Биофизические основы действия ионизирующего излучения

1. БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ И.И.

Лекция 5.
1. Радиобиологические
процессы.
2. Прямое и непрямое
действие ионизирующих излучений.
3. Основы дозиметрии
ионизирующего
излучения.
4. Применение ионизирующих излучений в
медицине.
1. Радиобиологические
процессы
Это ПРОЦЕССЫ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С
ЖИВОЙ СИСТЕМОЙ
ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ.
ИМЕЮТСЯ КАК СХОДСТВО,
ТАК И РАЗЛИЧИЯ
С ФОТОБИОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ.

2. Сравнение фото- и радиобиологических процессов

Как и в ФБ-процессах,
в радиобиологических
процессах выделяют
ПЕРВИЧНЫЕ –
• РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ
и
• РАДИОХИМИЧЕСКИЕ
СТАДИИ.
Но:
ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЧАСТИЦ И
КВАНТОВ
ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
С МОЛЕКУЛАМИ
ВЕЩЕСТВА –
1.
НЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ,
А СРАЗУ
ИОНИЗАЦИЯ.

3. Различия ФБ и РБ процессов

2. ИОНИЗАЦИЯ ПРАКТИЧЕСКИ
ВСЕХ ТИПОВ
МОЛЕКУЛ ОТСУТСТВИЕ
СЕЛЕКТИВНОСТИ,
СВОЙСТВЕННОЙ СВЕТУ.
(Свет разных длин волн
по-разному поглощается
различными веществами.)
3. РАЗВИТИЕ
СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫХ
ПРОЦЕССОВ
ПО ЦЕПНОМУ
МЕХАНИЗМУ
(С САМОУСИЛЕНИЕМ).
(Одни свободные
радикалы порождают
другие,
цепочки разветвляются
и редко обрываются.)

4. 2. ПРЯМОЕ И НЕПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ И.И.

ВСЕ ЖИЗНЕННО ВАЖНЫЕ
БИОЛОГИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
ФУНКЦИОНИРУЮТ В
ВОДНОМ ОКРУЖЕНИИ. –
ИОНИЗАЦИИ
НА РАДИАЦИОННОФИЗИЧЕСКОЙ СТАДИИ
ПОДВЕРГАЮТСЯ
МОЛЕКУЛЫ
КАК ОРГАНИЧЕСКИХ
ВЕЩЕСТВ,
ТАК И ВОДЫ:
H2O + h H2O+ + eПоэтому на следующей,
радиохимической
стадии
процессы могут
развиваться
по ПРЯМОМУ и
НЕПРЯМОМУ
(КОСВЕННОМУ)
механизму.

5.

ПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ
НА РАДИАЦИОННОХИМИЧЕСКОЙ СТАДИИ
НЕПОСРЕДСТВЕННО
ПРЕОБРАЗУЮТСЯ
ИОНИЗИРОВАННЫЕ
ОРГАНИЧЕСКИЕ
МОЛЕКУЛЫ.
НЕПРЯМОЕ
ДЕЙСТВИЕ
НА РАДИОХИМИЧЕСКОЙ
СТАДИИ
ПРЕОБРАЗУЮТСЯ
СНАЧАЛА
ИОНИЗИРОВАННЫЕ
МОЛЕКУЛЫ ВОДЫ.
ПРОДУКТЫ ЭТОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ВСТУПАЮТ В РЕАКЦИИ
С ОРГАНИЧЕСКИМИ
МОЛЕКУЛАМИ
ЖИВОЙ ТКАНИ.

6. РАДИОЛИЗ ВОДЫ

РАЗЛОЖЕНИЕ
ИОНИЗИРОВАННЫХ
МОЛЕКУЛ ВОДЫ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ –
РАДИОЛИЗ ВОДЫ:
H2O+ H+ + OH·
e- + H2O H2OH2O- OH- + H˙
H2O+ + e- H2O
H2O H˙ + OH˙

7.

В присутствии
кислорода:
H˙ + O2 HO˙2
(гидроперекисный
радикал)
HO˙2 + HO˙2
H2O2 + 2O
(перекись водорода и
атомарный кислород)
Продукты радиолиза
взаимодействуют
с органическими молекулами и вызывают
их аналогичные
превращения.
НЕПРЯМОЕ
ДЕЙСТВИЕ –
действие
«ЧЕРЕЗ ВОДУ».

8. Последствия

Свободные радикалы и прочие высокоактивные
продукты первичных стадий РБ процессов
вызывают изменение проницаемости мембран,
активности ряда ферментов и в итоге приводят к
значительным повреждениям клеток.
Более того, если – под влиянием ионизирующего
излучения – эти радикалы образуются в белках и
нуклеиновых кислотах, то происходит изменение
первичной структуры и пространственной
организации этих важнейших биополимеров.
Если не срабатывают механизмы репарации,
то наступает лучевая болезнь.

9. 3. ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ

ДОЗЫ
ДОЗИМЕТРИЯ изучает
ВЕЛИЧИНЫ,
характеризующие
действие И.И. на
вещества,
а также МЕТОДЫ И
ПРИБОРЫ
для их измерения.
ПОГЛОЩЕННАЯ
(ИЗЛУЧЕНИЯ)
ЭКСПОЗИЦИОННАЯ
ЭКВИВАЛЕНТНАЯ

10. ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ, или ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА

ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ
ДЛЯ ЛЮБОГО
ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ.
Это
ЭНЕРГИЯ, ПОГЛОЩЕННАЯ
ЕДИНИЦЕЙ МАССЫ
ОБЛУЧАЕМОГО
ВЕЩЕСТВА -
D = E / m.
МОЩНОСТЬ
ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЫ:
ND = D / t.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ D:
• СИ – Дж/кг = Гр (грей)
• Внесистемная единица –
рад
(Radiation Absorbed Dose)
1 рад = 10 - 2 Гр
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ND:
• Гр / с
• рад / с

11. ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА

• ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ
ДЛЯ ФОТОНОВСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ - РЕНТГЕНОВСКОГО
И ГАММА.
• ЗАРЯД, СОЗДАННЫЙ
ПРИ ИОНИЗАЦИИ
ФОТОНОВСКИМ
ИЗЛУЧЕНИЕМ
ЕДИНИЦЫ МАССЫ
ВОЗДУХА –
X = Q / m.
МЕРА ИОНИЗАЦИИ ВОЗДУХА
РЕНТГЕНОВСКИМИ И
ГАММА - ЛУЧАМИ.
МОЩНОСТЬ
ЭКСПОЗИЦИОННОЙ
ДОЗЫ:
NX = X / t.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ Х:
• СИ – Кл / кг.
• Внесистемные единицы
- рентген ( Р )
1 Р = 2,58 10- 4 Кл / кг.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ NX:
• Кл / ( кг с ) = А / кг.
• Р / с.

12.

Связь поглощенной и
экспозиционной доз:
D = f X,
где f – коэффициент,
зависящий от облучаемого вещества и от
энергии фотонов.
Для воды и мягких тканей
человека f = 1 при измерении доз во внесистемных
единицах.
Для костной ткани
с увеличением энергии
фотонов
f уменьшается от 4,5 до 1.
Связь между
активностью
препарата – источника
гамма-фотонов
и мощностью
экспозиционной дозы:
NX = kγ A / r2,
где kγ – гаммапостоянная,
характерная для ядра
данного изотопа.

13. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА

ХАРАКТЕРИЗУЕТ
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ДАННОГО ВИДА
ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ.
H = D·K
Здесь
D – поглощенная доза
(количественный аспект –
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ЛЮБОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ТЕМ БОЛЬШЕ,
ЧЕМ БОЛЬШЕ ЕГО
ПОГЛОЩЕННАЯ ДОЗА).
К, или ОБЭ –
коэффициент качества,
или
относительная биологическая эффективность
(качественный аспект –
ПРИ ОДНОЙ И ТОЙ ЖЕ
ПОГЛОЩЕННОЙ ДОЗЕ
ВОЗДЕЙСТВИЕ
РАЗЛИЧНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
РАЗНОЕ).

14. КОЭФФИЦИЕНТ КАЧЕСТВА (ОБЭ)

ПОКАЗЫВАЕТ,
ВО СКОЛЬКО РАЗ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
БИОЛОГИЧЕСКОГО
ДЕЙСТВИЯ
ДАННОГО ВИДА
ИЗЛУЧЕНИЯ
БОЛЬШЕ
ФОТОНОВСКОГО
ПРИ ОДИНАКОВОЙ ДОЗЕ
ИЗЛУЧЕНИЯ В ТКАНЯХ.
Величина К зависит от
ВИДА ИЗЛУЧЕНИЯ и
ЕГО ЭНЕРГИИ .
• для ФОТОНОВСКИХ, а
также БЕТА-излучений
K = 1.
• для АЛЬФА-излучения
К ≈ 20.

15.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ:
• СИ - зиверт (Зв)
• Внесистемная единица -
бэр
(биологический
эквивалент рентгена)
1 бэр = 10 - 2 Зв
• Радиоактивный фон
соответствует
эквивалентной дозе
125 мбэр.
• Минимальная
летальная доза гаммаизлучения (при
облучении всего
организма) около 600 бэр.

16. 4. ПРИМЕНЕНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ В МЕДИЦИНЕ

Классификация
методов по назначению
и по действующему
фактору.
По назначению ДВЕ ГРУППЫ МЕТОДОВ:
• МЕТОДЫ
ДИАГНОСТИКИ
• МЕТОДЫ ЛЕЧЕНИЯ
По действующему
фактору действие
рентгеновского
излучения
и
радиоактивных
излучений

17. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ: рентгенодиагностика

РЕНТГЕНОДИАГНОСТИКА ПРОСВЕЧИВАНИЕ
ВНУТРЕННИХ ОРГАНОВ
рентгеновскими лучами.
ОСНОВА - РАЗЛИЧНОЕ
ПОГЛОЩЕНИЕ
РАЗНЫМИ ТКАНЯМИ.
Взаимодействие в
основном через
ФОТОЭФФЕКТ,
= Ф.
Интенсивность невелика
Разновидности:
РЕНТГЕНОСКОПИЯ
и
РЕНТГЕНОГРАФИЯ.
РЕНТГЕНОСКОПИЯ:
ИЗОБРАЖЕНИЕ НА ЭКРАНЕ,
ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩЕМ В
РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧАХ.
РЕНТГЕНОГРАФИЯ:
ИЗОБРАЖЕНИЕ НА
ФОТОПЛЕНКЕ.
ФЛЮОРОГРАФИЯ.

18. Флюорография

В этом методе
изображение с экрана
переснимается на
особо чувствительную
малоформатную
пленку.
Все необходимые
для съемки элементы
объединены в общую
светонепроницаемую
систему, что
позволяет производить
съемку в незатемненном
помещении.
Современные
диагностические аппараты
обеспечивают скорость
съемки до 6 кадров в
секунду.
Высокая пропускная
способность флюорографического кабинета,
относительно небольшая
лучевая нагрузка,
удобство хранения
флюорограмм
делают флюорографию
массовым методом
обследования.

19. Рентгеновская томография

Современный эффективный вариант р/д –
КОМПЬЮТЕРНАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ ТОМОГРАФИЯ,
т.е. послойная запись
(сканирование)
участков тела в рентг.
лучах
с последующей
обработкой
изображения на ЭВМ.
Позволяет видеть
очень маленькие
опухолевые
образования.
В 1979 г. ученым, разработавшим компьютерный рентгеновский
томограф,
была присуждена
Нобелевская премия.

20. Синхротронное излучение

Интересный вариант –
применение для
диагностики
СИНХРОТРОННОГО
излучения = смесь
мягкого рентгеновского
и УФ.
Позволяет производить
раннюю диагностику
злокачественных
опухолей.
Особенности механизма:
СЕЛЕКТИВНО
ПОГЛОЩАЕТСЯ
НЕКОТОРЫМИ
ЭЛЕМЕНТАМИ
(НАПРИМЕР, ИОДОМ),
СОДЕРЖАНИЕ КОТОРЫХ В
ПАТОЛОГИЧЕСКИ
ИЗМЕНЕННЫХ ТКАНЯХ
БЫВАЕТ ПОВЫШЕНО.

21. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ: радиодиагностика

СЦИНТИГРАФИЯ –
МЕТОДИКА ВВЕДЕНИЯ В
ОРГАНИЗМ
И ПОСЛЕДУЮЩЕГО
ИЗУЧЕНИЯ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
РАДИОАКТИВНЫХ
ИЗОТОПОВ.
Это разновидность
МЕТОДА
МЕЧЕНЫХ АТОМОВ.
Основан на существовании стабильного и
радиоактивных
изотопов элемента.
Радиоактивные изотопы имеют свойство
избирательно
накапливаться
в определенных органах
и тканях.

22. Сцинтиграфия

У ЧЕЛОВЕКА:
• ИОД - В ЩИТОВИДНОЙ
ЖЕЛЕЗЕ;
• УРАН, СТРОНЦИЙ,
РАДИЙ - В КОСТЯХ;
• КАЛИЙ - В НЕРВНОЙ И
МЫШЕЧНОЙ ТКАНЯХ.
ПРОДУКТЫ
РАДИОАКТИВНОГО
РАСПАДА ИХ ЯДЕР –
С ПОМОЩЬЮ
ДЕТЕКТОРОВ.
ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ И
СКОРОСТИ НАКОПЛЕНИЯ
РАДИОАКТИВНЫХ
ИЗОТОПОВ –
О СОСТОЯНИИ ТКАНЕЙ И
ОРГАНОВ.
КОЛИЧЕСТВО ВВОДИМЫХ
ИЗОТОПОВ МАЛО.

23. Ионная радиография

ИОННАЯ РАДИОГРАФИЯ
РЕГИСТРАЦИЯ ПОТОКА
РАЗОГНАННЫХ
В УСКОРИТЕЛЕ
АЛЬФА-ЧАСТИЦ И
ПРОТОНОВ
ДО И ПОСЛЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ОБЪЕКТА.
• МОЖНО РАЗЛИЧАТЬ
СТРУКТУРЫ РАЗНОЙ
ПЛОТНОСТИ.
• МЕТОД, РОДСТВЕННЫЙ
РЕНТГЕНОГРАФИИ, НО
ПОЗВОЛЯЕТ ЛУЧШЕ
РАЗЛИЧАТЬ СТРУКТУРУ
МЯГКИХ ТКАНЕЙ.

24. МЕТОДЫ ТЕРАПИИ

ИОНИЗАЦИЯ
И ОБРАЗОВАНИЕ
ВЫСОКОАКТИВНЫХ
ПРОДУКТОВ
РАЗРУШЕНИЕ
ТКАНЕЙ.
ОСНОВНОЕ
НАЗНАЧЕНИЕ УНИЧТОЖЕНИЕ
ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ
ОБРАЗОВАНИЙ.
• РЕНТГЕНО- И ГАММАТЕРАПИЯ :
т.к. фотоны успевают
проделать большой
путь до
взаимодействия с
частицами вещества,
ГЛУБОКО
РАСПОЛОЖЕННЫЕ
ОПУХОЛИ
РАЗРУШАЮТСЯ,
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ТКАНИ
ПОВРЕЖДАЮТСЯ МАЛО.

25.

• АЛЬФА-ТЕРАПИЯ:
ВВЕДЕНИЕ АЛЬФАЧАСТИЦ ВНУТРЬ
ОРГАНИЗМА.
Пример:
РАДОНОВАЯ ТЕРАПИЯ ЛЕЧЕНИЕ
МИНЕРАЛЬНЫМИ
ВОДАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ
РАДИОАКТИВНЫЙ
ИЗОТОП РАДОНА 222Rn86
И ЕГО ДОЧЕРНИЕ ПРОДУКТЫ.
ВОЗДЕЙСТВИЕ:
- НА КОЖУ - В ВИДЕ ВАНН,
- ОРГАНЫ ПИЩЕВАРЕНИЯ ПРИ ПИТЬЕ,
- ОРГАНЫ ДЫХАНИЯ ПУТЕМ ИНГАЛЯЦИЙ.
ВОЗМОЖНО ВВЕДЕНИЕ
ЛЕЧЕБНОГО ПРЕПАРАТА
НЕПОСРЕДСТВЕННО
ВНУТРЬ ОРГАНА
И ОБРАЗОВАНИЕ ТАМ
АЛЬФА-ЧАСТИЦ
ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ОРГАНА
НЕЙТРОНАМИ.
• ЭЛЕКТРОНЫ И
ПРОТОНЫ, разогнанные в ускорителях.

26. По действующему фактору

Рентгеновское излучение
Рентгенодиагностика
Р.-скопия
Р.-графия
Синхротронное
излучение
Рентгенотерапия

27.

РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
РАДИОДИАГНОСТИКА
РАДИАЦИОННАЯ
ТЕРАПИЯ
СЦИНТИГРАФИЯ
ГАММА
ИОННАЯ
РАДИОГРАФИЯ
АЛЬФА
ЭЛЕКТРОНЫ
и
ПРОТОНЫ