Эффекты ионизирующего излучения

Для целей радиационной защиты и безопасности рассматривают так называемые "тяжелые" эффекты излучения (severe health effects), развитие которых может привести к преждевременной смерти или существенному сокращению периода нормальной жизни. Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызвать два вида эффектов, которые клинической медициной относятся к болезням:

Детерминированные пороговые эффекты излучения, для

которых связь между дозой облучения и развитием эффекта более или менее однозначна, то есть, детерминирована (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.);

Стохастические беспороговые эффекты излучения, для которых

такая связь носит вероятностный – стохастический характер (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

Эффекты ионизирующего излучения

Эффекты излучения детерминированные

тяжесть эффекта зависит от дозы.

– клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – Для целей радиационной безопасности при облучении в течение года индивидуальный риск сокращения длительности периода полноценной жизни в результате возникновения тяжелых последствий от

детерминированных эффектов

консервативно принимается равным: где [D>Д] – вероятность для i-ro индивидуума быть облученным с дозой больше Д при обращении с источником в течение года; Д – пороговая доза для детерминированного эффекта.

Эффекты ионизирующего излучения

Эффекты излучения стохастические

– вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, не имеющие дозового порога возникновения, вероятность возникновения которых пропорциональна дозе и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы.

Индивидуальный

и

коллективный

стохастических эффектов

пожизненный риск возникновения определяются соответственно: где Е - индивидуальная эффективная доза; (E)dE вероятность для i-го индивидуума получить годовую эффективную дозу от Е до Е+dE; коэффициент пожизненного риска сокращения длительности периода полноценной жизни в среднем на 15 лет на один стохастический эффект (от смертельного рака, серьезных наследственных эффектов и несмертельного рака, приведенного по вреду к последствиям от смертельного рака).

Эффекты ионизирующего излучения

коэффициент пожизненного риска сокращения длительности периода полноценной жизни принят согласно НРБ-99 равным

для производственного облучения:

r E = 5,6 х 10 -2 r E = 1,1 х 10 -1 1/чел.-Зв 1/чел.-Зв при Е < 200 мЗв/год; при Е ≥ 200 мЗв/год

для облучения населения:

r E = 7,3 х 10 -2 r E = 1,5 х 10 -1 1/чел.-Зв 1/чел.-Зв Предел нормальной эксплуатации для техногенного облучения в течение года для индивидуального

персонала

пожизненного принимается округленно 1 х 10 а для

населения

риска – 5 х 10 -3 -5 , .

в условиях Уровень

пренебрежимого риска

разделяет область оптимизации риска и область безусловно приемлемого риска и составляет 10 -6 .

Эффекты ионизирующего излучения

К категории

стохастических эффектов

заболевания (генетические эффекты).

относят

раковые

и

наследуемые

Облучение вызывает

повышение вероятности

заболеваний. возникновения таких При этом радиогенные заболевания чрезвычайно затрудняет определение связи между развившимся заболеванием и облучением.

неотличимы

от спонтанных, что За более чем столетний период наблюдения

не было доказано

радиогенных наследуемых заболеваний у человека.

возникновение До сих пор

не удается обнаружить

облучения.

радиогенные раки при низких дозах Современные методы позволяют установить проявление радиогенных раков лишь для доз равномерного облучения всего тела

более 200 мЗв в год

.

1.

2.

Эффекты ионизирующего излучения

В зависимости от того, может ли быть установлена причинная связь между облучением и их возникновением в облученной популяции или нет, выделяют две подкатегории

радиогенных раков

: категорию регистрируемых радиогенных раков; категорию не обнаруживаемых стохастических эффектов излучения.

Область I

основная причина преждевременной смерти детерминированные эффекты.

Область II

тяжелое заболевание или преждевременная смерть могут быть обусловлены развитием стохастических эффектов облучения.

Область III

эффектов. область не обнаруживаемых стохастических

Линейная беспороговая концепция

К

60 м годам

были сформулированы некоторые

общие принципы действия радиации

на живые системы: 1. принцип отсутствия пороговой дозы; 2. принцип накопления дозы в течение жизни особи; 3. принцип удваивающей дозы.

Первый принцип

свидетельствует, что абсолютно безопасных для живых организмов доз излучения не существует и любое радиационное воздействие может вызвать генетические изменения у потомков облученного родителя.

Суть

второго принципа

состоит в том, что дозы, полученные организмом в течение жизни накапливаются, поэтому, чем больше ее продолжительность, тем более тяжелые последствия как для организма, так и его потомства следует ожидать.

Принцип удваивающей дозы

вводится в 1956 году Уоддингом и Картером. Так, для растений количество энергии, необходимое для удвоения количества мутаций по сравнению с естественным уровнем мутирования, лежит в диапазоне

8 390 рад

.

Академик

Н.П.Дубинин

вычислил размер удваивающей дозы для человека. По его расчетам, средняя доза радиации, накапливаемая за 30 лет, должна составлять

3 рад

. Весь объем естественного мутационного процесса у человека вызывается облучением

10 рад

, и именно эта цифра вошла во все руководства как

репер удваивающей дозы

.

Линейная беспороговая концепция

1977 году МКРЗ предложила принять в области малых доз

линейную зависимость

"доза-эффект", которая опирается на "Линейную беспороговую" (LNT от "Linear Non-Threshold") гипотезу развития стохастических эффектов излучения.

" Зависимость между дозой, полученной индивидуумом, и любым биологическим эффектом, вызванным облучением, весьма сложна и требует дальнейшего исследования. Для целей радиационной защиты необходимо сделать некоторые допущения. Одним из основных допущений является то, что для стохастических эффектов принята линейная беспороговая зависимость между дозой и вероятностью возникновения эффекта при обычных условиях облучения".

LNT гипотеза

развития радиогенных стохастических эффектов

что эти эффекты могут возникать при любых уровнях облучения с вероятностью, пропорциональной дозе.

постулирует,

Линейная беспороговая концепция

Многие специалисты критикуют линейную беспороговую концепцию, отмечая, что биологическое действие

малой дозы

и при

малой мощности дозы

может быть принципиально отличным от действия большой дозы.

• • К настоящему времени получены данные, что

при малых дозах

: не нарушается иммунитет, удлиняется латентный период заболевания раком, что может вывести его появление за пределы естественной продолжительности жизни.

Рак часто возникает на плацдарме детерминированных поражений соответствующей ткани, которые появляются при дозе,

превышающей некоторый порог

.

Международные коллективы генетиков и врачей обследовали 72216 детей, родители которых пережили атомную бомбардировку в Хиросиме и Нагасаки, и

не выявили

ни увеличения числа случаев врожденных дефектов , ни аномалий хромосом, ни увеличения количества раковых заболеваний по сравнению с нормой.

Радиационный гормезис

Известна особенность действия облучения с

малой мощностью дозы радиационный гормезис

.

-

Радиационный гормезис - повышение жизненной активности, улучшение состояния здоровья, увеличение плодовитости и продолжительности жизни, снижение числа раковых заболеваний.

Результаты новых исследований по радиационному гормезису подтверждают, что малая доза излучения может способствовать репарации повреждений ДНК, стимулируя образование соответствующих ферментов, и благодаря этому уменьшать число случаев рака, вызываемых ионизирующим излучением или другими вредными агентами. Действие гормезиса считают подобным стрессу.

Бернарду Коэну на большом статистическом материале (примерно 200 млн. чел.) удалось доказать, что гормезис существует у человека в диапазоне эффективной дозы меньше ~ 1 Зв за жизнь, а следовательно, есть и

порог канцерогенного риска

со стороны большой дозы.

Радиационный гормезис

Рис.

(слева) Средний показатель смертности для уцелевших после испытаний атомных бомб жителей Японии

А:

Средний показатель смертности от рака, вызванного любыми причинами, на тысячу населения;

В

: Средний показатель смертности от лейкемии на десять тысяч населения (уцелевших).

Рис. 3.

(справа) Показатель смертности от рака легкого для мужчин в зависимости от объемной активности радона (222Rn) в жилых домах США (Cohen, 1993).

Радиационный гормезис

Суммарная статистика по эффектам от хронического облучения всего тела человека низкими дозами ионизирующего излучения. Радиационный гормезис представлен областью выше горизонтальной линии. Многие физиологические функции показывают радиационный гормезис:

рост, нервно-мышечное развитие, острота слуха и зрения, способность к образованию и память, плодовитость, иммунные способности

, и средняя продолжительность жизни.

Радиационный гормезис

Термин «гормезис» введен С. Зонтманом и Д. Эрлихом в 1943 г. для обозначения стимуляции какой либо системы организма внешними воздействиями, имеющими силу, недостаточную для проявления вредных факторов. Гормезис как вариант ответа на определенные дозы воздействия основывается на широко известном биологическом законе Арндта – Шульца, согласно которому слабые раздражители возбуждают, средние – стимулируют, сильные – тормозят, максимальные – парализуют жизнедеятельность организма. Любой человек в повседневных условиях адаптирован к воздействию фонового диапазона доз того или иного фактора Дф, например температуры, влажности, естественной радиации и т.д. Его реакция на это действие соответствует фоновому состоянию Сф. Снижение интенсивности этого воздействия может стать причиной расстройства жизненных функций и даже смерти Со . Повышение дозы какого-либо внешнего фактора в определенных пределах стимулирует компенсаторно-приспособительные механизмы организма и адаптацию его функций к новым условиям. Если воздействие адекватно возможностям организма, то результатом его является более успешная борьба с недугами и хворями и оздоровление витальных функций, вплоть до увеличения продолжительности жизни. Усиление функции идет до определенного предела зоны воздействия Дмс, что обеспечивает состояние максимальной стимуляции Смс, затем наступает угнетение функциональной способности Ду, вплоть до смерти, Дл – летальная доза

Эффекты ионизирующего излучения

Ученые Национальной лаборатории Окриджа провели широкомасштабные исследования действия радиации на млекопитающих (около

7 миллионов особей

мышей) и

результаты этой грандиозной работы оказались ошеломляющими!

1. различия в индивидуальной чувствительности

воздействию достигали

20 кратных значений

.

разных особей к радиационному

2.

одномоментное облучение

вызывает

более значительный эффект

, чем та же доза, полученная

через определенные периоды

то есть на протяжении времени доза не накапливается и принцип кумулирования дозы на млекопитающих не распространяется.

3.

особи

мужского пола более чувствительны

к радиационным последствиям облучения, чем самки.

4.

чем больше промежуток времени между временем облучения и оплодотворением, тем меньшее количество мутаций вызывает радиация у потомства. Для млекопитающих и, в частности, человека,

достаточно шести месяцев

, чтобы свести до минимума генетические последствия, вызванные радиационным воздействием.

Удвоение

частоты самопроизвольных, спонтанных мутаций находится

в диапазоне 0,5-2,5 Зв

. Таким образом, данные, полученные на млекопитающих в течение почти 30-летнего эксперимента “

характеризуют радиацию как слабый мутаген в отношении млекопитающих

”.

Эффекты ионизирующего излучения

Радиация может вызвать

летальный эффект

если доза облучения превысит

3 5 Гр

.

Меньшие дозы

вызывают нарушения

соматических органов и тканей

. Наиболее чувствительными к облучению являются кроветворные ткани, например,

красный костный мозг

и другие элементы кроветворной системы

теряют способность к нормальному функционированию

уже при дозах облучения

0,5 1,0 Гр

.

Весьма чувствительны к облучению

хрусталик и семенники

, в то время как яичники у взрослых женщин гораздо менее чувствительны к действию радиации. В медицинской литературе накопилось немало примеров

двойственных эффектов воздействия радиации

на людей. В 30-40 годы около 14000 человек страдали от болезни, которая называется анкилозирующий спондилит, -дегенеративная деформация позвоночника, которая сопровождается очень сильными болями. Облучение высокими дозами радиации снимало болевой синдром и в течение многих лет пациенты не испытывали нужду в использовании других болеутоляющих препаратов. Наблюдение за этими пациентами показало, что 70 человек умерли от лейкоза, в то время, как в контрольной выборке на 14000 человек выявлено всего два подобных случая. У врачей и пациентов всегда стоит

проблема выбора меньшего из зол

случая попасть в 0,5% рискующих заболеть лейкозом. то ли страдать всю жизнь от невыносимой боли, то ли рискнуть, избрав облучение в надежде, что судьба убережет от

Дозовые пороги локальных детерминированных эффектов

1

Орган, ткань

Всё тело Красный костный мозг Кожа (о) 1.

2.

3.

4.

5.

Примечания: облучение острое (о), при беременности (б) и протяжённое (п).

порог снижается с возрастом.

наблюдали у грызунов.

доза за 8-15 недель беременности.

доза за 16-25 недель беременности.

Лёгкие (о) Хрусталики глаза (п) Семенники Яичники Эмбрион и плод (б)

Эффект

Рвота (о) Временное угнетение кроветворения (о) Лёгкий ожог Выпадение волос Облысение Лучевая болезнь, смерть Лучевой пульмонит Фиброз Смерть Помутнение Катаракта Временная олигоспермия (о) Стерильность (о) (п) Постоянная стерильность Необнаруживаемое прерывание беременности Пороки развития 3 и нарушения роста Недоразвитость интеллекта

Порог, Зв

0,5 0,5 3-6 3 7 20 5-15 6 10 0,5-2 2-10 0,15-0,5 2 10-20 2,5-6 2 0,1 3 0,1 0,2 4 0,8 5

Эффекты ионизирующего излучения

Если в будущем будет принята пороговая концепция зависимости частоты радиационно-индуцированного заболевания раком от дозы… к каким последствиям в области радиационной безопасности это приведет?

1. Пределы дозы и коэффициенты риска смерти от рака лишаться научно теоретического обоснования.

2. Лишится смысла коллективная доза как мера риска для контингента лиц:

большое число людей с малой индивидуальной дозой уменьшает, а не увеличивает коллективный риск.

3. Так же станет непригодной

эффективная доза

как мера общего риска для человека от облучения отдельных органов разной дозой.

4. Потребуется пересмотр взвешивающих коэффициентов излучения и ткани.

Связь между величинами

В общем виде связь между величинами, используемыми в

радиационной защите и безопасности

рисунке , представлена на

Рекомендации по использованию дозиметрических величин для оценки последствий радиационной аварии

При внешнем облучения всего тела фотонами с дозой:

< > 1 Гр – главной причиной преждевременной смерти являются

радиогенные раки

; 4 Гр –

детерминированные эффекты

Вклад риска развития стохастических эффектов в полную вероятность преждевременной смерти незначителен при дозах выше 4 Гр, так что для оценки последствий облучения в этой излучения;

ОБЭ-взвешенную дозу

.

1 – 4 Гр – преждевременная смерть может быть связана как с развитием

детерминированных, так и стохастических

эффектов излучения.

Рекомендованные области применимости дозиметрических величин

Вклад риска развития детерминированных эффектов в полную вероятность преждевременной смерти незначителен при дозах ниже 1 Гр, так что для оценки последствий облучения в области 0.1-1 Гр следует использовать эквивалентную дозу. Вклад риска развития стохастических и детерминированных эффектов в полную вероятность преждевременной смерти сопоставим при дозах 1-4 Гр, так что для оценки последствий облучения в этой области следует использовать и ОБЭ-взвешенную и эквивалентную дозу.

0 0,1 1 10 Поглощенная доза фотонов во всем теле, Гр

Вклад стохастических эффектов в полную смертность неопределим при дозах ниже 0,1 Гр, так что для оценки возможных последствий облучения в этой области следует использовать эффективную дозу.