Медична радіологія

Глава І

1. Історія розвитку радіології. Радіоактивність і доза. Дозиметрія іонізуючого випромінювання: одиниці й методи визначення радіоактивності та дози опромінення. Будова радіометрів і дозиметрів. НРБУ-97.

Радіологія (radius - промінь, logos – наука) - розділ медицини, який розробляє теорію і практику використання іонізуючого випромінювання з діагностичною (променева діагностика) та лікувальною метою (променева терапія).

Історія розвитку медичної радіології.

Медична радіологія бере свій початок з часу відкриття В.К.Рентгеном 8 листопада 1895 р. нового роду променів, які він назвав Х-променями.. Проте видатний український фізик Іван Пулюй (Відень) дещо раніше досліджував властивості Х-променів  Другою визначною подією було відкриття в 1896 р. французьким вченим  Анрі Беккерелем явища природної радіоактивності.

Радіоактивність - це  властивість ядер атомів деяких хімічних елементів до мимовільного поділу з виникненням іонізуючих випромінювань, наприклад:

Речовини, яким властивий  мимовільний поділ ядер атомів та супроводжується виникненням іонізуючого  випромінювання, називають радіоактивними.

Радіоактивність, зумовлена  природними радіоактивними речовинами називається природною, а радіоактивність зумовлена штучними радіоактивними речовинами називається штучною.

Ядра атомів тяжких елементів  нестійкі і, починаючи з 84 елемента перетворюються в інші нукліди.

Види радіоактивних  перетворень.

1. Альфа-розпад - викид з ядра природних радіоактивних  елементів альфа-частинок ( ) - ядра атому гелію:

2. Електронний бета-розпад - викид  з природних або штучних радіоактивних  елементів електрона:

3. Позитронний бета-розпад - викид  з ядра деяких штучних радіонуклідів  позитрона:

4. К-захват (захват  орбітального електрона ядром) - ядерний протон захоплює електрон  з найближчого до ядра К-шару  і перетворюється в нейтрон.  Порядковий номер елемента зменшується  на одиницю. На звільнене в  К-шарі місце переходить електрон  з іншого шару, що супроводжується  виникненням кванта характеристичного  випромінювання:

5. Мимовільне  ділення ядер 

6. Термоядерні реакції (синтез  ядер) виникають при температурах, що досягають декількох мільйонів  градусів.

Закон постійності радіоактивного розпаду: в рівні проміжки часу відбувається ядерне перетворення рівних частин активних атомів радіоактивної речовини:

Активність  радіоактивної речовини - число ядерних перетворень за одиницю часу. Одиниця активності - беккерель (Бк) - одне перетворення в секунду; МБК=10⁶ Бк, ГБК=10⁹ Бк, ТБК=10¹² Бк).

Позасистемна  одиниця активності - кюрі (Кі). 1 Кі = 3,7·10¹⁰Бк, похідні Кі: мілікюрі (мКі) = 3,7·10⁷Бк; мікрокюрі (мкКі) = 3,7·10⁴Бк;

Іонізуюче випромінювання — це випромінювання, яке при взаємодії з речовиною призводить до збудження атомів і молекул речовини та виникнення протилежно заряджених іонів.

Види іонізуючих випромінювань:

• корпускулярні: альфа-випромінювання (потік ядер атомів гелію), бета-випромінювання (потік електронів або позитронів), протонне випромінювання (потік протонів), нейтронне випромінювання (потік нейтронів),
• квантові або фотонні: гамма-випромінювання (електромагнітне випромінювання виникає під час перетворення радіоактивних ядер або під час взаємодії швидких заряджених частинок із речовиною), рентгенівське (гальмівне випромінювання) і космічне випромінювання.

Властивості випромінювань:

1) проникаюча — властивість проникати крізь різні матеріали (проникаюча властивість обернено пропорційна щільності середовища);

2) іонізуюча — властивість розкладати молекули на позитивно і негативно зарядженні іони, наприклад: H₂O= H⁺ + OH^-;

3) фотохімічна — властивість викликати фотоліз AgBr = Ag⁺ + Br ^-  (засвічування фотографічних матеріалів);

4) сцинтиляційна, люмінесцентна — властивість викликати сцинтиляції, свічення деяких хімічних речовин;

5) біологічна — властивість спричиняти функціональні, анатомічні та метаболічні зміни на молекулярному, клітинному, органному рівнях та на рівні цілісного організму;

6) кумулятивна — властивість акумулювати в організмі негативні ефекти опромінень, що в подальшому може викликати небажані віддалені наслідки (злоякісні пухлини, природжені вади розвитку, генні мутації, скорочення тривалості життя);

7) радіоактивні випромінювання не сприймаються органами чуття - вони невидимі, не мають запаху і смаку, тому в момент опромінення організм не відчуває дії радіації.

8) теплова - ядерні перетворення супроводжуються виділенням теплової енергії.

Взаємодія іонізуючих випромінювань  з речовиною

В залежності від величини лінійної передачі енергії (ЛПЕ) всі іонізуючі випромінювання ділять на рідко - і щільноіонізуючі. До рідкоіонізуючих випромінювань відносять всі види випромінювань з ЛПЕ меншою 10 кеВ/мкм — β- та квантові випромінювання, а до щільноіонізуючих — з ЛПЕ вищою 10 кеВ/мкм — нейтрони, протони, ядра важких хімічних елементів.

Взаємодія квантового випромінювання з речовиною.

При взаємодії квантового випромінювання з речовиною виникають наступні ефекти:

1. Фотоелектричний ефект (фотоефект) настає внаслідок передачі всієї енергії кванта орбітальному електрону, який вибивається з орбіталі атома речовини і називається фотоелектроном. Фотоефект виникає при енергії кванта 0,1 - 0,3 МеВ.

2. Комптон-ефект (комптонівське розсіювання) полягає в передачі частини енергії γ-кванта електрону середовища і зміні свого попереднього напрямку, а електрон рухається в напрямку, зміненому впливом енергії γ-кванта. Такий електрон називається електроном віддачі і може іонізувати середовище. Комптон-ефект виникає при енергії γ-квантів близькій до 1 МеВ.

3. Утворення електронно-позитронних пар виникає внаслідок зіткнення фотона (з енергією більшою 1 МеВ) з полем ядра речовини, при цьому утворюється пара електрон-позитрон, яка викликає іонізацію середовища.

Крива Брегга. При проникненні заряджених частинок углиб речовини наростає кількість взаємодій випромінювання з атомами і молекулами. При цьому швидкість частинок зменшується, відповідно підвищується ймовірність нових взаємодій, і частота іонізацій збільшується

Взаємодія нейтронів з речовиною.

Особливості взаємодії нейтронів з речовиною  залежать від їх енергії. За енергією розрізняють:

1. Повільні нейтрони: а) ультрахолодні — 10 ^-7 еВ; б) холодні — до 5 •10 ^-3 еВ;

в) теплові — до 0,5 еВ; г) надтеплові — до 10 еВ.

2. Резонансні нейтрони — 0,5 кеВ.

3. Проміжні нейтрони — 0,2 МеВ.

4. Швидкі нейтрони — до 20 МеВ.

5. Дуже швидкі нейтрони - до 300 МеВ.

6. Надшвидкі (релятивістські) нейтрони — понад 300 МеВ.

 

ДОЗИМЕТРІЯ  ІОНИЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ.

Дозиметрія — це визначення кількості і якості іонізуючих випромінювань.

Задачі  клінічної дозиметрії: 1) виявлення джерела випромінювань, визначення виду, активності і енергії випромінювання;

2) визначення  ступеня впливу випромінювання на опромінюваний об'єкт.

Дозою іонізуючих випромінювань називається енергія, передана випромінюванням елементарному об’єму або масі опромінюваної речовини.

Експозиційна  доза (фотонного рентгенівського і гама-випромінювань)/ДО/- це кількісна характеристика випромінювань, основана на їх здатності іонізувати повітря

Потужність  експозиційної дози фотонного випромінювання (Ро) - експозиційна доза в одиницю часу — 1 Кл/кг·с =1 А/кг. Позасистемна одиниця — Р/год, мР/сек. та ін.

Поглинута доза випромінювання (Д) — енергія випромінювання, поглинута одиницею маси опромінюваного середовища. В системі СІ одиницею поглинутої дози є Грей¹ (Гр), що дорівнює 1 Дж/кг. Позасистемна одиниця поглинутої дози — рад (від „радіаційна адсорбована доза”). Її величина дорівнює 100 ерг енергії на 1 г речовини. 1 Гр = 100 рад, 1 рад = 0,01 Гр.

Потужність  поглинутої дози іонізуючого випромінювання (Р) - поглинута доза в одиницю часу Грей/с, рад/с.

Інтегральна поглинута доза - середня енергія іонізуючого випромінювання, поглинута певною масою тканин патологічного осередку, опроміненого органу, частини або всього тіла - Грей·кг (кг·рад).

Еквівалентна  доза опромінення (Н) — Зіверт² (Зв) — це така поглинута доза будь-якого виду іонізуючого випромінювання, яка викликає такий же біологічний ефект, як 1 Гр поглинутої дози рентгенівського або гамма-випромінювань (Дж/кг); 0.01 Зв = 1 бер (біологічний еквівалент рентгена).

Індивідуальна доза опромінення – це сума еквівалентних доз опромінення, яку людина отримує за певний період її життя.

Доза  еквівалентна (Н_Т) в органі чи в тканині Т — величина, яка визначається як добуток поглинутої дози Д_Т в окремому органі або тканині Т на радіаційний зважувальний фактор W_R.:  Н_T = Д_Т ∙ W_R

Радіаційний зважувальний фактор — коефіцієнт, який враховує біологічну ефективність різних видів іонізуючих випромінювань у зв’язку з різною величиною лінійної передачі енергії (ЛПЕ). ЛПЕ (L) — це відношення повної енергії dЕ, що передана речовині зарядженою частинкою внаслідок зіткнень на шляху dL, до довжини цього шляху: L=dE/dL.

Значення  радіаційних зважувальних факторів (W_R) (див. табл. 1.1.).

Таблиця 1.1. Значення радіаційних зважувальних факторів (W_R)

Види випромінювань	WR
Фотони — рентгенівські та гама-промені, всі енергії	1
Бета-промені, мюони, всі енергії	1
Протони (<10 МеВ)	10
Нейтрони (2 – 10 МеВ)	10
Альфа-промені, важкі ядра віддачі	20

Розподіл  доз в окремих органах і  тканинах залежить від величин еквівалентних доз та значення тканинних зважувальних факторів для окремих тканин чи органів.

Тканинний зважувальний фактор (W_t) — коефіцієнт, який відображає відносний стохастичний (імовірний) ризик опромінення окремої тканини чи органа до загального ризику при нерівномірному опроміненні тіла (див. табл. 1.2.)

Таблиця 1.2. Значення тканинних зважувальних факторів

№	Тканина або орган	Wt	№	Тканина або орган	Wt
1	Гонади	0,20	8	Печінка	0,05
2	Кістковий мозок (червоний)	0,12	9	Стравохід	0,05
3	Товста кишка	0,12	10	Щитовидна залоза	0,05
4	Легені	0,12	11	Шкіра	0,01
5	Шлунок	0,12	12	Поверхня кістки	0,01
6	Сечовий міхур	0,05	13	Інші органи	0,05
7	Молочна залоза	0,05

Ефективна доза опромінення (Е) — сума добутків еквівалентних доз (Н_Т) в окремих органах і тканинах на відповідні тканинні зважувальні фактори (W_t). Одиниця вимірювання зіверт (Зв).

Ефективна доза дозволяє визначити імовірний сумарний ризик від опромінення різних ділянок тіла в різних поглинутих дозах. Значення ефективних доз підсумовується для кожної людини на протязі життя  і ця сумарна величина приймається  показником накопиченого ризику опромінення.

Колективна  ефективна доза (S) — сума індивідуальних ефективних доз опромінення певної групи населення за певний проміжок часу або сума добутків середньогрупових ефективних доз на число осіб у відповідних групах, що утворюють колектив, для якого вона розраховується. Одиниця вимірювання — людино-зіверт (люд.-Зв).

Популяційна доза – сумарна ефективна доза опромінення населення країни від усіх джерел опромінення (одиниця вимірювання – Зіверт, Зв)

Потужність  ефективної дози опромінення — ефективна доза в одиницю часу - 1 Зв/с; 0.01 Зв/с=1 бер/с.