Радиационная биофизика. Часть 1 презентация

способные непосредственно или косвенно ионизировать атомы и молекулы поглотителя

Корпускулярные излучения α-, β-частицы, протоны, нейтроны

Электромагнитные излучения Рентгеновское,
γ-излучение

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.

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, развитие радиационной генетики.

Ф. Дессауэр
1881-1963гг

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.

малых дозах и отдаленных последствий облучения;
исследование комбинированного действия широкого спектра радионуклидов с химическими загрязнителями среды;
поиск принципиально новых средств защиты от хронического облучения.

степенью выраженности реакций биологического объекта вплоть до летального эффекта.


10Гр ~ 0,001°С

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.

[Бк]

(1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

(1.6)

K
Флюенс Ф
Плотность потока φ
Интенсивность I

Эквивалентная доза Н

Эффективная доза Е

Эквиваленты дозы

Рисунок 1.1. Классификация дозиметрических величин

X=dQ/dm

Физические величины

Поглощенная доза

Мощность поглощенной дозы

(1.7)

(1.8)

Доза в органе или ткани

(1.9)

1Р = 2,58·10-4Кл/кг

1Р = 8,8·10-3Гр

1рад = 100эрг/г = 10-7 Гр

единицу пути первичной заряженной частицы в пределах объема ее трека

НРБ-2009.

WR

соответствии с НРБ-2009.

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.

≠

Equivalent dose

Dose equivalent

дозы Н'(d, Ω)

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.

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.

эффектов.

Стохастические Детерминированные

исследовании с дозой, при которой может быть выявлен эффект при доверительной вероятности 90%.

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

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.

фантомы для измерения и вычисления распределений доз излучения

и внутренние особенности человеческого тела. В отличие от воксель-фантомов они формируют тело не из отдельных кубических областей, а из связанных между собой поверхностей.

и объем полученных поверхностей зависят от расположения контрольных точек. Эта особенность полезна для построения 4D-модели, учитывающей временное распределение.

Еще один многообещающий вид фантомов – основанные на полигональной сетке, состоящей из вершин, ребер и поверхностей, формирующей многогранную поверхность в трехмерном пространстве.

два основных метода: метод численного решения уравнения переноса Больцмана и моделирование Монте-Карло для определения взаимодействий частиц.

Рисунок 2.13. Различные геометрические условия облучения фантома тела человека

антропоморфный фантом

Рисунок 2.14. Расчет поля излучения, падающего на цилиндрическую поверхность, окружающую антропоморфный фантом

обусловленных излучением цилиндрического поверхностного источника, окружающего фантом

Рисунок 2.15. Расчет эквивалентных доз на внутренние органы, обусловленных излучением цилиндрического поверхностного источника, окружающего фантом

Пути поступления радионуклидов в организм
 

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 степени проникновения: респирабельные (<5-10мкм) и нереспирабельные (>15-20мкм)

По однородности размеров: монодисперсные
и полидисперсные

площадь поверхности 20 см2, средняя толщина плоскоклеточного эпителия 50 мкм, средняя глубина залегания ядер базальных клеток-мишеней 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 клеток-мишеней 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.

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.

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.

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.

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.

указывает на кажущееся глубокое несоответствие между количеством энергии, теряемой в тканях ионизирующим излучением, и теми биологическими последствиями, к которым приводит облучение.

биологической эффективности (ОБЭ) определяется из соотношения, начальная часть которого показывает, как осуществляется переход от «абсолютной» биологической эффективности

 

(3.1)

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.

3.2. Схема основных процессов поглощения энергии фотонов рентгеновского
и γ-излучения

и γ-излучений

1 – фотоэффект, 2 – комптоновский эффект,
3 – образование пар.

вещества фотонами мягкого (а) и жесткого (б) рентгеновского и γ-излучений

разной энергией квантов.

заряженных частиц с атомом

частицы через вещество

(центральных регуляторов иммунного ответа) почки человека при действии ионизирующих частиц различных типов

актов ионизации и возбуждения вдоль трека частицы в указанном масштабе

Длина пробега, потеря энергии и число
первичных ионов при прохождении α-частиц в ткани
плотностью 1 г/см3

и практическая длина пробега электронов в веществе.

— трек быстрого электрона (Е ≈ 200 кэВ), 2 — трек медленного электрона (Е ≈ 20 кэВ). При низкой энергии изгибание трека вызвано рассеянием.

электронами в ткани плотностью 1 г/см3

распределения энергии излучения

 

 

 

Микродозиметрия - исследование микроскопического распределения поглощённой энергии при воздействии ионизирующего излучения на объект.

 

значения изменяются скачкообразно в пространстве и времени;
они принципиально непредсказуемы и до их измерения можно указать лишь вероятность обнаружения заданного значения величины.

 

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.