Promieniowanie jonizujące można podzielić na: jonizujące bezpośrednio cząstki naładowane (cząstki α, β, protony, jądra odrzutu),

1

Promieniowaniem jonizującym nazwano promieniowanie wywołujące lawinową (!) jonizację. Jonizacja polega na oderwaniu od atomu lub cząsteczki elektronów. W wyniku jonizacji pojawia się w środowisku swobodny elektron naładowany ujemnie i dodatnio naładowany jon (kation). Energia jonizacji większości atomów zawiera się w przedziale od jednego do kilkudziesięciu ev (1 ev = 1,6 10 19 J). Energia cząstek tworzących promieniowanie jonizujące jest zawsze większa od energii jakichkolwiek wiązań chemicznych i od tzw. potencjału jonizacji. Promieniowanie jonizujące można podzielić na: jonizujące bezpośrednio cząstki naładowane (cząstki α, β, protony, jądra odrzutu), jonizujące pośrednio cząstki nienaładowane (kwanty promieniowania X i γ, neutrony). Widmo Jonizacja bezpośrednia jest wynikiem elektrostatycznego oddziaływania cząstki naładowanej z elektronami walencyjnymi atomów i cząsteczek. W takim przypadku zdolność do jonizacji zależy od wielkości ładunku cząstki i jej prędkości. Jonizacja pośrednia towarzyszy oddziaływaniu elektromagnetycznego promieniowania jonizującego (X i γ) i nienaładowanych cząstek z materią. 2

Oddziaływanie Promieniowania Jonizującego z Materią 1. Cząstki naładowane: niesprężyste zderzenia z elektronami powłok atomów, reakcje jądrowe w wyniku niesprężystego zderzenia z jądrem, sprężyste zderzenia z atomami lub jądrami atomów. 2. Promieniowanie elektromagnetyczne X i γ. W zależności od energii kwantów wyróżnić można trzy mechanizmy oddziaływania z materią. Energia Zjawisko fotoelektryczne Zjawisko Comptona Powstawanie par elektron pozyton 10 kev 99 % 200 kev 1 % 99 % 2 MeV 99 % 1 % 20 MeV 50 % 50 % Prawdopodobieństwo tych zjawisk zależy jednak nie tylko od energii promieniowania, ale także od liczby atomowej (porządkowej) Z atomów absorbentu, tak jak to pokazuje poniższy rysunek. Linie na tym wykresie wyznaczone są przez te wartości energii promieniowania i liczby atomowe atomów absorbentu przy których oddziaływania po obu stronach linii są tak samo prawdopodobne. Rozpatrzmy przykład tkanek miękkich. około 0,035 MeV = 35 kev około 28 MeV W każdym przypadku bezpośrednim skutkiem oddziaływania jest pojawienie się w ośrodku elektronów, które wywołują kolejne akty jonizacji bezpośredniej. 3

Zjawisko fotoelektryczne: jest niesprężystym oddziaływaniem kwantu promieniowania z elektronem związanym w atomie. Następuje przy tym absorpcja (pochłonięcie) fotonu. gdzie: h stała Plancka, ν częstotliwość fotonu, m e masa elektronu, v jego prędkość, energia jonizacji. W j Rozpraszanie Comptona jest sprężystym oddziaływaniem padającego kwantu promieniowania z elektronem swobodnym (lub słabo związanym elektronem walencyjnym). Towarzyszy temu zjawisko rozproszenia padającego kwantu promieniowania. gdzie: h stała Plancka, ν częstotliwość fotonu, m e masa elektronu, v jego prędkość, p pęd fotonu, p e pęd elektronu, λ długość fali związanej z fotonem. Primem oznaczono odpowiednie wielkości związane z fotonem rozproszonym. 4

Tworzenie par elektron pozyton może mieć miejsce gdy energia fotonu jest większa od energii odpowiadającej sumie energii spoczynkowej dwóch elektronów (E = m e c 2 = 0,511 MeV). Gdy energia fotonu jest większa od 1,02 MeV, to w wyniku oddziaływania fotonu z polem elektrostatycznym jądra atomu może dojść to powstania pary elektron pozyton. gdzie: h stała Plancka, ν częstotliwość fotonu, m e masa elektronu, v e jego prędkość, m p masa pozytonu, v p jego prędkość, c prędkość światła. 3. Cząstki nienaładowane, oddziaływanie neutronów na materię: zderzenie sprężyste (szybkie neutrony) z jądrami atomów absorbentu, powstają jądra odrzutu, szczególnie ważne protony odrzutu (po zderzeniu z wodorem) odpowiedzialne za dalszą jonizację, zderzenie niesprężyste (szybkie neutrony) z jądrami atomów absorbentu, neutron wzbudza jądro przekazując mu część energii, powrót do stanu podstawowego przez emisję promieniowania γ, wychwycie przez jądro atomów absorbentu (neutrony termiczne). Istotne znaczenie posiadają wychwyty radiacyjne wodoru, fosforu i azotu: 5

Sekwencja zjawisk wywołanych jonizacją Jonizacja jako wynik niesprężystego oddziaływania cząstek (promieniowania) z materią jest pierwotnym, fizycznym, etapem oddziaływania promieniowania jonizującego z materią. W następnym etapie, fizyko chemicznym, powstają wolne rodniki. Reakcje pomiędzy rodnikami oraz pomiędzy rodnikami i obojętnymi cząsteczkami zachodzą w stadium chemicznym. Etap zmian własności biologicznych ośrodka. Stadium oddziaływania Fizyczne: jonizacja i wzbudzenie Fizyczno chemiczne: powstawanie rodników Chemiczne: reakcje pomiędzy rodnikami i cząsteczkami Biologiczne: zmiany właściwości biologicznych Czas trwania 10 13 s 10 11 s 10 3 s dni, lata Efekty Radiacyjne w Wodzie Radioliza wody Promieniowanie jonizujące wywołuje w środowisku określone zmiany fizyko chemiczne, np.: defekty sieci krystalicznej, polimeryzację lub radiolizę związków organicznych, w układach aktywnych biologicznie napromieniowanie inaktywuje białka, aminokwasy, enzymy, kwasy nukleinowe. Szereg istotnych zmian w układach biologicznych wywołanych jest produktami radiolizy wody. Są nimi m.in. wolne rodniki. Wolny rodnik to atom, cząsteczka lub jej fragment (naładowany lub obojętny), w którym ostatni orbital zawiera jeden lub więcej niesparowany elektron (oznaczany kropką). Wykazują one właściwości paramagnetyczne oraz na ogół bardzo dużą aktywność chemiczną. W organizmach żywych duże znaczenie mają rodniki utleniające: OH wodorotlenowy (hydroksylowy), O 2 anionorodnik ponadtlenkowy, HO 2 wodoronadtlenkowy, O 2 tlen trypletowy. Oraz tlen singletowy i nadtlenek wodoru H 2 O 2, które nie są rodnikami, ale stanowią bardzo aktywne postaci tlenu. 6

Kwant lub cząstka promieniowania jonizującego może wyrwać z cząsteczki wody elektron wiążący: H OH e X, γ HO 2 lub H OH e lub niewiążący: 2 e 2 H H H 2, 2 X γ 2 e H O H O Powstały jon H 2 O + wychwytuje elektron i przechodzi do stanu wzbudzonego: * H O H O H OH Powstałe rodniki H i OH mogą ze sobą reagować dając: OH OH H O Uważa się, że produkty radiolizy wody są podstawowymi czyn nikami odpowiedzialnymi za uszkodzenia radiacyjne w układach biologicznych poddanych działaniu promieniowania X lub γ i są przyczyną 80% uszkodzeń popromiennych. 2 2 Mechanizmy oddziaływania elektromagnetycznego promieniowania jonizującego na materię 7

Ilościowy opis jonizacji Intensywność pierwotnych zjawisk fizycznych (jonizacja, wzbudzenie) opisuje funkcja liniowego przenoszenia energii LET (Linear Energy Transfer): LET oznacza ilość energii ΔE jaką traci cząstka na jednostce drogi Δl. LET można powiązać z gęstością jonizacji (jonizacją właściwą): gdzie: Δn/Δl to liczba par jonów jednego znaku powstająca na drodze Δl, a E j energia jonizacji. LET charakteryzuje więc jakość promieniowania, jego zdolność do jonizacji. Wartość LET dla cząstek naładowanych zależy od: 2 q LET N Z v gdzie: q oznacza ładunek cząstki, v jej prędkość, N liczbę atomów absorbentu w jednostce objętości, a Z liczbę atomową atomów absorbentu. 2 Pik Bragga gdzie: E energia cząstki, Zasięg maksymalną głębokość wnikania. LET promieniowania jonizującego zależy od głębokości w absorbencie. 8

Promieniowanie Średnie LET w wodzie (kev/μm) Fotony: 60 Co 1,2 MeV 0,3 X 200 kev 2,5 Elektrony: 1 MeV 0,2 100 kev 0,5 10 kev 2,0 1 kev 10 Ciężkie naładowane cząstki: protony 2 MeV 17 alfa 5 MeV 90 jądra węgla 100 MeV 160 Neutrony: 2,5 MeV 15-80 14,1 MeV 3-30 Obliczmy dla przykładu średnią odległość pomiędzy sąsiednimi miejscami jonizacji: Promieniowanie Energia MeV LET kev/μm Δl nm Zasięg μm (1) Co 60 1,2 0,3 110 4000 (2) elektron 0,01 2 16,5 5 (3) proton 2 17 1,94 118 (4) cz. alfa 5 90 0,37 56 Cząsteczka wody w proporcji wygląda następująco: W większym powiększeniu. 9

Dozymetria Promieniowania Jonizującego Pierwotne znaczenie przy określaniu skutków oddziaływania promieniowania jonizującego z materią ma ilość energii promieniowania jonizującego ΔE pochłonięta przez absorbent o masie Δm. Podstawową wielkością określającą skutki oddziaływania promieniowania jonizującego z materią jest dawka pochłonięta promieniowania D: Używana jest także jednostka spoza układu SI: 1 rad = 0,01 Gy = 1 cgy. rad = roentgen absorption dose W celu umożliwienia korelacji dawki jakiegokolwiek promieniowania jonizującego z jego efektami biologicznymi lub pokrewnymi, ICRU (International Commission on Radiological Units) zaleca, by dawkę wyrażać za pomocą wielkości energii pochłoniętej przez jednostkę masy napromieniowanego materiału w danym miejscu. Bezpośredni pomiar dawki pochłoniętej w absorbencie w wyniku napromieniowania jest bardzo trudny. Louis Harold Gray (1905-1965) brytyjski fizyk, który badał m.in. skutki napromieniowania obiektów biologicznych. Obok wielu innych osiągnięć, zdefiniował dawkę pochłoniętą promieniowania. 10

Wielkością mierzoną bezpośrednio jest ilość ładunku jednego znaku ΔQ, jaka powstaje w jednostce masy Δm suchego powietrza na skutek padającego promieniowania, czyli dawka ekspozycyjna X: Δ Q 1 C X [ X] Δ m 1 kg tzn. gdy wszystkie jony dodatnie i elektrony wytworzone w elemencie objętości o masie Δm pozostają w nim zatrzymane. Dawka ekspozycyjna odnosi się tylko do promieniowania X lub γ. Używana jest także jednostka spoza układu SI: 1R(oentgen) = 2,58 10 4 C/kg i oznacza wytworzenie ładunku jonów jednego znaku o wartości 1 j.es. w 1 cm 3 suchego powietrza (o masie 0,001293 g), a 1 j.es. = 3,3356 10 10 C. Mierząc dawkę ekspozycyjną w powietrzu można obliczyć dawkę pochłoniętą w powietrzu: Liczba jonów Dawka pochłonięta Stąd: gdzie E j - energia jonizacji cząsteczek powietrza, e ładunek elementarny. Powietrze: pomiar dawki ekspozycyjnej X obliczenie dawki pochłoniętej w powietrzu D p zakładamy, że: Tkanka: nie można zmierzyć dawki ekspozycyjnej X zakładamy, że w tkance D T : Zatem dawka pochłoniętą w tkance D T : 11

Skutki biologiczne zależą nie tylko od dawki pochłoniętej. Ma na nie wpływ, wobec możliwości inicjowania procesów naprawczych w komórkach, także czas zdeponowania dawki pochłoniętej w obiekcie biologicznym, czyli moc dawki D : Skutki biologiczne zależą także od rodzaju zdeponowanego promieniowania, a nie tylko od ilości pochłoniętej energii w jednostce czasu. Wpływ rodzaju promieniowania określa równoważnik dawki H: gdzie Q oznacza współczynnik jakości promieniowania (ang. Quality factor). Jeżeli D wyrażone jest w: grejach (Gy) to H w sivertach (Sv) w radach (rad) to w H w remach (rem = roentgen equivalent man). Współczynnik jakości Q zależy od rodzaju promieniowania, co oznacza jego zależność od LET: Średnia gęstość jonizacji Średnie LET Współczynnik w wodzie (1/μm) w wodzie (kev/μm) jakości Q 100 lub mniej 3,5 lub mniej 1 100 200 3,5 7,0 1 2 200 650 7,0 23 2 5 650 1500 23 53 5 10 1500 5000 53 175 10 20 Rolf Maximilian Sievert (1896 1966) fizyk medyczny; wniósł bardzo duży wkład w badania efektów biologicznych wywołanych napromieniowaniem promieniowaniem jonizującym. 12

Równoważnik dawki H T,R (nazwa zalecana od 1991 r. wg publikacji ICRP 60), dawka równoważna (starsze pojęcie z 1977 r. wg publikacji ICRP 26), biologiczny równoważnik dawki (H T ), (ang. equivalent dose (ICRP 60), dose equivalent (ICRP 26)) jest to dawka pochłonięta w danej tkance lub narządzie T z uwzględnieniem skutków biologicznych wywołanych przez różne rodzaje promieniowania R. Równoważnik dawki H T,R, zdefiniowany jest wzorem: gdzie: D T,R średnia dawka pochłoniętą promieniowania typu R w narządzie typu T, w R współczynnik wagowy promieniowania typu R. w R to czynnik jakości promieniowania zależny od rodzaju i energii promieniowania; uwzględnia wielkość niszczącego wpływu, określonego rodzaju promieniowania, na tkankę; w przeszłości (ICRP 26 z 1977 r.) posługiwano się współczynnikiem jakości Q. Rodzaj promieniowania w R Fotony (promieniowanie X, promieniowanie γ) wszystkie energie 1 Elektrony (promieniowanie β) i miony wszystkie energie 1 energia < 10 kev 5 10 kev < energia < 100 kev 10 Neutrony 100 kev < energia < do 2 MeV 20 2 MeV < energia < do 20 MeV 10 energia > 20 MeV 5 Protony, z wyłączeniem protonów odrzutu, energie > 2 MeV 5 Cząstki α, ciężkie jądra (jony) 20 Wartości współczynników wagowych w R promieniowania (dawniej Q, QF) dla różnych rodzajów promieniowania i różnych zakresów jego energii ustalone przez ICRP 60 (International Commission on Radiological Protection). 13

Przy napromieniowaniu mającym miejsce w dłuższym okresie czasu należy posługiwać się pojęciem mocy równoważnika dawki. Moc równoważnika dawki: jest to równoważnik dawki zdeponowany w jednostce czasu. Najczęściej przyjmuje się wartość dla całego ciała, przy napromienianiu zewnętrznym określonym rodzajem promieniowania, w związku z przebywaniem w miejscu występowania promieniowania. Pomiar mocy dawki służy określeniu dopuszczalnego czasu przebywania w takim miejscu. Jednostką mocy równoważnika dawki jest siwert/sekunda, Sv/s. 1 Sv/s = 1 W/kg = wat/kilogram Nie wszystkie organy i narządy są jednakowo wrażliwe na dane promieniowanie. Wymaga to stosowania odpowiednich poprawek przy prawidłowym obliczaniu dawki. Przy napromienieniu całego ciała lub kilku narządów posługujemy się pojęciem dawki skutecznej. Dawka skuteczna, H ef dawka efektywna (dawna nazwa: skuteczna dawka równoważna), (ang. Effective dose), suma wszystkich równoważników dawek od napromieniowania zewnętrznego i wewnętrznego we wszystkich tkankach i narządach z uwzględnieniem odpowiednich współczynników wagowych narządów lub tkanek, obrazująca narażenie całego ciała, zdefiniowana jest wyrażeniem: Sumowanie przeprowadza się po rodzajach pochłoniętego promieniowania i po rodzajach napromienionych tkanek. D T,R dawka pochłonięta promieniowania R, uśredniona w tkance lub narządzie T; w R współczynnik wagowy promieniowania R; w T współczynnik wagowy narządu lub tkanki T, współczynnik ryzyka radiacyjnego, określający radiowrażliwość tkanki lub narządu T na promieniowanie. Jeśli określoną tkankę napromieniono określonym równoważnikiem dawki, to jeśli obciążyć jednorodnie cały organizm równoważnikiem dawki liczbowo równym dawce skutecznej, to skutki napromieniowania w obu przypadkach będą takie same. 14

Wartości współczynnika wagowego w T dla tkanek człowieka Gonady 0,20 Czerwony szpik kostny, jelito grube, płuca, żołądek 0,12 Pęcherz moczowy, gruczoły piersiowe, wątroba, przełyk, tarczyca 0,05 Skóra, powierzchnia kości 0,01 Pozostałe tkanki 0,05 Wartości współczynnika wagowego w T (ryzyka radiacyjnego) dla tkanek czło wieka zalecana przez ICRP 60. Przykład Załóżmy, że pacjent przyjął doustnie niewielką ilość trytu: Średnia dawka pochłonięta w przewodzie pokarmowym została oszacowana na 5 mgy. Zakładamy, że tylko zaniedbywalnie mała ilość trytu pojawiła się w pęcherzu. Jaka była wartość równoważnika dawki, a jaka dawka skuteczna w tym przypadku? W tabeli współczynników wagowych dla różnych rodzajów promieniowania znajdujemy, że dla promieniowania β w R =1, zatem równoważnik dawki H wynosi: H = D w R = 5 mgy 1 = 5 msv Czyli skutki napromieniowania będą takie, jak zdeponowanie 5 mgy promieniowania X. Aby jednak skutki uwzględniały rodzaj napromieniowanych tkanek obliczymy dawkę skuteczną. Z tabeli współczynników wagowych tkanek znajdujemy: w Przełyku = 0,05 dla przełyku, w Żoładka = 0,12 dla żołądka, w Jelit = 0,12 dla jelit. Zatem dawka skuteczna H ef : H ef = H w Przełyku + H w Żoładka + H w Jelit = = 5 msv 0,05 + 5 msv 0,12 +5 msv 0,12 = 1,45 msv Ponieważ miało miejsce tylko częściowe napromieniowania ciała pacjenta dawka skuteczna liczbowo jest mniejsza niż równoważnik dawki. Podanie dawki 1,45 mgy jednorodnie na całe ciało w postaci promieniowania X wywoła takie same uszkodzenia (prawdopodobieństwo wywołania złośliwych i niezłośliwych nowotworów, czy zmian genetycznych) jakie wywoła podane, opisane wyżej, promieniowanie w przewodzie pokarmowym. 15

Rodzaje Dozymetrów: Dozymetry kalorymetryczne Dozymetry fotograficzne Dozymetry chemiczne Dozymetry scyntylacyjne Dozymetry termoluminescencyjne Dozymetry fotoluminescencyjne Komora jonizacyjna Dozymetria kalorymetryczna Prawie cała energia promieniowania zaabsorbowana w danym środowisku w koocu degraduje się do ciepła. Jeśli absorbujące środowisko jest odizolowane od otoczenia, to wzrost temperatury środowiska jest proporcjonalny do pochłoniętej energii: Wzrost temperatury można zmierzyd termoparą lub termistorem. Termopara Próżnia Promieniowanie X lub γ Schemat budowy dozymetru kalorymetrycznego. 16

Dawkomierz termo(foto)luminescencyjny. Poziomy energetyczne w dawkomierzu termo(foto)luminescencyjnym, np. LiF. Zasada działania dawkomierza termo(foto)luminescencyjnego. Przed napromieniowaniem dawkomierz ma temperaturę pokojową. W wyniku napromieniowania elektrony ulegają wzbudzaniu, a niektóre z nich są spułapkowane na poziomie pułapek. Mogą w tym stanie pozostawać przez miesiące a nawet lata, dopóki dawkomierz nie zostanie ogrzany do około 200 400ºC lub oświetlany. Natężenie światła emitowanego podczas termoluminescencji jest proporcjonalne do sumarycznej dawki pochłoniętej przez dany materiał od czasu ostatniego działania wysokiej temperatury. Pomiar Dawki Ekspozycyjnej Komora jonizacyjna podstawowym przyrządem dozymetrycznym. Jest to kondensator gazowy, do którego okładek przyłożone jest pewne napięcie (niezbyt duże, tak by nie powstawało tzw. wzmocnienie gazowe). Cząstka promieniowania jonizującego przenikająca przez komorę jonizuje gaz, ładunki dopływające do elektrod powodują przepływ prądu, który jest rejestrowany. Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyki prądowo-napięciowej komory jonizacyjnej. Komora Źródło jonizacyjna promieniowania Zasilacz Przesłona Wiązka promieniowania jonizującego Objętość robocza komory 17

Charakterystyka prądowo-napięciowa komory jonizacyjnej. Tor cząstki jonizującej Obszar II charakterystyki umożliwia pomiar dawki ekspozycyjnej X. Komora po naładowaniu do napięcia U k, gromadzi na okładkach kondensatora ładunek: Q k = C U k Po odłączeniu komory od źródła napięcia, eksponuje się ją na padające promieniowanie jonizujące. W wyniku jonizacji gazu w komorze, powstałe jony zobojętniają część ładunku na okładach kondensatora, napięcie na okładkach komory spada do niższej wartości U. Mierzymy to napięcie. Teraz na okładkach zgromadzony jest ładunek Q = C U. Stąd: Q = C U i X = K U Gdzie K = C/Δm jest stałą komory jonizacyjnej. 18

Duże znaczenie praktyczne posiadają jeszcze: Istnieje szereg detektorów promieniowania jonizującego, jak liczniki cząstek jonizujących. Są to na ogół proste detektory promieniowania jonizującego umożliwiające szybkie, elektroniczne zliczanie rejestrowanych cząstek, takie jak: liczniki scyntylacyjne, detektory półprzewodnikowe, liczniki Geigera Müllera. Licznik Geigera-Müllera Schemat budowy i zasada działania licznika Geigera-Müllera. Składa się on z metalowego cylindra o średnicy kilku cm wypełnionego gazem szlachetnym. W środku cylindra biegnie cienki odizolowany od cylindra drut stanowiący anodę. Pomiędzy cylindrem, a drutem wytworzone jest pole elektryczne. Cząstka przechodząca przez licznik powoduje jonizację atomów gazu wypełniających cylinder. Wewnątrz licznika powstają jony, które przyśpieszone polem elektrycznym wywołują lawinową jonizację gazu. Powstałe elektrony ze względu na małą masę bardzo szybko osiągają anodę, powodując przepływ prądu przez opór R. Wzrasta napięcie na R, maleje zatem napięcie pomiędzy anodą i katodą. Powoduje to przerwanie dalszej lawinowej jonizacji. Ten krótkotrwały spadek wartości napięcia pomiędzy anodą i katodą licznika nazwa się impulsem. Rejestrując poszczególne impulsy, z których każdy odpowiada przejściu przez licznik pojedynczej cząstki, możemy ustalić liczbę cząstek przechodzących przez licznik. 19

Detektor półprzewodnikowy Idea podobna, jak w detektorach gazowych: promieniowanie wywołuje jonizację ośrodka. Ośrodkiem jest w tym przypadku ciało stale - kryształ półprzewodnika, tworzące diodę spolaryzowaną zaporowo. Uwolnione, w wyniku jonizacji, ładunki elektrony i dziury, przepływają w obwodzie zasilania, dając krótkotrwały impuls elektryczny. Schemat budowy i zasada działania detektora półprzewodnikowego. Biologiczne Skutki Działania Promieniowania Jonizującego Na Poziomie Komórek i Tkanek Promieniowanie jonizujące charakteryzuje niezwykle wysoka skuteczność biologiczna niewspółmierna do ilości zaabsorbowanej energii. Dawka pochłonięta o wartości 6 Gy, czyli zdeponowanie w każdym kilogramie masy człowieka energii 6 J jest śmiertelna. Ta sama ilość energii w postaci ciepła ogrzeje 1 kg wody zaledwie o około 0,0012 K. Podstawą ilościowej oceny biologicznych skutków napromieniowania może być analiza przeżywalności (w sensie zachowania ich aktywności biologicznej) populacji osobników, komórek, cząsteczek Ilościowej oceny efektów radiobiologicznych dostarcza analiza krzywych efekt dawka. Na poziomie komórkowym mówimy o krzywych przeżycia określających frakcję komórek przeżywających (zachowujących zdolność do proliferacji) napromieniowanie określoną dawką. 20

Dawka rzekomoprogowa Typowe krzywe efekt dawka, tutaj krzywe przeżycia. Dawka pochłonięta D 37 zmniejsza populację komórek zdolnych do namnażania się e-krotnie, do 37% ich liczby początkowej, zwana dawką letalną; brak dawki progowej. W przypadku innych czynników toksycznych występuje dawka progowa. Czynniki Modyfikujące Krzywe Efekt - Dawka: Efekt tlenowy Obserwuje się istotną różnicę w radiowrażliwości na napromieniowanie promieniowaniem o małym LET komórek pozostających w hipoksji (anoksji, niedotlenieniu) i takich samych komórek normalnie natlenowanych. Komórki napromieniowane w stanie hipoksji są bardziej oporne na napromieniowanie. Współczynnik wzmocnienia tlenowego OER (Oxygen Enhancement Ratio): gdzie: D hipoksja średnia dawka letalna w stanie hipoksji, D normalne średnia dawka letalna przy normalnym utlenowaniu. Efekt istotny dla promieniowania o małym LET: γ i X, OER γ,x 3. Tak jest, ponieważ dla promieniowania o małym LET uszkodzenia popromienne mają charakter pośredni i są w większości skutkiem działania produktów radiolizy wody. 21

DNA uszkodzenie pośrednie OH H H 2 O promieniowanie jonizujące promieniowanie jonizujące uszkodzenie bezpośrednie Schemat powstawania bezpośrednich i pośrednich uszkodzeń pod wpływem promieniowania. Decydujący wpływ na udział pośrednich uszkodzeń ma cząstkowe ciśnienie tlenu w komórce. Tlen reaguje z powstałym na skutek radioli-zy wody rodnikiem wodorowym, co prowadzi do powstania niestabilne-go rodnika wodoronadtlenkowego: Reagując z drugim takim rodnikiem lub z rodnikiem wodorowym, tworzy on nadtlenek wodoru, cząsteczkę silnie utleniającą, powodującą liczne uszkodzenia DNA: Czynniki Modyfikujące Krzywe Efekt - Dawka: Rola LET Zwiększenie LET (deuterony, promieniowanie α, jądra ciężkich atomów) zmniejsza radiooporność; zmniejsza wartość średniej dawki letalnej, redukuje także efekt tlenowy. Moc dawki Zwiększenie radiooporności (wzrost średniej dawki letalnej) przy małej mocy dawki wskazuje na istnienie w komórkach procesów naprawczych, prowadzących do rekonstrukcji układu, naprawy u- szkodzeń wywołanych napromieniowaniem. 22

Czynniki Modyfikujące Krzywe Przeżycia: Badania zsynchronizowanych populacji komórkowych wskazują, że radiowrażliwość zależy fazy życia komórki, podczas której jest ona napromieniona. Komórki są najbardziej radiowrażliwe (mniejsza wartość średniej dawki letalnej), gdy są napromieniowane w fazach: G 2 faza posyntetyczna, M mitoza. W fazach G 0 i późnej S są najbardziej radiooporne. Radiowrażliwość komórki jest tym większa, im większe jest jej aktywność mitotyczna. W ustroju człowieka można wyróżnić cztery typy komórek. Poniżej uszeregowano je wg malejącej radiowrażliwości: 1. Komórki składowych macierzystych, niezróżnicowane komórki macierzyste w tkance krwiotwórczej, dzielące się komórki krypt jelita, spermatogonie typu A nabłonka nasieniotwórczego, proliferujące komórki ziarniste pęcherzyków w jajniku, komórki warstwy rozrodczej skóry. 2. Komórki składowych różnicujących się dzielące i różnicujące się komórki tkanki krwiotwórczej, bardziej zróżnicowane spermatogonie i spermatocyty. 3. Komórki funkcjonalnie dojrzałe, niedzielące się w normalnych warunkach komórki wątroby, trzustki, gruczołów potowych, gruczołów wydzielania wewnętrznego, komórki gruczołu śródmiąższowego jąder, komórki Sertoliego. 4. Komórki wyspecjalizowane czynnościowo, które utraciły zdolność do podziału erytrocyty, spermatydy, plemniki, komórki nabłonkowe, nerwowe, mięśniowe. 23

Radiowrażliwość tkanek jest tym większa, im większe są: aktywność mitotyczna i liczba komórek pozostających w trakcie różnicowania. Względna radiowrażliwość Wysoka Względnie wysoka Średnia Względnie niska Niska Narząd narządy limfatyczne, szpik kostny, jądra, jajniki, jelita skóra, rogówka, jama ustna, przełyk, odbytnica, pochwa, szyjka macicy, pęcherz moczowy, soczewka oka, żołądek naczynia włosowate, tkanka chrzęstna, kostna w okresie wzrostu dojrzałe chrząstki i kości, gruczoły ślinowe, narząd oddechowy, nerki, wątroba, trzustka, nadnercza, przysadka mięśnie, mózg, rdzeń kręgowy Skutki działania promieniowania jonizującego na organizm człowieka zależą od: wielkości równoważnika dawki pochłoniętej i jej mocy, wielkości obszaru ciała, który uległ napromieniowaniu. Promieniowanie jonizujące może wywołać skutki: somatyczne: dla dawek >1 Gy, są to wczesne skutki, praktycznie zdeterminowane wielkością dawki promieniowania, można wskazać dawki progowe, w 100 % zdetermininowane dla dawek większych od progowych (skutki niestochastyczne), somatyczno stochastyczne, genetyczne. Te dwa ostatnie rodzaje są późnymi skutkami, wywołanymi małymi dawkami (< 0,2 Gy), charakteryzują się brakiem dawki progowej i nie są w pełni zdeterminowane, mają charakter stochastyczny. 24

Efekty deterministyczne to zmiany w tkankach lub narządach wynikające ze śmiertelnego uszkodzenia pewnej liczby komórek. Stopień nasilenia efektu deterministycznego jest wprost proporcjonalny do liczby zabitych komórek. Istnieje dawka progowa, powyżej której efekt jest w 100 % zdetermininowany. Dawka progowa Zależność częstości efektu od dawki z wyraźnym progiem. Stopień ostrości uszkodzeń zależny od dawki. Wybrane skutki somatyczne działania promieniowania jonizującego na organizmy żywe. Wrażliwość całego organizmu na napromieniowanie charakteryzuje tak zwana dawka śmiertelna LD 50/30 wywołuje śmierć 50 % osobników z napromienionej populacji w ciągu 30 dni od napromieniowania. Organizm Wirusy, ameba, osa LD 50/30 (Gy) 1000 Wąż 800 Drożdże diploidalne 300 Ślimak 200 Bakterie 60 Drożdże haploidalne 50 Mysz 9 Szczur, królik, ryba, żaba 8 Człowiek 5 Świnia, pies, koza 3,5 Świnka morska 2,6 25

W wypadku napromieniowania całego organizmu można mówić o ostrym Zespole Popromiennym w zależności od zdeponowanej dawki: Zespół Mózgowy Zespół Jelitowy Zespół Szpiku Kostnego D >10 Gy wywołuje uszkodzenia w CUN; śmierć w ciągu kilku godzin. 6 Gy < D <10 Gy uszkodzenia przewodu pokarmowego, jelita cienkiego; śmierć w ciągu 1 do 2 tygodni po napromieniowaniu. 2 Gy < D < 6 Gy zmiany w układzie krwiotwórczym; śmierć po upływie 1 do 2 miesięcy po napromieniowaniu. Jeżeli dawka zostanie zdeponowana lokalnie, to dawki progowe wywołujące określone skutki w określonych narządach są znacznie większe. Ważniejsze efekty radiopatologiczne w wybranych tkankach i narządach. Tkanka, narząd Efekt patologiczny Dawka progowa (Gy) Skóra Przewód pokarmowy Gonady męskie Rumień Martwica Dyspepsja Nieżyt żołądka, owrzodzenie z perforacją Okresowa bezpłodność Trwała bezpłodność Gonady żeńskie Trwała bezpłodność 7 Tkanka chrzęstna, kostna Zahamowanie wytwarzania kostniny Martwica 10 30 25 35 45 0,1 5 20 60 Oko Zaćma 4 26

Skutki somatyczno stochastyczne Są to późne skutki długotrwałego napromieniowania małymi dawkami. Najważniejsze z nich to indukowane napromieniowaniem nowotwory złośliwe. Związek pomiędzy napromieniowaniem i rozwojem zmian nowotworowych wymaga długotrwałych badań na grupach ludzi narażonych na małe dawki promieniowania. Większość informacji o takich skutkach pochodzi z badań grupy około 100.000 ludzi napromieniowanych w wyniku zrzucenia bomby atomowej na Hiroszimę i Nagasaki i innych katastrof. Bezsprzeczny jest związek pomiędzy napromieniowaniem a następującymi zmianami nowotworowymi: białaczka, rak skóry, mięśniaki kości, rak tarczycy, rak płuc, rak żołądka. Dla tych schorzeń można podać odpowiednie współczynniki ryzyka, które załączono w tabelce. Cechą charakterystyczną nowotworów indukowanych jest długi czas utajenia, zależność od wieku napromieniowanego (młodsze organizmy charakteryzuje większa radiowrażliwość). Efekt stochastyczny (np. nowotwór) jest niezależny od wielkości zdeponowanej dawki i jest sprawą przypadku. Wraz ze wzrostem dawki wzrasta jednak częstość (prawdopodobieństwo) wystąpienia efektu stochastycznego: Nie ma w tym przypadku progu, poniżej którego efekt nie wystąpi. Natura i stopień nasilenia efektu stochastycznego wynika wyłącznie z rodzaju uszkodzenia materiału genetycznego komórki i jej funkcji w organizmie. Bezprogowa zależność częstości od dawki. Stopień ostrości uszkodzeń niezależny od dawki. 27

Skutki somatyczno stochastyczne. Ryzyko (prawdopodobieństwo zachorowania na niektóre popromienne nowotwory złośliwe. Nowotwór Współczynnik ryzyka F ryzyka (10 3 Sv 1 ) Żołądka 11,0 Okrężnicy 8,5 Płuc 8,5 Szpiku kostnego 5,0 Tarczycy 0,8 Powierzchni kości 0,5 Skóry 0,2 Zdeponowanie równoważnika dawki pochłoniętej o wartości 1 Sv w populacji 1000 osób wyindukuje nowotwór żołądka wśród 11 osób; 2 Sv wśród 22. Jednak przed podaniem tej dawki nie można wskazać, u których osób nowotwór zostanie wyindukowany. Przykład Oszacujmy prawdopodobieństwo wywołania nowotworu płuc na skutek tomografii płuc. Dawka pochłonięta w tym badaniu to około 8 mgy. P = F ryzyka H ef = F ryzyka w R w T D Potrzebne są jeszcze wartości współczynnika wagowego użytego promieniowania i współczynnika wagowego obciążonej tkanki. Wynoszą one odpowiednio 1 i 0,12, a współczynnik ryzyka nowotworu płuc wynosi 8,5 10 3 1/Sv. Zatem: P = 8,5 10 3 1/Sv 1 0,12 8 10 3 Gy = 8,16 10 6 Zatem w wyniku miliona badań zachoruje na nowotwór płuc 8 badanych pacjentów. 28

Skutki Genetyczne Obserwuje się wprost proporcjonalną zależność pomiędzy dawką promienio wania a liczbą mutacji. Nawet najmniejsze dawki wywołują mutacje, brak dawki progowej. Uszkodzenia genetyczne można podzielić na: mutacje genowe (punktowe zmiany w DNA), aberracje chromosomowe. Mutacje w komórkach somatycznych obciążają swymi skutkami jedynie osobnika napromieniowanego. Natomiast mutacje w komórkach rozrodczych obciążają jego bliższe i dalsze potomstwo. Źródła Promieniowania Jonizującego Obciążające Ludzi: 1. NATURALNE (obciążają całą populację ludzi): a) pierwotne i wtórne promieniowanie kosmiczne (0,3 msv/rok). Protony i lekkie jądra docierające w postaci pierwotnego promieniowania kosmicznego do atmosfery Ziemi i inicjują powstanie promieniowania: γ, 14 C, 3 H. b) promieniowanie pochodzące z Ziemi (0,4 1,3 msv/rok). Podstawowe znaczenie posiadają pierwiastki promieniotwórcze: 40 K, 87 Rb, 222 Rn i 220 Rn. Średnia dawka zależy od miejsca na powierzchni Ziemi. W Polsce od promieniowania pochodzącego z Ziemi pochodzi dawka od 0,13 0,8 msv/rok. c) promieniowanie wewnątrzustrojowe pochodzące od wchłoniętych radionuklidów (0,4 do 10 msv/rok). 40 K i gazowy radon 222 Rn, izotop pochodzący z szeregu promieniotwórczego uranu 238 o czasie połowicznego zaniku T 1/2 = 3,82 dnia. 2. SZTUCZNE (nie zawsze obciążają całą populację ludzi): a) diagnostyczne zastosowania medyczne: urografia 18 msv, prześwietlenie klatki piersiowej 11 msv, tomografia komputerowa około 100 msv, badania izotopowe średnio 0,15 msv. b) terapeutyczne zastosowania medyczne: w tym przypadku dawki są znaczne, ale dotyczą jedynie chorych. 29

3. OPADY RADIOAKTYWNE (obciążają całą populację ludzi) Są skutkiem próbnych wybuchów jądrowych w atmosferze. Z opadami związane jest narażenie na 14 C, 137 Cs, 90 Sr, cer i tryt. 4. ELEKTROWNIE JĄDROWE na świecie działa około 400 elektrowni. Przy pracy bezawaryjnej pochodzi od nich 0,0002 msv/rok. Statystyczny Polak otrzymuje rocznie ze wszystkich źródeł promieniowania dawkę ok. 3,5 msv, w tym 80% to dawka ze źródeł naturalnych, a pozostałe 20% ze źródeł sztucznych. Normy wynikające z zaleceń ICRU: dodatkowa dawka (poza źródłami naturalnymi i medycznymi) dla przeciętnego człowieka nie powinna przekraczać 1 msv/rok. Osoby pracujące zawodowo w warunkach narażenia na promieniowanie: lekarze, dozymetryści, pracownicy laboratoriów izotopowych, itp. są specjalnie szkoleni i instruo wani w jaki sposób uniknąć zbędnego napromienienia. Dla tej grupy osób dawkę grani czną określono na 50 msv/rok. W tabelce zebrano uśrednione dane dotyczące udziału poszczególnych źródeł promieniowania w średnim rocznym równoważniku dawki w Polsce. Składowe promieniowania promieniowanie Rn 220 i Rn 222 oraz ich pochodnych w powietrzu wewnątrz budynków Średnia dawka roczna msv /osoba Udział w % 1,580 43,9 diagnostyka rentgenowska i badania in vivo 0,780 21,7 radionuklidy inkorporowane (bez radonu) 0,409 11,4 promieniowanie gamma w budynkach 0,380 10,6 promieniowanie kosmiczne 0,290 8,0 promieniowanie Rn 220 i Rn 222 oraz ich pochodnych na wolnym powietrzu 0,080 2,2 promieniowanie γ z podłoża 0,040 1,1 opad promieniotwórczy po wybuchach jądrowych i po katastrofie czarnobylskiej 0,021 0,6 zagrożenia zawodowe w górnictwie 0,016 0,4 inne (przedmioty powszechnego użytku) 0,005 0,1 Razem 3,601 100,0 30

Wartości dawek pochłoniętych w różnych narządach podczas procedur diagnostycznych z wykorzystaniem promieniowania jonizującego. Średni roczny równoważnik dawki w Polsce wynosi 3,6 msv na mieszkańca. Procedura Dawka pochłonięta mgy Prześwietlenie zęba 0,02 Prześwietlenie klatki piersiowej tzw. mały obrazek 0,2 1,0 Prześwietlenie czaszki 0,20 Mammografia 0,6 3 Tomografia CT 1 10 Lewatywa barowa 4 8 Koronarografia 5 12 Badania sercowo - naczyniowe 7 Urografia 18,0 Podstawowe zasady ochrony radiologicznej Skutki wywołane promieniowaniem jonizującym są tym mniejsze im: krócej znajdujemy się w polu promieniowania dalej przebywamy od źródła promieniowania (10 razy dalej 100 razy bezpieczniej) grubszą osłoną oddzielamy się od źródła promieniowania mniej aktywne jest źródło promieniowania. W ochronie radiologicznej ważną zasadą jest zasada ALARA, (As Low As Reasonably Achievable), która mówi o tym, że należy poczynić wszelkie niezbędne rozsądne kroki, aby utrzymać ekspozycję na promieniowanie daleko poniżej limitów. 31

Hormeza Radiacyjna W ciągu 70 lat życia średnia życiowa dawka naturalna promieniowania wynosi około 250 msv. W niektórych regionach świata dawka ta znacznie odbiega od średniej: Norwegia średnia dawka życiowa wynosi 365 msv (dochodzi 1500 msv), Finlandia 525 msv, Kerala w Indiach 2000 msv, Iran poziom promieniowania naturalnego przekracza 3000 msv, Ramsar (Iran) średnią dawka życiowa 17000 msv. Jednakże mieszkańcy tych regionów nie wykazują zwiększonej zachorowalności na nowotwory i inne dolegliwości, a niektórzy osiągają wiek 110 lat. Hipoteza hormezy radiacyjnej. Hormeza zjawisko polegające na tym, że czynnik występujący w przyrodzie, szkodliwy dla organizmu w większych dawkach, w małych dawkach działa nań korzystnie. Już w XVI wieku szwajcarski lekarz Paracelsus (1493(4) 1541), twierdził, że to dawka (a nie substancja) czyni truciznę. Paracelsus 1493(4) 1541 32

Powrót Wilhelm C. Roentgen (1845-1923) fizyk niemiecki. Studiował w Holandii, w roku 1888 został profesorem w Instytucie Fizyki w Würzburgu. W 1895 roku Roentgen zauważył, że lampa katodowa powoduje świecenie, na odległość, papieru pokrytego związkiem baru. Lampa wysyłała nie znane wówczas promieniowanie, które było przyczyną świecenia. Roentgen nazwał je promieniami X, ponieważ X oznacza niewiadomą. Jego odkrycie, za które został wyróżniony w 1901 roku Nagrodą Nobla, zrewolucjonizowało medycynę, umożliwiając wejrzenie do wnętrza ludzkiego ciała bez użycia skalpela. Roentgen odmówił opatentowania promieni X. 33

Widmo promieniowania elektromagnetycznego. Podział uwarunkowany jest sposobami wytwarzania promieniowania elektromagnetycznego z danego zakresu i sposobami jego oddziaływania z materią. Powrót 34