Радиационная биофизика. Часть 1

1.

Радиационная биофизика.
Часть 1
М.н.с. ИПЭ УрО РАН
Рогозина М. А.
Екатеринбург,
2013

2.

Ионизирующие излучения =
= проникающая радиация
Электромагнитные
излучения
Рентгеновское,
γ-излучение
Корпускулярные
излучения α-, βчастицы, протоны,
нейтроны
Излучения, способные непосредственно или
косвенно ионизировать атомы и молекулы
поглотителя
1. Естественный радиационный фон
2. Техногенный радиационный фон
3. Медицинское облучение

3.

Радиационная биология или радиобиология —
наука, изучающая действие ионизирующих и
неионизирующих излучений на биологические
объекты.
Радиационная биофизика — научная
дисциплина, изучающая молекулярные
механизмы биологического действия
ионизирующих и неионизирующих излучений,
выясняющая последовательную картину
изменений, начиная от поглощения энергии
радиации отдельными молекулами до сложных
биологических изменений в клетке и организме.

4.

Первый этап
1890—1921 гг.
описательный этап, связанный с накоплением
данных и первыми попытками осмысления
биологических реакций на облучение
Второй этап
1922—1944 гг.
становление фундаментальных
принципов количественной
радиобиологии, связь эффектов с
величиной поглощенной дозы;
открытие мутагенного действия
ионизирующих излучений,
Ф. Дессауэр
развитие радиационной
1881-1963гг
генетики.

5.

Третий этап
1945—1985 гг.
дальнейшее развитие количественной
радиобиологии на всех уровнях
биологической организации: молекулярная
и клеточная радиобиология;
разработка биологических способов
противолучевой защиты;
лечения лучевых поражений;
применение в радиобиологии ускорителей
заряженных частиц;
разработка радиосенсибилизирующих
агентов;
развитие радиобиологических принципов
лучевой терапии опухолей.

6.

Четвертый этап
с 1986 года по настоящее время
изучение биологического действия
излучения в малых дозах и отдаленных
последствий облучения;
исследование комбинированного действия
широкого спектра радионуклидов с
химическими загрязнителями среды;
поиск принципиально новых средств
защиты от хронического облучения.

7.

Парадокс радиобиологии
Большое несоответствие между ничтожной
величиной поглощенной энергии и крайней
степенью выраженности реакций
биологического объекта вплоть до
летального эффекта.
10Гр ~ 0,001°С

8.

МКРЗ (ICRP) – Международная Комиссия по
Радиологической Защите
МКРЗ предлагает свои рекомендации организациям по
нормированию и научному сопровождению в качестве
помощи в руководстве и реализации мер радиационной
защиты.
МКРЕ (ICRU) – Международная Комиссия
по Радиологическим Единицам
Задача комиссии – разработка и принятие
международно признаваемых рекомендаций по
связанным с радиацией величинам и единицам,
терминологии, измерительным процедурам и
справочным данным для эффективного и безопасного
применения ионизирующего излучения в медицинской
диагностике и терапии, радиационной науке и
технологиях, радиационной защите отдельных людей и
населения.

9.

1. Величины и единицы, характеризующие
радиоактивное излучение
Активность радионуклида
dN 0
A
,
dt
[Бк]
A
Am
m
A(t ) A0 exp( t )
t T1 / 2
(1.1)
(1.2)
A
AV
V
(1.3)
(1.4)
ln 2
T1 2
(1.5)
ln( 2) 1 T1/ 2
1
ln 2 T1/ 2
A(T1 / 2 ) А0
2
ln 2
1
А0 А0 exp( T1 / 2 ) T
12
2
(1.6)

10.

Дозиметрические величины
Физические
величины
Поглощенная
доза
D
Керма
K
Флюенс Ф
Плотность
потока
φ
Интенсивность I
Нормируемые
величины
Эквивалентная
доза Н
Эффективная
доза Е
Операционные
величины
Эквиваленты
дозы
Рисунок 1.1. Классификация дозиметрических величин

11.

Физические величины
Экспозиционная доза
1Р = 2,58·10-4Кл/кг
Поглощенная доза
1Р = 8,8·10-3Гр
1рад = 100эрг/г = 10-7 Гр
Мощность поглощенной дозы
Доза в органе или ткани
X=dQ/dm
dE
D
dm
(1.7)
dD
D
dt
(1.8)
dET (1.9)
DT
dmT

12.

Физические величины
Керма
dE
K
Флюенс
кин
dm
dN
Ф
dS
(1.10)
(1.11)
Плотность потока
dN
(1.12)
dS dt
Интенсивность излучения
dE
I
(1.13)
dS dt

13.

Рисунок 1.2. Взаимодействие излучения с веществом

14.

Линейная передача энергии
(linear energy transfer, LET)
определяет величину средних потерь
энергии на единицу пути первичной
заряженной частицы в пределах объема ее
трека
dE
ЛПЭ
dl
(1.14)

15.

Нормируемые величины
Коэффициент качества излучения (Q, quality factor)
(1.15)
Эквивалентная доза органа или ткани
[Зв]
H TR wR DTR
(1.16)
H T H TR
(1.17)
R
H TR
dH TR
dt
(1.18)

16.

Нормируемые величины
WR
Таблица 1.1. Взвешивающие коэффициенты для
вида излучений в соответствии с НРБ-2009.

17.

Нормируемые величины
Эффективная доза
E wT H T
(1.19)
Таблица 1.2. Взвешивающие коэффициенты для
тканей и органов в соответствии с НРБ-2009.

18.

Операционные величины
Equivalent dose
≠
H D Q(ЛПЭ)
Dose equivalent
(1.20)
Условные поля излучения, производные от
реального поля излучения. В растянутом поле
флюенс, а также его угловое и энергетическое
распределение имеют в пределах
интересующего нас объема те же значения, что и
в рассматриваемой точке реального поля
излучения. В направленном и растянутом поле
флюенс и его энергетическое распределение те
же, что и в растянутом поле, но флюенс мононаправленный.

19.

Операционные величины
Амбиентный эквивалент дозы Н*(d)
Направленный эквивалент дозы Н'(d, Ω)
Рисунок 1.3. Схема определения
амбиентного эквивалента дозы

20.

Операционные величины
Пример: Коэффициент перехода от
воздушной кермы к амбиентному
эквиваленту дозы, данный в таблице А.2 47
Публикации МКРЗ, составляет 1,2 Зв∙Гр-1
при энергии фотонов 662кэВ от 137Cs, часто
используемого для калибровки нуклида. Это
подразумевает, что нужно умножить
амбиентный эквивалент дозы на
коэффициент 1/1,2=0,83 для получения
приблизительного значения поглощенной
дозы в воздухе.

21.

Операционные величины
Индивидуальный эквивалент дозы
Рисунок 1.4. Схема определения
индивидуального эквивалента дозы

22.

2. Биологические основы радиационной безопасности
2.1. Определение стохастических и
детерминированных эффектов
Детерминированными называют клинически
выявляемые биологические эффекты, когда
предполагается существование порога, ниже
которого эффект отсутствует, а выше – зависит от
дозы.
Стохастические эффекты — это вредные
биологические эффекты излучения, не
имеющие дозового порога возникновения,
вероятность возникновения которых
пропорциональна дозе и для которых тяжесть
проявления не зависит от дозы.

23.

Стохастические
Детерминированные
Рисунок 2.1. Характерные различия между
кривыми доза—эффект для стохастических и
детерминированных эффектов.

24.

Рисунок 2.2. Зависимости доза-эффект в области
малых доз

25.

Рисунок 2.3. Различные виды зависимости
доза-эффект

26.

2.2. Методика организации
эпидемиологических исследований
Рисунок 2.4. Связь объема выборки в эпидемиологическом исследовании с
дозой, при которой может быть выявлен эффект при доверительной
вероятности 90%.

27.

Когортный метод. Исследование, в котором
определенная когорта прослеживается в течение
некоторого периода времени.
Когорта в эпидемиологических исследованиях
представляет группу лиц, изначально объединенных
каким-либо общим признаком и наблюдаемых в
течение определенного периода времени.
Рисунок 2.5. Схемы когортных исследований

28.

Метод «случай-контроль»
Рисунок 2.6. Схема исследования случайконтроль

29.

2.3. Определение распределения доз внешнего
излучения в теле человека
2.3.1. Основные положения
В значительной степени влияют на
распределения дозы - излучений следующие
факторы:
• вид излучения,
• угловое и пространственное распределение
падающего излучения,
• энергетический спектр падающего
излучения,
• ориентация тела человека в радиационном
поле,
• конфигурация и состав тела.

30.

2.3.2. Измерение и математическое моделирование
2.3.2.1. Фантомы, моделирующие тело человека
Для измерений
Гомогенные:
Для вычислений
Гомогенные :
Куб (жидкий, твердый) Полубесконечная
пластина
Эллиптический
цилиндр (жидкий,
твердый)
Эллиптический цилиндр
Сфера (твердая)
Гетерогенные:
Гетерогенные
Взрослый
Сфера
Ребенок
Таблица 2.1. Некоторые фантомы для измерения и
вычисления распределений доз излучения

31.

Рисунок 2.7. Первый фантом MIRD

32.

Рисунок 2.8. Фантомы для разных возрастов

33.

Рисунок 2.9. Схематическое представление
фантомов ADAM и EVA

34.

Рисунок 2.10. Схематическое представление
воксел-фантома

35.

Рисунок 2.11. Схематическое представление
воксел-фантома МКРЗ

36.

Рисунок 2.12. Использование воксель-фантома
для оценки распределения доз при радиационной
аварии

37.

Фантомы, основанные на «граничном
представлении» (Boundary representation - BREP),
представляют внешние и внутренние особенности
человеческого тела. В отличие от воксель-фантомов
они формируют тело не из отдельных кубических
областей, а из связанных между собой
поверхностей.

38.

NURBS-фантом задается NURBSуравнениями, которые формируются на
основании набора контрольных точек. Форма и
объем полученных поверхностей зависят от
расположения контрольных точек. Эта
особенность полезна для построения 4Dмодели, учитывающей временное
распределение.
Еще один многообещающий вид
фантомов – основанные на полигональной
сетке, состоящей из вершин, ребер и
поверхностей, формирующей многогранную
поверхность в трехмерном пространстве.

39.

2.3.2.2. Вычисления переноса излучения
Для определения проникновения излучения в
фантом были использованы два основных
метода: метод численного решения уравнения
переноса Больцмана и моделирование МонтеКарло для определения взаимодействий частиц.
Рисунок 2.13. Различные геометрические условия
облучения фантома тела человека

40.

На первом этапе рассчитывается поле излучения,
падающее на цилиндрическую поверхность,
окружающую антропоморфный фантом
Рисунок 2.14. Расчет поля излучения, падающего
на цилиндрическую поверхность, окружающую
антропоморфный фантом

41.

На втором этапе расчетов производится расчет
эквивалентных доз на внутренние органы,
обусловленных излучением цилиндрического
поверхностного источника, окружающего фантом
Рисунок 2.15. Расчет эквивалентных доз на внутренние органы,
обусловленных излучением цилиндрического поверхностного источника,
окружающего фантом

42.

2.4. Внутреннее облучение человека
2.4.1. Пути поступления радиоактивных
веществ в организм
Рисунок 2.16. Пути поступления радионуклидов в
организм

43.

2.4.2. Физиология респираторного тракта
Аэрозоли – дисперсные системы, представляющие
собой взвесь твердых и жидких частиц в воздухе
или в другой газообразной среде. Пыль (>10мкм),
туман (10-0,1мкм), дым (1-0,001мкм).
По происхождению: дисперсные
и конденсационные
По физико-химическим свойствам: заряженные
и незаряженные
По однородности размеров: монодисперсные
и полидисперсные
По степени проникновения: респирабельные
(<5-10мкм) и нереспирабельные (>15-20мкм)

44.

Рисунок 2.17. Модель респираторного тракта
человека

45.

Отдел ЕТ1 – эквивалентный средний диаметр воздушных проходов 5 мм,
общая площадь поверхности 20 см2, средняя толщина плоскоклеточного
эпителия 50 мкм, средняя глубина залегания ядер базальных клетокмишеней 40-50 мкм.
Отдел ЕТ2 – эквивалентный средний диаметр воздушных проходов 3 см,
общая площадь поверхности 450 см2, средняя толщина слоистого
плоскоклеточного эпителия 50 мкм, средняя глубина залегания ядер
базальных клеток-мишеней 40-50 мкм, средняя толщина слизистого слоя 15
мкм.
Отдел ВВ – объем трахеи и бронхов 5 10-5 м3, площадь бронхов 1-8
порядков 290 см2, средние параметры бронхиальных стенок: калибр 5 мм,
толщина слизистого слоя 5 мкм, толщина слоя ресничек 6 мкм, толщина
слоя эпителия (без учета ресничек) 55 мкм, глубина залегания ядер
базальных клеток-мишеней 35-50 мкм, глубина залегания ядер секреторных
клеток-мишеней 10-40 мкм.
Отдел bb – объем бронхиол 5 10-5 м3, площадь бронхиол 9-15 порядков
2400 см2, средние параметры бронхиолярных стенок: калибр 1 мм, толщина
слизистого слоя 2 мкм, толщина слоя ресничек 4 мкм, толщина слоя
эпителия (без учета ресничек) 15 мкм, глубина залегания ядер клетокмишеней 4-12 мкм.
Отдел AI – общий объем респираторных бронхиол 16-26 порядков 2 10-4 м3,
общая площадь респираторных бронхиол 7,5 м2, воздушный объем альвеол
4,5 10-3 м3, общая площадь поверхности альвеол 140 м2.

46.

Первая категория – объемы легких в различных
стадиях процесса дыхания. К ним относятся:
• общий объем легких (total lung capacity, TLC)
– объем воздуха в легких при максимальном
выдохе;
• функциональный остаточный объем
(functional residual capacity, FRC) – объем
воздуха, оставшийся в легких при
нормальном выдохе;
• дыхательный объем легких (vital lung
capacity, VC) – объем воздуха, поступающий
в легкие при переходе от состояния
максимально возможного выдоха до
состояния максимально возможного вдоха.

47.

Ко второй категории параметров,
описывающих физиологию респираторного
тракта, относятся параметры вентиляции
легких:
• вид дыхания – распределение вдыхаемого
воздуха между носом и ртом;
• частота дыхания fR – количество вдохов в
минуту;
• дыхательный объем VT (tidal volume) –
объем вдыхаемого воздуха на один вдох.

48.

2.4.3. Модель желудочно-кишечного тракта
Рисунок 2.17. Анатомическое представление желудочнокишечного тракта человека

49.

жт
f1 тк
1 f1
(2.1)
dAж
I ing (t ) ж Аж Аж
dt
dAтк
f1 тк
ж Аж тк Атк Атк
dt
1 f1
dABTK
тк Атк BTK ABTK ABTK
dt
dAHTK
BTK АBTK HTK AHTK AHTK
dt
(2.2)

50.

Рисунок 2.19. Модель желудочно-кишечного тракта
человека Публикации 100 МКРЗ.

51.

По значению коэффициента всасывания все
радионуклиды подразделяются на четыре группы:
• С высокой степенью резорбции в легких и ЖКТ
(75—100%) – 24Na, 35S, 131I, 137Cs, 222Rn;
• Со значительной резорбцией в легких (25—50%)
и в ЖКТ (10—30%) – 45Ca, 60Co, 226Ra;
• С умеренной резорбцией в кишечнике (1—10%)
и значительным всасыванием в легких (25—
30%) – 54Mn, 59Fe,106Ru, 207Bi, 210Po, 238U;
• Практически не всасывающиеся в кишечнике
(0,1—0,00001%) и хорошо резорбируемые из
легких (20—25%) – 7Be, 91I, 144Ce, 234Th, 239Pu,
241Am.

52.

3. Поглощение энергии ионизирующих
излучений
3.1. Общий принцип Гроттгуса.
Дискретный характер поглощения энергии
ионизирующих излучений.
Принцип Гроттгуса: только та часть энергии
излучения может вызвать изменения в
веществе, которая поглощается этим
веществом; энергия отраженного или
проходящего сквозь вещество излучения не
оказывает действия.
Вероятностный характер поглощения энергии
приводит к необходимости описания ряда
радиационных величин в терминах статистики.

53.

3.2. «Энергетический парадокс» в радиобиологии
10 Гр → 0,002°С
Этот «энергетический парадокс» указывает на
кажущееся глубокое несоответствие между
количеством энергии, теряемой в тканях
ионизирующим излучением, и теми
биологическими последствиями, к которым
приводит облучение.

54.

3.3. Относительная биологическая эффективность
(ОБЭ) разных видов ионизирующих излучений
Коэффициент относительной биологической
эффективности (ОБЭ) определяется из
соотношения, начальная часть которого
показывает, как осуществляется переход от
«абсолютной» биологической эффективности
(3.1)

55.

Рисунок 3.1. Зависимость ОБЭ излучения от ЛПЭ по
критерию выживаемости клеток почек человека в
культуре: 1, 2, 3 – результаты облучения в дозах, при
которых доля выживших клеток составила,
соответственно, 0,8; 0,1 и 0,01.

56.

3.4. Механизмы процессов поглощения энергии
излучений
3.4.1. Поглощение рентгеновского и
γ-излучений
(3.2)
Рисунок 3.2. Схема
основных процессов
поглощения энергии
фотонов рентгеновского
и γ-излучения

57.

Фотоэффект
Эффект Комптона
(3.4)
Образование электрон-позитронных пар

58.

Таблица 3.1. Комптоновские и фотоэлектроны,
возникающие в воде при воздействии
рентгеновского и γ-излучений

59.

Рисунок 3.3. Относительная частота образования
электронов и пар фотонами в углероде:
1 – фотоэффект, 2 – комптоновский эффект,
3 – образование пар.

60.

3.4.2. Поглощение нейтронного излучения
• Упругое рассеяние
• Неупругое рассеяние
• Радиационный захват нейтрона ядром

61.

3.4.3. Ионизация в тканях косвенно
ионизирующими частицами
Рисунок 3.4. Характер ионизации вещества фотонами
мягкого (а) и жесткого (б) рентгеновского и γ-излучений

62.

Рисунок 3.5. Поглощение энергии в воде для
рентгеновского и γ-излучения с разной энергией
квантов.

63.

3.4.4. Поглощение ускоренных заряженных
частиц
Рисунок 3.6. Модель, поясняющая характер
взаимодействия заряженных частиц с атомом

64.

Рисунок 3.7. Изменение линейной плотности ионизации
при прохождении ускоренной тяжелой заряженной частицы
через вещество

65.

Рисунок 3.8. Пространственное распределение
поглощенной дозы для разных видов излучения

66.

3.4.5. Пространственное распределение ионов
Рисунок 3.9. Выживаемость культуры Т – клеток
(центральных регуляторов иммунного ответа) почки
человека при действии ионизирующих частиц
различных типов

67.

Рисунок 3.10. Схематическое изображение отрезка
траектории различных заряженных частиц, показывающее
распределение актов ионизации и возбуждения вдоль трека
частицы в указанном масштабе

68.

3.4.5.1. Ионизация в тканях при действии
тяжелых заряженных частиц
Таблица 3.2. Длина пробега, потеря энергии и число
первичных ионов при прохождении α-частиц в ткани
плотностью 1 г/см3

69.

Рисунок 3.11. Передача энергии по
траектории тяжелой заряженной частицы.

70.

3.4.5.2. Ионизация в тканях при действии
ускоренных электронов
Рисунок 3.12. Истинная и практическая
длина пробега электронов в веществе.

71.

Рисунок 3.13. Трек быстрого электрона (по фотографии в
камере Вильсона): 1 — трек быстрого электрона (Е ≈ 200
кэВ), 2 — трек медленного электрона (Е ≈ 20 кэВ). При
низкой энергии изгибание трека вызвано рассеянием.

72.

Таблица 3.3. Длина пробега, потеря энергии и число
первичных ионов, вызываемых электронами в ткани
плотностью 1 г/см3

73.

3.4.6. Локальные характеристики поглощения
энергии веществом. Микродозиметрия.
Зависимость ОБЭ от локального распределения
энергии излучения
Микродозиметрия - исследование
микроскопического распределения поглощённой
энергии при воздействии ионизирующего
излучения на объект.

74.

Микродозиметрические величины у и z
характеризуются следующими особенностями
случайных величин:
• их значения изменяются скачкообразно в
пространстве и времени;
• они принципиально непредсказуемы и до их
измерения можно указать лишь вероятность
обнаружения заданного значения величины.

75.

Выводы о поглощении энергии
ионизирующих излучений
Возникающие на физической стадии
ионизированные и возбужденные молекулы
запускают сложную цепь реакций, приводящих в
конечном счете к тестируемому биологическому
эффекту.
Проводя соответствующую математическую
обработку кривых, отражающих зависимость
биологического эффекта от поглощенной дозы
излучения, можно попытаться оценить
минимальное количество актов ионизации,
достаточное для возникновения эффекта,
примерный размер мишени, в которой должны
произойти акты ионизации, и т. д.