Teoria1

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1. Źródła promieniowania jonizującego.
Wyróżniamy dwa rodzaje źródeł promieniowania jonizującego są to źródła naturalne
oraz sztuczne promieniowania. Do naturalnych zaliczamy pierwiastki promieniotwórcze
znajdujące się w skorupie ziemskiej oraz źródła promieniowania znajdujące się poza ziemią
których promieniowanie jonizujące dociera do powierzchni ziemi (promieniowanie
kosmiczne). Do źródeł sztucznych zaliczamy wszystkie izotopy promieniotwórcze otrzymane
przez człowieka np. w reaktorach jądrowych.
2. Wpływ promieniowania jonizującego na organizmy żywe
Analizując wpływ promieniowania na organizmy żywe musimy rozpatrywać wpływ
promieniowania na komórki organizmu żywego oraz skutki napromieniowania całego ciała
organizmu wielokomórkowego.
2.1 Wpływ promieniowania na komórkę
Nie ma żywych komórek niewrażliwych na promieniowanie jonizujące, stosując
odpowiednio wysoka dawkę promieniowania można zniszczyć każdą żywą komórkę. Jednak
różne komórki tego samego organizmu cechuje różna wrażliwość na promieniowanie
jonizujące zwana promienioczułością Na początku XX wieku Bergonie i Tribondeau
sformułowali regułę pozwalającą na oszacowanie promienioczółości komórek. Brzmi ona :
"wrażliwość komórek na promieniowanie jest wprost proporcjonalna do ich aktywności
proliferacyjnej (zdolności do rozmnażania) i odwrotnie proporcjonalna do stopnia ich
zróżnicowania". Zgodni z tą zasadą najbardziej promienioczułe są komórki rozrodcze i
komórki szpiku kostnego a najmniej komórki skóry i kości.
Promieniowanie jonizujące w istotny sposób wpływa na materiał genetyczny komórki.
Powoduje ono uszkodzenia nici DNA odpowiedzialnego za dziedziczenie materiału
genetycznego przez komórki potomne. Komórki potomne dziedziczące uszkodzone DNA nie
są w stanie spełniać swoich zadań. Jeśli nie zostaną one w porę rozpoznane i usunięte przez
organizm może dojść do procesu powstania nowotworu.
Promieniowanie jonizujące może powodować mutację lub aberracje chromosomowe.
DNA posiada wygląd podwójnej spiralnie skręconej nici i zbudowana jest z elementów
zwanych nukleotydami. Nukleotydy łącza się ze sobą częściami zasadowymi ( łącząc obie
nici ) nie przypadkowo lecz w sposób komplementarny to znaczy że adenina łączy się zawsze
z tyrozyną a guanina z cytozyną.
Mutacja polega na niezgodnym z zasadą komplementarności łączeniu par zasad lub
wypadnięciu (delecji ) jednej z zasad.
Aberracje chromosomowe są to zmiany w chromosomach napromieniowanych
komórek. Promieniowanie jonizujące powoduje pęknięcia inaczej nazywane złamaniami
chromosomów.
Po napromieniowaniu organizm stara się naprawić powstałe szkody. Następują
procesy napraw uszkodzeń DNA wywołanych promieniowaniem. Jednak po przekroczeniu
pewnej dawki uszkodzenia następują szybciej niż organizm jest w stanie je naprawiać.
Zaczynają w szybkim tempie powstawać uszkodzone komórki potomne. Rozpoczyna się
choroba popromienna.
2.2 Radioliza wody.
Ze względu na szczególna rolę wody w układach biologicznych istotne znaczenie mają
zmiany radiochemiczne zachodzące w wodzie. Promieniowanie powoduje jonizacje
cząsteczki wody. Usunięcie jednego z elektronów wiążących powoduje rozpad cząsteczki
wody się na H
+
+ OH lub H + OH
+
a w przypadku usunięcia elektronu niewiążącego
powstaje jon H
2
O
+
. Jon ten z łatwością wychwytuje elektron ; następuje przejściowa
odbudowa cząsteczki wody. Jednakże cząsteczka ta znajduje się w stanie wzbudzonym i ulega
dalszemu rozpadowi na rodniki H
˙
i OH
˙
, jest to już drugi etap radiolizy wody.
Niezobojętnione jony H
2
O
+
rozpadają się na H
+
i OH
-
, a jony H
+
reagując z elektronami dają
atomy H. Drugi etap radiolizy wody (rodnikowy) to powstawanie opisanych wyżej rodników
H
˙
i OH
˙
oraz uwodnionych elektronów e
eq
-
są to elektrony otoczone cząsteczkami wody.
Mechanizm ich powstawania jest następujący: uwolnione elektrony podlegają termalizacji ,
ich energia zmniejsza się do poziomu właściwego ruchowi cieplnemu, a następnie hydratacji.
Końcowy etap radiolizy to powstanie cząsteczkowych produktów rozpadu wody w wyniku
kombinacji atomów H i rodników OH
˙
;
H + H
→
H
2
OH + OH
→
H
2
O
2
W kolejnym etapie w wyniku reakcji H
2
O
2
+ OH
˙ →
HO
2
˙
+ H
2
O
˙
powstaje ważny w
układach biologicznych rodnik HO
2
˙.
Produkty radiolizy wody są podstawowym czynnikiem odpowiadającym za radiacyjne
efekty biologiczne.
2.3 Skutki napromieniowania całego ciała organizmu wielokomórkowego.
Skutki napromieniowania całego organizmu zależą od wielkości dawki
promieniowania, natężenia dawki oraz wielkości obszaru ciała, który uległ
napromieniowaniu. W niewielkim stopniu zależą także od wieku napromieniowanego
organizmu oraz rodzaju promieniowania.
Z punktu widzenia biofizyki dwie własności wyróżniają promieniowanie jonizujące
spośród innych czynników fizycznych działających na organizm.
1. Bardzo mała ilość energii doprowadzona do organizmu za pomocą promieniowania
jonizującego powoduje bardzo intensywne działanie biologiczne. Dawka śmiertelna dla
człowieka w przypadku napromieniowania całego ciała wynosi ok. 600 rad, co odpowiada
zaledwie 6 dżulom lub 1,4 kalorii.
2. Każdy czynnik patogenny ( chemiczny , toksyczny , fizyczny itp. ) działa
biologicznie po przekroczeniu określonej wartości progowej. Po przekroczeniu tej wartości
działanie danego czynnika na organizm szybko wzrasta aż do osiągnięcia wartości
śmiertelnej. W przypadku promieniowania jonizującego nie ma dawki progowej, nawet
niewielkie dawki mogą powodować bardzo poważne konsekwencje ( np. uszkodzenia
genetyczne ). Dodatkowo następuje kumulacja otrzymanych przez organizm dawek a efekty
mogą się uwidocznić po wielu latach od napromieniowania ( choroby nowotworowe, szybsze
starzenie się organizmu ).
3. Napromieniowanie i skażenie organizmu żywego.
3.1 Napromieniowanie zewnętrzne.
Napromieniowaniem nazywamy pochłoniecie energii promieniowania przez organizm
w przypadku gdy źródło promieniowania znajduje się poza organizmem.
3.2 Skażenie promieniotwórcze.
Skażenie promieniotwórcze następuje w momencie gdy substancja promieniotwórcza
dostanie się do wnętrza organizmu, następuje skażenie wewnętrzne które prowadzi do
napromieniowania wewnętrznego. Substancja promieniotwórcza może wniknąć do
organizmu przez układ pokarmowy, układ oddechowy lub skaleczenia. Najgroźniejsze sa
skażenia emiterani α i β wtedy praktycznie 100 % promieniowania zostaje pochłonięte przez
organizm.
Drugim rodzajem skażenia jest dostanie się substancji promieniotwórczej na
powierzchnie skóry. W zależności od miejsca, rozległości skażenia, aktywności i rodzaju
izotopu następuje zróżnicowane napromieniowanie wewnętrzne.
2. Metody detekcji promieniowania jonizującego.
2.1 Licznik Geigera-Mullera
Najpopularniejszym detektorem promieniowania jest licznik Geigera- Mullera przy
jego pomocy możemy określić natężeni promieniowania jak również wykryć i dokonać
pomiaru skażeń powierzchniowych. Jest to bardzo dobry licznik do pomiarów
promieniowania γ i X, w przypadku promieniowania β detekcja następuje tylko w przypadku
gdy energia tego promieniowania przekracza pewna wartość progową określoną dla
konkretnego modelu licznika. Dla starszych modeli jest to wartość około 500 keV, dla
najnowszych około 100 keV i zależy od grubości ściany detektora. Jeśli chodzi o
promieniowanie α starsze modele liczników są praktycznie bezużyteczne, najnowsze są w
stanie wykryć promieniowanie o energii większej niż 4 MeV. Należy pamiętać że w
przypadku pomiarów promieniowania α i β czułość pomiaru jest bardzo niska i otrzymujemy
jedynie wartości orientacyjne.
2.2 Licznik scyntylacyjny
.
Liczniki scyntylacyjne nadają się do pomiaru skażeń wysyłających wszystkie trzy
rodzaje promieniowania α , β i γ. Cechują się dość dużą czułością. Minusem są ich dość duże
wymiary.
2.3 Błony dozymetryczne.
Błony dozymetryczne służą do oszacowania dawki promieniowania jonizującego jaką
otrzymała osoba nosząca dawkomierz. Dawkomierz składa się z wymiennej błony
fotograficznej zamkniętej w kasecie zaopatrzonej w filtry osłabiające promieniowanie
jonizujące. Dawkę określa się na podstawie zaczernienia kliszy fotograficznej. Wadą tej
metody jest odczyt po okresie noszenia dawkomierza ( od 1 do 3 miesięcy ) i konieczność
wysłania błony do wywołania w specjalistycznym laboratorium.
2.4 Komory jonizacyjne.
Komora jonizacyjna jest to naładowany do określonego potencjału kondensator. Pod
wpływem promieniowania jonizującego następuje jego rozładowanie. Na podstawie spadku
potencjału jesteśmy w stanie określić dawkę promieniowania jonizującego. Jest to metoda
bardzo szybka i tania. Wadą jest dość duży błąd pomiaru.
3. Zastosowanie izotopów promieniotwórczych w diagnostyce i
radioterapii.
3.1 Diagnostyka
Izotopy promieniotwórcze znalazły szerokie zastosowanie w diagnostyce i terapii.
Zastosowanie w diagnostyce umożliwia fakt, że izotopy promieniotwórcze danego
pierwiastka nie różnią się od jego izotopów stałych pod względem chemicznym. Tworzą one
takie same rodzaje wiązań z innymi pierwiastkami.
Wprowadzenie do biocząsteczki atomu promieniotwórczego zamiast stabilnego
pozwala śledzić losy taj cząsteczki w organizmie w toku właściwych jej przemian
metabolicznych. Czułe metody detekcji pozwalają wykrywać promieniowanie emitowanie
przez pojedyncze atomy promieniotwórcze. Dzięki temu do śledzenia badanej przemiany
wystarcza znikoma ilość znakowanych czasteczek.
3.2 Radioterapia
Istnieją dwa sposoby aplikacji izotopów stosowanych w lecznictwie: podawanie
źródeł otwartych doustnie lub pozajelitowo tak aby włączyły się w cykl przemiany materii
oraz napromieniowanie kontaktowe lub telegammaterapia w przypadku stosowania źródeł
zamkniętych.
W przypadku źródeł otwartych wstrzykuje się roztwór izotopów bądź bezpośrednio do
chorej tkanki bądź do krwi.
Izotopy promieniotwórcze w postaci zamkniętych źródeł mogą być wykorzystane do
napromieniowania kontaktowego zmian chorobowych na skórze i błonach śluzowych.
Telegammaterapia onkologiczna to niszczenie zmian nowotworowych za pomocą
promieniowania jonizującego. Do telegammaterapii stosuje się izotopy Cs-137, Co-60,
i Eu-154 wybór źródła zależy od rodzaju i umiejscowienia ogniska nowotworowego.
4. Zasada działania tomografu komputerowego
.
Pochłanianie promieniowania rentgenowskiego, różne w zależności od rodzaju tkanek
i możliwość rejestracji natężenia przechodzącego przez badany obiekt promieniowania są
podstawą działania tomografu komputerowego.
1. Wytwarzanie promieniowania rentgenowskiego
.
Promieniowanie rentgenowskie o długości fali pomiędzy promieniowaniem γ a
nadfioletem, czyli 10
-12
- 10
-8
m powstaje w lampie rentgenowskiej. Lampa rentgenowska to
opróżniona z powietrza szklana bańka w której znajduje się katoda i anoda. Elektrony
emitowane są przez żarzący się drut wolframowy będący częścią katody. Pomiędzy katodą i
anodą panuje wysoka różnica potencjałów rzędu kilkunastu kV. Emitowane elektrony są
przyspieszane pomiędzy katodą i anodą i z dużą prędkością uderzają w anodę. Następuje
gwałtowne hamowanie elektronów w polu elektrycznym jąder atomów tarczy hamującej (
anody ) Energia utracona przez elektron podczas hamowania jest zamieniana w energię
fotonu promieniowania elektromagnetycznego, powstające w tym procesie promieniowanie
zwane jest promieniowaniem hamowania. Rozpędzone elektrony mogą oddziaływać z
elektronami z powłok atomów tarczy hamującej powodując ich wybicie. Wolne miejsce
najczęściej na powłoce K lub L zajmuje elektron z wyższej powłoki. Przeskokowi elektrony
towarzyszy wyemitowanie kwantu promieniowania elektromagnetycznego - promieniowanie
charakterystyczne.
2. Absorbcja promieniowania rentgenowskiego w tkankach
.
Promieniowanie rentgenowskie, przenikając przez tkanki, jest w nich absorbowane i
rozpraszane, przy czym ilość pochłoniętej energii zależy od rodzaju tkanki i od energii
fotonów. Każdy rodzaj tkanki ma określony współczynnik osłabienia, generalnie im gęstość
tkanki większa tym większe osłabienie promieniowania.
3. Zasady konstrukcji obrazów w rentgenowskiej tomografii komputerowej.
Z prawa osłabienia promieniowania elektromagnetycznego wynika, że współczynnik
osłabienia można wyznaczyć, mierząc natężenie I
o
wiązki promieniowania padającego na
absorbent o grubości d i natężenie promieniowania I po jej przejściu.
Osłabienie promieniowania przechodzącego przez obiekt zawierający obszary o
różnych współczynnikach osłabienia jest sumą osłabień w poszczególnych obszarach.
Wyobraźmy sobie ,że badany obiekt dzielimy na cztery elementy o jednakowej długości,
zwane pikselami i prześwietlamy dwukrotnie promieniami X pod kątem 90
0
. Otrzymujemy
układ czterech równań z czterema niewiadomymi. Rozwiązując ten układ otrzymujemy
wartość współczynnika osłabienia dla każdego piksela.
Zwiększając liczbę pikseli i ilość prześwietleń uzyskujemy zwiększenie rozdzielczości
uzyskanego obrazu. Obrazy uzyskiwane w tomografach zawierają 256 X 256 = 65536 piksali
lub 512 x 512 = 262144 piksele i wymagają ponad 500000 prześwietleń. Uzyskujemy
prześwietlenie jednej warstwy. Następnie pacjent zostaje przesunięty względem lampy i
następuje prześwietlenie kolejnej warstwy. Kolejne warstwy są składane komputerowo i
uzyskujemy trójwymiarowy obraz prześwietlanego narządu.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]