Биологическое действие ионизирующего излучения

14. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Открытие рентгеновского излучения и естественной радиоактивности стало началом новой эпохи в физике и медицине. Сотни тысяч ученых многих стран повторяли опыты Рентгена, Беккереля, Марии и Пьера Кюри. Начался период бурного применения открытий в технике и медицине. В то же время еще ничего не было известно о вредном биологическом действии ионизирующего излучения. Неудивительно поэтому, что в 1897 г. было зарегистрировано 23 случая кожных поражений от рентгеновских лучей.

В 1898 г. Мария Кюри подарила Беккерелю драгоценную в то время пробирку с радием. Беккерель в течение 6 часов носил ее в жилетном кармане, и через некоторое время на его теле там, где находилась пробирка с радием, образовался ожог. Так проявилось удивительное свойство радия воздействовать на живую ткань. Пьера Кюри как ученого заинтересовал этот факт. Не обращая внимания на опасность, он привязал к своему предплечью ампулу с 10 мг радия и проносил ее 10 часов. О результатах эксперимента на себе он писал: "Кожа покраснела на поверхности в шесть квадратных сантиметров, она имеет вид ожога, но не болит, или болезненна чуть-чуть. Через некоторое время краснота, не распространяясь, начинает становиться интенсивнее, на двадцатый день образовались струпья, затем рана, которую лечили перевязками". Рана зажила только через два месяца.

Беккерель опубликовал результаты своего непредвиденного эксперимента вместе с наблюдениями Пьера Кюри, и этим сообщением ученые положили начало новой отрасли науки — радиационной биологии (радиобиологии). Радиобиология — наука, изучающая действие ионизирующих излучений на живые объекты. Начался этап исследования действия ионизирующих излучений радия на животных. Оказалось, что излучение радия может быть использовано для лечения некоторых кожных заболеваний и даже отдельных форм рака. В этих исследованиях активное участие принимали супруги Кюри. В России первые исследования по действию рентгеновского излучения на живые объекты проводили И. Р. Тарханов и врач А. Н. Кулябко. Они пришли к заключению, что рентгеновское излучение вызывает изменение биохимических процессов в живых клетках.

Однако число несчастных случаев в результате злоупотреблений рентгеновским излучением росло. В 1907 г. было зарегистрировано 7 случаев смерти, в 1908 г. — 31. В 1909 г. было установлено, что за лучевым ожогом часто следует развитие новообразований, превращающихся впоследствии в раковую опухоль. В результате длительной работы с радием и продуктами его распада 3 июля 1934 г. скончалась от лучевой болезни всемирно известный ученый, дважды лауреат Нобелевской премии и лауреат других почетных премий, член многих академий мира Мария Складовская-Кюри. В 1936 г. в Гамбурге был открыт памятник рентгенологам и радиологам, отдавшим свою жизнь в борьбе против болезней. На памятнике были высечены фамилии 169 человек.

Несмотря на то, что людей, соприкасающихся на работе с источниками ионизирующих излучений, с каждым годом становится все больше, число случаев заболевания лучевой болезнью снижено до минимума. На предприятиях атомной промышленности несчастных случаев и профессиональных заболеваний меньше, чем, например, среди работников химической промышленности.

Выработанные санитарно-гигиенические меры, нормы предельно допустимой дозы, нормы загрязненности радиоактивными веществами оборудования, воды, воздуха и т. д. обеспечивают безопасность как работающих, так и населения в целом. По всей стране систематически проводятся наблюдения за радиоактивностью воздуха, воды, почвы, пищевых продуктов и организма человека. Поэтому заболевание лучевой болезнью относится к числу чрезвычайных и крайне редких событий, обусловленных только грубейшими нарушениями элементарных правил и норм.

В настоящее время биологическое действие ионизирующего излучения сравнительно хорошо изучено, правда, некоторые аспекты механизма взаимодействия излучения с биологической тканью остаются пока проблемными и спорными.

13.1. Факторы, влияющие на биологическое действие ионизирующего излучения

Рекомендуемые материалы

Действие ионизирующих излучений на организм не ощутимо человеком. Поэтому человек может проглотить, вдохнуть радиоактивное вещество, подвергнуться внешнему воздействию ионизирующим излучением без всяких первичных ощущений. Природа не наделила человека непосредственной сиюминутной реакцией на ионизирующее излучение, как, например, на тепло, холод, горькое и т. п.

Действие ионизирующего излучения на организм можно разделить на соматическое и генетическое.

Под соматическим действием ионизирующего излучения понимают непосредственное действие излучения на организм человека, подвергшегося облучению ("сома" означает тело). Соматическое действие излучения проявляется в виде лучевой болезни, в повреждении отдельных органов или тканей.

Но если последствие воздействия ионизирующего излучения незаметно у человека, подвергшегося облучению, а проявляется у его потомков, то такое действие называется генетическим. Генетическое действие излучения оценивается только на статистической основе, и его трудно связать с облучением отдельного человека.

Генетические эффекты проявляются в генетическом аппарате половых клеток и поэтому могут влиять на жизнь и здоровье последующих поколений. Кроме того, генетическое действие ионизирующего излучения проявляется и на соматических клетках, но оно не передается в поколениях, а наследуется в клеточных популяциях данного облучаемого индивидуума.

Соматическое действие ионизирующего излучения зависит от многих факторов. Определяющими являются: доза и вид ионизирующего излучения, продолжительность облучения, размеры облучаемой поверхности, индивидуальная чувствительность организма. Рассмотрим каждый фактор в отдельности.

Биологическое действие ионизирующего излучения примерно пропорционально поглощенной энергии, т. е. при однократном облучении всего тела человека возможны следующие биологические нарушения:

0…25 рад — заметных клинических изменений в большинстве случаев не наблюдается;

25…50 рад — временные изменения в крови, которые быстро нормализуются, возможны остаточные последствия;

50…100 рад – умеренные изменения в крови без серьезной потери трудоспособности, у отдельных облученных появляется рвота, исход благополучный;

100…200 рад – легкая форма острой лучевой болезни, заметные изменения в крови, умеренная тошнота, усталость. Исход через несколько недель лечения благополучный;

200...400 рад – лучевая болезнь средней тяжести. Кроветворная ткань поражена, возможна в тяжелой форме лейкопения (уменьшение числа лейкоцитов в крови), рвота, потеря аппетита, общая слабость, подкожные Кровоизлияния, потеря работоспособности, возможен смертельный исход. Срок выздоровления в случае благоприятного исхода – около 12 месяцев. Минимальную дозу, при которой наблюдается гибель организма, называют минимальной летальной дозой;

400…600 рад – тяжелая форма лучевой болезни. В течение месяца после облучения смертельный исход возможен у 50 % облученных. Доза, при которой гибнет 50 % организмов, называется средней летальной дозой. Она обозначается ЛД_50/30, т. е. летальная доза, при которой за 30 суток погибает 50 % живых организмов. При средней летальной дозе у облученных наблюдается тошнота, слабость, рвота, головокружение, быстрое истощение, кровоизлияния, повышение температуры. Срок выздоровления при благоприятном исходе продолжительный;

свыше 600 рад – крайне тяжелая форма острой лучевой болезни. Через 2…4 часа после облучения появляется рвота. В крови почти полностью исчезают лейкоциты, появляются множественные подкожные кровотечения, кровавый понос, сильное головокружение. Смертность около 100 %. Причиной смерти чаще всего являются инфекционные заболевания и кровоизлияния. Доза, которая вызывает 100 %-ную гибель живых организмов, называется абсолютно летальной дозой. Обозначается ЛД_100/30. При дозе, в 10 раз большей, чем ЛД_100/30 смерть наступает во время облучения.

В отечественной медицинской практике имелись случаи, когда при умелом и своевременном проведении курса лечения облученные дозой около 1000 рад выживали и трудоспособность их восстанавливалась.

Вид ионизирующего излучения при биологическом воздействии имеет весьма важное значение, так как линейная плотность ионизации для различных видов излучения различна. Линейная плотность ионизации является, как известно, определяющим фактором при сравнении биологической эффективности различных видов ионизирующего излучения.

По степени радиационной опасности на первом месте стоит a-излучение и тяжелые ядра отдачи. Однако в реальных условиях внешним облучением организма a‑частицами можно пренебречь, так как они задерживаются кожным покровом человека и не достигают чувствительных к излучению клеток; a-излучение опасно при попадании радионуклидов внутрь организма.

На втором месте по степени опасности находятся быстрые нейтроны и протоны отдачи. Быстрые нейтроны испытывают упругие соударения с легкими ядрами ткани, прежде всего с атомами водорода, образуя протоны отдачи, которые на своем пути дают большую плотность ионизации. Тепловые нейтроны захватываются ядрами водорода и азота, находящимися в ткани, в результате протекают реакции типа ¹Н (n, g)² D и ¹⁴N (n, р) ¹⁴С.

b- и g-излучения обладают одним и тем же биологическим действием. Несколько большая плотность ионизации при b-излучении компенсируется меньшим объемом облучаемой ткани, так как проникающая способность b-частиц в ткани обычно не превышает 1 см, тогда как фотоны частично поглощаются человеческим организмом. Потоки b-частиц в основном опасны при контактном и внутреннем облучении организма высокоактивными радионуклидами.

Реакция организма на облучение в значительной степени зависит от продолжительности облучения. Поражающее действие ионизирующего излучения возрастает с увеличением дозы и несколько уменьшается, если суммарная доза фракционирована, т. е. облучение производится многократно долями суммарной дозы. Это объясняется тем, что параллельно с развитием лучевого поражения идут процессы восстановления, мешающие развиваться лучевому поражению. Например, известно, что смертельная доза общего излучения для собаки составляет 600 рад. Если же облучать собаку ежедневно дозой в 10 рад, то смертельная доза при таких дробных облучениях может превысить летальную дозу однократного облучения в несколько раз. При большем дроблении может вообще не наблюдаться смертельного исхода, хотя и будет иметь место хроническая лучевая болезнь или развитие злокачественных опухолей. Таким образом, поражающее действие облучения тем меньше, чем более дробно во времени оно происходит.

Размеры облучаемой поверхности играют определяющую роль при рассмотрении опасности биологического воздействия ионизирующего излучения. При общем облучении дозой, в 100…1000 раз превышающей абсолютно летальную дозу, человек гибнет во время облучения. Но если облучать большой дозой малые участки (как это имеет место в облучении злокачественных опухолей), то смертельные исходы не отмечаются. Значения смертельной дозы для отдельных частей тела различны. Например, для головы – 2000 рад, а для грудной клетки 10 000 рад.

Чувствительность организма в целом и отдельных органов человека к воздействию ионизирующего излучения различна (табл. 13.1.1).

Радиочувствительность характеризуется минимальной летальной дозой. Из табл. 13.1.1 видно, что наименее чувствительны к действию ионизирующего излучения бактерии и простейшие биологические виды, наиболее чувствительны – млекопитающие. Различной радиочувствительностью и радиоустойчивостью обладают не только организмы разных биологических видов, но и организмы одного вида. Людям также свойственна индивидуальная радиочувствительность. Большую роль в радиоустойчивости играет общее состояние организма, его возраст. Детские организмы более радиочувствительны к воздействию ионизирующего излучения. Наиболее радиочувствительны организмы в эмбриональном периоде.Доза, абсолютно безвредная для матери, может вызвать серьезные нарушения в развитии плода. Поэтому в санитарных правилах указано, что женщины должны освобождаться от работы с применением радиоактивных веществ и других источников ионизирующего излучения на весь период беременности, а от работы с радиоактивными веществами в открытом виде – и на период кормления ребенка.

Таблица 13.1.1

Средние величины Д_50/30 g-излучения для разных биологических видов

Индивидуальная радиочувствительность организма существенно проявляется при малых дозах облучения. С увеличением дозы облучения различия в радиочувствительности организмов одного и того же биологического вида сравнимы.

Кроме того, есть данные, что индивидуальная радиочувствительность организма зависит от времени облучения в течение суток. Эти данные могут облегчить выбор наиболее безопасного времени работы в открытом космосе, ремонта и профилактики атомного и т.д.

13.2 Внешнее, контактное и внутреннее облучение

Воздействие ионизирующего излучения на организм человека можно условно подразделить на внешнее, контактное и внутреннее, хотя в практике встречаются случаи и комбинированного воздействия.

Воздействие на организм ионизирующего излучения, приходящего извне, называют внешним облучением. Источником внешнего облучения могут быть b-, g-, нейтронные препараты, рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, нейтронные размножители, критические сборки и др.

Внешнее облучение подразделяется на хроническое, острое, дробное и местное.

Хроническое облучение — постоянное (или прерывистое) действие ионизирующего излучения в течение длительного времени.

Острое облучение — однократное кратковременное воздействие, когда организм получает значительную дозу ионизирующего излучения.

Дробное облучение — облучение, совершаемое двукратно или многократно с интервалами между отдельными воздействиями.

Местное (локальное) облучение — облучение части организма. Воздействие ионизирующего излучения дозой выше предельно допустимой может вызвать лучевое поражение организма в целом или отдельных его частей. Это может произойти в результате радиационных аварий или грубых нарушений правил работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующего излучения. В зависимости от поглощенной дозы возможны локальные повреждения, хроническая лучевая болезнь, острая лучевая болезнь или иные последствия, например нарушение функций отдельных органов.

Контактное облучение — такое облучение, когда радиоактивное вещество или источник ионизирующего излучения непосредственно соприкасается с кожными покровами организма. Это может произойти при различных авариях на производстве или при грубых нарушениях правил работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующего излучения, например, когда человек берет незащищенными руками радиоактивное вещество или источник ионизирующего излучения. Кожа рук при этом подвергается, хотя иногда и кратковременному, но весьма интенсивному облучению дозами, нередко превышающими сотни и тысяч рад. Глубина поражения зависит от дозы, вида и энергии ионизирующего излучения. В случае непосредственного попадания радиоактивных веществ на участки кожи (например, при аварийном выбросе радиоактивного раствора, порошка, пульпы и т. п.) они более или менее прочно фиксируются поверхностью кожного покрова — в мелких бороздках, порах, протоках сальных и потовых желез. Характер и прочность фиксации определяются физико-химическим составом соединения, состоянием кожных покровов, дисперсностью частиц и другими факторами. Чем выше способность загрязняющего вещества к растворению, тем больше вероятность тесного контакта его с кожным покровом. Например, окись трития в виде паров или жидкости быстро проникает через кожу и спустя несколько минут обнаруживается в крови, выдыхаемом воздухе и моче. При своевременной очистке загрязненных участков кожи лучевые поражения, как правило, не имеют места.

Длительное воздействие ионизирующего излучения является нередко причиной хронических дерматитов. К повреждениям кожи при непосредственном воздействии ионизирующего излучения относятся появление на коже раздельных или сгруппированных пузырьков, сглаженность рисунка кожи, обильное потоотделение на пальцах при сухости ладоней. К более поздним проявлениям хронического поражения кожи ионизирующим излучением относятся появление доброкачественных новообразований, старческое увядание кожи.

Внутреннее облучение — облучение радионуклидами, проникшими в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и кожные покровы. Попадание радионуклидов через органы дыхания — наиболее распространенный способ для профессиональных работников.

Кроме того, нужно добавить, что во внешней среде (для населения, проживающего за пределами объекта) при наличии выбросов наиболее опасным часто оказывается внешнее g-излучение облака радиоактивных газов и осадков на почву от радиоактивных аэрозолей, а также поступление радионуклидов в организм по пищевым и биологическим цепочкам.

Опасность внутреннего облучения организма значительно выше, чем при внешнем облучении вследствие увеличения времени облучения (облучение происходит круглосуточно), уменьшения геометрического ослабления потока энергии (источник излучения расположен вплотную), невозможности применения защитных средств, избирательного отложения радионуклидов в отдельных органах человека.

Наиболее опасными с точки зрения внутреннего облучения оказываются в основном a-излучающие радионуклиды, так как пробег a-частиц в веществе мал и их энергия целиком поглощается вблизи места концентрации радионуклида. Нельзя пренебрегать при рассмотрении процесса внутреннего облучения b- и g-радионуклидами, так как степень внутреннего облучения зависит не только от вида радионуклида и энергии излучения, но также от количества радионуклидов, попавших внутрь, характера распределения их в организме, периода полураспада радионуклида и скорости его выведения из организма. Совокупность этих показателей определяет относительную радиотоксичность радионуклида – его способность оказать повреждающее действие, обусловленное ионизирующим излучением.

С увеличением растворимости радиоактивных веществ увеличивается всасывание радионуклидов из желудочно-кишечного тракта. Радионуклиды концентрируются, как правило, избирательно в отдельных органах, подвергая их интенсивному облучению. Например, радий, фосфор, стронций, барий, плутоний концентрируются в костях; церий, прометий, америций, кюрий, лантан — в печени; плутоний — в легких, костях; йод — в щитовидной железе; уран — в легких, почках, костях. А такие радионуклиды, как тритий, углерод, натрий, кобальт, цезий, распределяются в организме равномерно.

Степень опасности характеризуется скоростью выведения радионуклидов и их соединений из организма. Различают биологический (Т_б) и эффективный (Т_эф) периоды полувыведения. Биологический период полувыведения — время, за которое активность нуклида, накопленного в организме или органе, уменьшается вдвое вследствие процессов биологического выведения. Эффективный период полувыведения – время, в течение которого активность нуклида в организме или его части уменьшится в 2 раза за счет биологического выведения и физического распада радионуклида:

Т_эф=Т_бТ_1/2/(Т_б + Т_1/2),

где Т_б и Т_1/2 — соответственно биологический период полувыведения и период полураспада радионуклида. Т_эф может значительно, отличаться от Т_б и Т_1/2, но если Т_1/2 >> Т₆, то T_эф = T_б, и если Т_1/2<< Т_б, то T_эф = Т_1/2. Например, Sr практически полностью откладывается в скелете, что приводит к облучению жизненно важного органа — костного мозга. Период полувыведения из организма Sr равен приблизительно 50 лет, а Сs, который откладывается в мышечной ткани, около 70 лет.

Как правило, если радионуклиды, попавшие внутрь организма, одинаковы с элементами, которые потребляются человеком с пищей (натрий, хлор, калий и др.), то они не задерживаются в организме и выводятся вместе с такими же веществами. Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон и др.), попавшие через легкие в кровь, со временем также полностью удаляются. Некоторые же элементы, попав в организм, трудно из него удаляются (уран, торий, плутоний). Одни радионуклиды достигают равновесного состояния в организме, а другие никогда его не достигают. Число радионуклидов, не достигающих равновесия в организме за период жизни человека (50…70 лет), равно 20, наиболее важные из них приведены в табл. 13.3.1.

Таблица 13.2.1

Некоторые радионуклиды, не достигающие равновесия в организме

Радионуклиды с большим периодом полураспада при попадании внутрь организма обусловливают постоянное облучение организма (даже после прекращения работы с ними) и неуклонное прогрессирование заболевания. При попадании же в организм радионуклидов с коротким периодом полураспада при прекращении контакта с ними на производстве наблюдается улучшение состояния здоровья пострадавших. Наиболее тяжелые формы повреждений вызывают долгоживущие радионуклиды (радий, торий, уран, плутоний). В зависимости от путей поступления радионуклидов в организм развиваются своеобразные формы лучевой болезни. При поступлении радионуклидов через дыхательные пути в виде пыли, газов, паров часть из них осаждается на слизистой оболочке верхних дыхательных путей, часть в альвеолах легких (частицы размером менее 5 мкм), часть самых тонкодисперсных частиц (размером менее 1 мкм) может непосредственно проникать в общий кровоток, а затем избирательно отлагаться в различных тканях. При попадании радионуклидов через дыхательные пути могут отмечаться различные изменения со стороны легочной ткани в виде пневмосклероза, а при постоянном воздействии пневмосклероз может перейти в рак легких.

При поступлении радионуклидов через желудочно-кишечный тракт дальнейший путь их различен. В зависимости от растворимости соединения, в которое входит радионуклид, он в большей или меньшей степени всасывается через стенки кишечника и попадает в общий кровоток, а часть попавших радионуклидов выводится с калом.

13.3. Механизм биологического действия ионизирующего излучения

Знание механизма поражающего действия ионизирующего излучения позволяет найти рациональные методы лечения лучевой болезни, подобрать эффективные противолучевые препараты и разработать универсальные методы защиты от излучений.

В настоящее время существуют две не исключающие друг друга теории механизма действия ионизирующего излучения на организм — прямого и непрямого (косвенного) действия излучения.

Сущность теории прямого действия излучения сводится к тому, что все виды излучения прямо (заряженные частицы) или косвенно (фотонное и нейтронное излучение) вызывают ионизацию и возбуждение атомов клеток живого организма. Сторонники прямого действия не могут объяснить ряд явлений, связанных с облучением организма, например несоответствие между дозой облучения и биологическим эффектом.

Известно, что поглощенная человеком доза в 600 рад вызывает его смерть. Не значит ли, что поражающее действие объясняется большой величиной поглощенной энергии? Простые вычисления показывают, что поглощение энергии ионизирующего излучения, соответствующей смертельной дозе, повышает температуру человеческого тела не более чем на 0,001 ^°С. Это парадоксально, так как изменением температуры организма на 0,001 °С нельзя объяснить его смертельный исход. В то же время подсчитано, что при абсолютно летальных дозах из десятка миллионов молекул разрушается одна. Таким образом, непосредственно поражающее действие касается крайне незначительного числа атомов и молекул. К тому же вызываемые биологические изменения крайне невелики.

Теория прямого действия ионизирующего излучения не может объяснить устойчивость клетки к излучению при кислородном голодании, так называемый кислородный эффект.

При действии ионизирующего излучения на человека в биологической ткани происходят сложные физические, химические и биологические процессы. Действие ионизирующего излучения на биологическую ткань является, по-видимому, не прямым. Ионизация и возбуждение молекул и атомов живой ткани являются только первым этапом в дальнейшей цепи изменений и реакций.

Сущность теории косвенного действия ионизирующего излучения сводится к тому, что под действием излучения в организме образуются радикалы и окислители, вступающие в реакцию с молекулами белка, ферментов и других жизненно важных веществ. При этом образуются радиотоксины, нарушающие нормальный цикл биохимических реакций и вызывающие поражающее действие.

Согласованная деятельность клеток живой ткани нарушается. При длительном облучении организма постепенно развивается лучевая болезнь. При больших единовременных дозах лучевая болезнь прогрессирующе развивается.

Исследования показали, что при облучении организма его клетки деградируют и погибают, процесс естественного деления клеток нарушается, что приводит к различным структурным изменениям. В некоторых генах, определяющих наследственные свойства организма и его клеток, происходят нарушения, которые (особенно в клетках половых желез) влияют на наследственность. Облучение приводит также к гибели и повреждению соматических клеток. Если такие клетки не погибают, а остаются жизнеспособными, то они становятся, по-видимому, родоначальниками злокачественных клеток.

Если подытожить сказанное, то механизм биологического действия в современном представлении поэтапно можно представить следующей схемой: 1) поглощение энергии излучения клетками и тканями организма; 2) образование свободных радикалов и окислителей; 3) нарушение биохимических процессов; 4) нарушение физиологических процессов.

Учитывая восстановительные процессы, происходящие в организме человека, можно с уверенностью констатировать, что вероятность нарушения биохимических и физиологических процессов уменьшается с уменьшением полученной дозы.

Вот почему основной задачей служб дозиметрии и радиационной безопасности является обеспечение полной безопасности работающих, наблюдение за тем, чтобы облучение персонала не превышало установленных предельно допустимых норм. Для этого необходим тщательный контроль радиационной обстановки. Гарантией защиты здоровья работников служат постоянные измерения дозы излучения, систематические медицинские обследования.

13.4. Лучевая болезнь

Лучевая болезнь — следствие поражающего действия ионизирующего излучения, воздействующего извне и (или) от радионуклидов, попавших внутрь организма. Она проявляется в форме комплекса последовательно развивающихся патологических изменений в организме. Лучевую болезнь можно подразделить на острую и хроническую.

Острая форма лучевой болезни может возникнуть при однократном поражении организма извне излучением большой дозы или при попадании внутрь организма большого количества радионуклидов. В зависимости от дозы излучения и от индивидуальной радиочувствительности человека тяжесть лучевой болезни может быть различной. Легкая форма острой лучевой болезни возникает при дозе 100…200 рад, средней тяжести — при 200…400 рад и тяжелая форма острой лучевой болезни — при 400…600 рад. В развитии острой лучевой болезни отмечается определенная периодичность.

Первый период — пострадавший испытывает состояние опьянения с появлениями тошноты, рвоты, головокружения, а также слабости, учащения пульса, повышения температуры, у него наблюдается изменение кровяного давления и состава крови. Такое состояние продолжается от нескольких часов до 2…3 дней. При большой поглощенной дозе человек погибает в течение 1–2 дней.

Второй период — период мнимого благополучия (скрытый, латентный период), который в зависимости от тяжести процесса может продолжаться от 2…3 дней до двух недель. У больного сохраняется аппетит, появляется интерес к окружающей среде, меньше становится жалоб на болезнь. Но объективно регистрируются резкое снижение коли­чества лейкоцитов в крови, изменение биотоков мозга и другие физиологические нарушения.

Третий период — заболевание вновь обостряется. У больного пропадает аппетит, появляются рвота, понос, повышается температура, появляются обширные кровоизлияния под кожей, кровотечение из десен, носа. Развиваются язвенные поражения слизистых оболочек полости рта, носа, кишечника, пищевода. Резко нарушается обмен веществ. Все системы организма активно втягиваются в процесс лучевого поражения. Защитные силы организма по отношению к инфекции резко ослабевают. Если не принять срочных мер по переливанию крови и пересадке костного мозга, человек может погибнуть. Это зависит от первоначального состояния здоровья человека и полученной дозы. Третий период длится 18…20 дней. В менее тяжелых случаях после критического периода наступает период постепенного выздоровления

Остаточные последствия болезни проявляются в виде вялости кроветворной системы, понижения сопротивляемости к инфекциям, преждевременного старения, поседения. Требуется периодическое медицинское наблюдение в биофизической клинике и регулярное санаторно-курортное лечение.

В результате длительного внешнего или (и) внутреннего облучения организма человека относительно малыми дозами ионизирующего излучения (свыше предельно допустимых) может возникнуть хроническая форма лучевой болезни. В ее развитии различают четыре стадии протекания.

Первая стадия — легкая. Период формирования хронической лучевой болезни совпадает со временем накопления дозы облучения. После снижения облучения до допустимого уровня или отстранения человека от контакта с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений на первой стадии заболевания может наступить практически полное выздоровление. На первой стадии болезнь начинается исподволь, без жалоб со стороны заболевшего, хотя при медицинском исследовании отмечаются изменения состава крови. Затем появляются жалобы на общее недомогание, слабость, утомляемость, ухудшение аппетита, расстройство сна, сухость и шелушение кожи, ломкость ногтей, но более закономерными являются изменения крови.

Вторая стадия — средняя. Она характеризуется нарастанием всех симптомов первой стадии, которые приобретают более яркое выражение. Больные жалуются на частые головные боли, ухудшение памяти, неприятные ощущения в области сердца, ослабление полового чувства, бессонницу. Появляются подкожные кровоизлияния, кровоточивость десен. Значительные изменения в крови. Прекращение контакта с ионизирующим излучением и упорное лечение дают значительное улучшение состояния здоровья. При продолжении контакта заболевание переходит в следующую стадию.

Третья стадия — тяжелая. Характеризуется прежде всего малообратимыми признаками заболевания. У больного отмечается резкая слабость, апатия, безразличие к окружающему, упорные головные боли с головокружением, тошнота, рвота, резкое снижение памяти и нарушение сна, резко выраженные изменения состава крови, нередко отмечаются признаки локальных поражений: мелкие кровоизлияния в головной мозг и внутренние органы. Больные нуждаются в постельном режиме. Полное выздоровление не наступает.

Четвертая стадия — весьма тяжелая. На месте многочисленных кровоизлияний возникают изъязвления. Сопротивляемость к инфекциям практически отсутствует. Большинство больных погибает.

13.5. Противолучевые препараты

В настоящее время лучевая болезнь — редкое заболевание и может иметь место лишь в исключительных случаях: при аварийных ситуациях, при небрежном отношении персонала к правилам техники безопасности. Изучая механизм биологического действия ионизирующих излучений, ученые разработали эффективные методы лечения этой болезни в зависимости от тяжести лучевого поражения.

В одних случаях это — мощная антибактериальная терапия, в других — переливание лейкоцитарной и тромбоцитной массы, в третьих — витамины и т. д.

Наиболее эффективным средством лечения тяжелых форм лучевой болезни является пересадка костного мозга. Положительные результаты при легких и средних формах лучевой болезни дает санаторно-курортное лечение. Иногда достаточно прекращения контакта с радиоактивными источниками и другими источниками ионизирующих излучений.

Можно ли ослабить лучевое поражение в процессе облучения организма ионизирующим излучением, например при неизбежности облучения организма во время ликвидации аварийных ситуаций, которые могут привести к большим разрушениям или гибели людей; при радиотерапии, когда больного необходимо подвергнуть интенсивному местному облучению? Оказывается, некоторые химические соединения могут снижать эффект биологического действия облучения. Такие химические соединения назвали радиопротекторами.

Современная медицина располагает целым набором препаратов, предназначенных для выведения из организма конкретных радионуклидов. Например, фероцин — для выведения цезия, пентоцин — для выведения лантонидов и трансурановых элементов. Предполагают, что действие одних радиопротекторов связано с так называемым "кислородным эффектом": введение радиопротекторов вызывает уменьшение количества окисляющих радикалов из-за снижения количества кислорода в тканях. Действие других радиопротекторов связано с тем, что во время облучения они вступают в реакцию с радикалами и нейтрализуют дальнейшее их действие. Ряд ученых считают, что введенные радиопротекторы угнетают ферментную активность процессов биосинтеза нуклеиновых кислот и белка.

13.6. Дозиметрические характеристики биологической ткани

Так как основная задача дозиметрии состоит в определении радиационного эффекта при воздействии на организм человека, в таблицах 13.6.1 и 13.6.2 приведены характеристики "стандартного " тела (70 кг).

Таблица 13.6.1

Химический состав человеческого организма

                                                                Таблица 13.6.2

Доли тканей "стандартного" тела

В обеих таблицах недостающая доля веса относится к переменному содержимому кишечника и микоэлементам.

Как видим, основу биологической ткани составляют кислород, углерод и водород. Не удивительно, что ее хорошо моделирует вода (особенно мышечную), которая имеет и близкую по величине плотность (табл. 13.6.3).

Таблица 13.6.3.

Дозиметрические характеристики биологической ткани

С точки зрения потерь энергии ионизирующего излучения среда описывается двумя характеристиками: плотностью r и эффективным атомным номером Z_эфф. Под эффективным атомным номером сложного вещества понимают атомный номер такого простого вещества, которое на единицу массы поглощает такое же количество энергии данного излучения, что и единица массы сложного вещества. Вообще вследствие различных сечений взаимодействия в зависимости от Z однозначно рассчитать величину Z_эфф можно лишь для известного излучения известной энергии и среды с известными свойствами. В табл. 13.6.3 приведены значения _фZ_эфф для фотоэффекта и _кZ_эфф для комптоновского взаимодействия.

Иногда приходится моделировать биологическую ткань, например, с калибровочными целями или для оптимизации лучевой терапии, либо при реконструкции аварийных доз, полученных потерпевшими. Существуют весьма совершенные модели человеческого тела, в некоторых даже динамически моделируются некоторые физиологические функции (деятельность кровеносной системы, дыхание). Однако, можно изготовить и менее дорогостоящие модели – фантомы, с помощью которых дозиметрические задачи можно выполнять с достаточно высокой точностью.

По составу фантомы бывают гомогенными (однородными) и гетерогенными, а по конструкции – жидкими, порошково-сыпучими и твёрдыми. Жидкие фантомы всегда гомогенны. Обычно для их изготовления применяется дистиллированная вода. Разработаны также специальные тканеэквивалентная жидкость ТЭЖ (смесь воды – 40 % по весу, 30 % глицерина(С₃Н₅ОН₃), 7 % мочевины (CH₄ON₂), 7 % сахарозы (C₂₂H₁₁O₇) и 16 % этилового спирта (C₂H₅OH)), а для моделирования головного мозга смесь воды, глицерина, этилового и метилового спиртов, сахарозы и растворимых фосфорных солей в определенном соотношении. Такие жидкости облучают в баках необходимых размеров, в различных точках которого размещают дозиметры.

Для приготовления порошково-сыпучих фантомов применяют боргидрид алюминия А1(ВН₄)₃ с гидрохиноном C₆H(OH)₂, крахмал (C₆H₁₀O₅)_n, пикриновую кислоту С₆Н₃О₇N₃ и другие вещества. Удобство в данном случае состоит в том, что облучаемый объем легко изменять, меняя число и расположение пакетов с порошком, между которыми помещаются дозиметры.

Твердые фантомы можно изготовить гомо- и гетерогенными. Для этого удобны многие органические вещества, дозиметрические свойства которых представлены в табл. 13.6.4.

Таблица 13.6.4

Дозиметрические свойства материалов для твердых фантомов

Кроме того, для моделирования разных видов ткани разработаны специальные составы. Для мышечной (мягкой) используют сплав парафина (100 весовых частей), MgO (29,06 вес. частей) и СаСО₃ (0,94 вес. частей). Вместо жировой ткани чаще всего применяется мыло (жир) C₁₈H₃₅O₂Na; легочной — пробка, губка. Костную ткань хорошо имитирует смесь гипса (СаSО₄)₂ × H₂О и 5% серы. При необходимости из названных материалов можно изготовить неплохой гетерогенный фантом человеческого тела. Иногда, если позволяют возможности, для этого заливают скелет, что избавляет от кропотливого труда анатомического воспроизведения костей.