniowanie. Mają charakter progowy (dawka mniejsza od progowej nie wywołuje objawów) nasilenie objawów wzrasta ze wzrostem dawki.
Następstwem napromieniowania są:
ubytki komórek nie mogące być wyrównane przez komórki pozostałe przy życiu; reakcje zapalne; zaburzenia czynności wewnątrzwydzielniczych tkanek; Utrata kończyn; Martwicze zmiany skóry oraz narządów
Środowiskowe źródła promieniowania jonizującego to:
Naturalne izotopy potasu;
Promieniowanie kosmiczne; przedmioty codziennego użytku; telewizory i monitory ekranowe; glazura; farby stałego świecenia w zegarkach i kompasach; badania radiologiczne; prześwietlenie klatki piersiowej; Prześwietlenie zębów ; Prześwietlenie jamy brzusznej; Tomografia komputerowa całego ciała;
opad promieniotwórczy pochodzący z awarii jądrowych i prób z bronią jądrową.