рассмотренными выше процессами. Биоткани частично прозрачны для рентгеновского- и γ-излучений, а степень поглощения зависит от частоты излучения и плотности биотканей. Это позволило использовать эти излучения для визуализации внутреннего строения биообъектов.
Потоки элементарных частиц также могут выступать как корпус-
кулярная форма ионизирующего излучения. Подобно тому, как фото-
ны высоких энергий обладают свойствами частиц, так и частицы малой массы обладают волновыми свойствами. Одним из механизмов взаимодействия их с веществом является ионизация. Поэтому потоки элементарных частиц трактуют как корпускулярное ионизирующее излучение. Пользуясь известным энергетическим эквивалентом массы
mc2 = hνчаст = h·c/λчаст, m=m0/(1– V2/с2)1/2 , длина волны элементарной частицы может быть представлена как λчаст=h/mc=h·(1– V2/с2)1/2/m0c.
Если с>>V, то λчаст ≈ h/m0c – комптоновская длина волны. Для электрона такая длина волны составляет λe=h/me·c≈2,4·10-3 нм, для прото-
на – λp≈1,32·10-6 нм, для нейтрона – λн≈1,31·10-6 нм. Все элементарные частицы в зависимости от массы, выраженной в электронвольтах, подразделяют на три класса: лептоны (0…100 МэВ, электроны, позитроны), мезоны (100…1000 МэВ, частицысовременемжизни10-8…10-16 с), барионы (с энергией более 1000 МэВ, протоны, нейтроны, α-частицы).
Одной из важных характеристик взаимодействия корпускулярного ионизирующего излучения с веществом является длина свободного пробега в веществе. Для потоков α-частиц длина свободного пробега в воздухе составляет единицы сантиметров, для биоструктур – доли миллиметров. β-излучения (потоки электронов) проникают в биоткани на глубину 10…15 мм.
Дозы ионизирующего излучения. Независимо от конкретной природы ионизирующего излучения веществу в результате облучения передаётся определённое количество энергии. Для измерения физического или биологического эффекта введены единицы – дозы ионизирующего излучения.
Поглощённая доза излучения – отношение энергии ионизирующего излучения, поглощаемой веществом, к массе этого вещества. Единица поглощенной дозы грей ([D] = Гр) соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия 1 Дж, 1 Гр = Дж/кг. МощностьпоглощеннойдозыN = D/t, [N] = Гр/с. Внесистемная единица поглощённой дозы излучения – рад (Radiation Absorb вed Dos), 1 рад = 10-2 Гр = 100 эрг/г.
Поскольку результат действия ионизирующего излучения зависит не только от величины поглощённой дозы, но и от свойств вещества, параметр D неоднозначно характеризует результат действия ионизирующего излучения на вещество. Ионизирующее излучение характеризуется прежде всего своей способностью ионизировать среду. Количественно эту характеристику отражает экспозиционная
45
доза Dэкс. Экспозиционная доза излучения представляет собой харак-
теристику рентгеновского или γ-излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха Dэкс = q/m. Единицей экспозиционной дозы служит кулон на килограмм (Кл/кг) – экспозиционная доза рентгеновского или γ-излучения, при которой сумма электрических зарядов q одного знака, образованных в массе 1 кг воздуха, равна 1 Кл. Чаще всего экспозиционная доза измеряется во внесистемных единицах – рентгенах (1 Р = 2,58·10-4 Кл/кг). Мощность экспозиционной дозы излучения Nэкс = Dэкс/t, [Nэкс] = А/кг. Используются также и внесистемные единицы мощности экспозиционной дозы: рентген
в секунду (Р/с), 1 Р/с = 2,58·10-4 А/кг; рентген в минуту (Р/мин), 1 Р/мин = 4,30·10-6 А/кг; рентген в час (Р/ч), 1 Р/ч = 7,17·10-8 А/кг.
Экспериментальному измерению поддается экспозиционная, а не поглощенная доза, однако между ними существует зависимость D=f·Dэкс, где f – коэффициент, зависящий от свойств облучаемого вещества и вида ионизирующего излучения. Если в качестве меры поглощенной дозы взять рад, экспозиционной – рентген, а ионизирующими излучениями являются рентгеновское, γ или β , то существует важное для практики выражение 1 рад= f·1Р, причем для воды и мягких биологических тканей f =1, для костных структур f =1…4,5, для воздуха f =0,88.
Различные виды ионизирующих излучений даже при одинаковой поглощённой дозе оказывают различные биологические действия. Для учёта этого явления был введён коэффициент качества К. Этот коэффициент показывает, во сколько раз эффективность биологического действия ионизирующего излучения данного вида больше рентгеновского или γ-излучения при одинаковой поглощённой дозе. Коэффициент качества устанавливают на основе опытных данных. Для рентгеновского, γ- и β-излучений К=1, для тепловых нейтронов (~0,01 эВ) К=3, нейтронов (5 эВ) К=7, нейтронов (0,5 эВ), протонов К=10, α-излучения К=20. Поглощённая доза совместно с коэффициентом качества даёт более точное представление о биологическом действии ионизирующего излучения, поэтому произведение D·K используют как единую меру этого действия и называют эквивалентной дозой излучения (Dэкв= D·K). Поскольку К – безразмерный коэффициент, эквивалентная доза излучения имеет ту же размерность, что и поглощенная доза излучения, но называется зивертом ([Dэкв] = Зв). Внесистемная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент рентгена (1 бэр = 10-2 Зв). Эквивалентная доза в бэрах равна дозе излучения в радах, умноженной на коэффициент качества. Таким образом, при воздействии рентгеновского, γ- и β-излучений на мягкие (водосодержащие) ткани можно принять 1 бэр = 1 рад = 1Р.
Биологическое действие ионизирующих излучений напря-
мую связано с образованием веществ с высокой химической активностью. Поэтому к основным процессам относят химические превраще-
46
ния вещества, получившие название радиолиза. Для водосодержащих биотканей действие ионизирующего излучения связывают с про-
дуктами радиолиза воды (ионов и радикалов H'):
H2O → H2O++e-; H2O - → OH -+ H'; OH - → OH'+e- ; H+ → H'+ e- .
Взаимодействие молекул органических соединений с ионизирующими излучениями может образовать возбужденные молекулы, ионы, радикалы, перекиси: RH → RH* → R'+H'; RH → RH+ → e- . Из приведенных реакций видно, что эти высокоактивные в химическом отношении соединения будут взаимодействовать с остальными молекулами биологической системы, что приведет к нарушению мембран, клеток и функций всего организма.
Для биологического действия ионизирующего излучения также присущ эффект миграции – несовпадение области воздействия излучения и места биологического проявления, а также скрытый (латентный) период развития патологии. Чувствительность биотканей к ионизирующему изучению зависит от их физиологического состояния и структуры. В порядке убывания радиочувствительности биоткани расположены следующим образом: гемопоэтическая ткань (кроветворные ткани), кишечный эпителий, гонады (железы), эпителий кожи, ткани хрусталика, фиброзные (соединительные) ткани, хрящевые ткани, костные ткани, мышечные ткани, нервные ткани. Таким образом, наиболее уязвимы ткани с интенсивным обменом веществ.
Уровень биологического действия ионизирующего излучения зависит от дозы ионизирующего излучения, тормозной способности биовещества, условий облучения и распределения поглощённой дозы в организме, времени облучения, избирательного поражения критических органов, функционального состояния организма перед облучением. Действие различных поглощенных доз ионизирующего излучения на человека отражает такая последовательность:
•<100 рад (малые дозы) – наблюдается временное изменение механизма кроветворения, возможно самовосстановление организма;
•150…400 рад – развивается лучевая болезнь лёгкой и средней тяжести;
•400…600 рад – тяжёлая форма лучевой болезни;
•>600 рад – абсолютно смертельная доза;
•>5000 рад – молниеносная форма лучевой болезни;
•>20000 рад – гибель организма под лучом.
При дозах 100…1000 рад доминирует костно-мозговой механизм развития лучевой болезни, а при дозах 1000…5000 рад – кишечный механизм поражения.
Выделяют временные стадии действия ионизирующего излучения на биообъекты:
- физическая –поглощение энергии, ионизация или возбуждение молекул (10-15…10-13 с);
47
-физико-химическая – перераспределение избыточной энергии, образование ионов и радикалов (10-13…10-11 с);
-химическая – протекание биохимической реакции (10-11…10-6 с);
-общебиологическая – изменение клеточных структур, функциональных характеристик биоткани (от единиц секунд до нескольких лет).
Естественные источники ионизирующих излучений: космиче-
ские лучи (включая ионизирующую компоненту солнечного излучения), радиоактивность недр земли и воды, радиоактивность ядер веществ, входящих в состав биотканей. Эти источники создают естественный фон, соответствующий эквивалентной дозе около 125 мбэр.
Искусственные источники ионизирующих излучений: фонового характера (технологические процессы обработки и обогащения полезных ископаемых), структуры ядерной энергетики, технические средства целевого назначения (научные и медицинские исследования, неразрушающий контроль, рентгеновская аппаратура), бытовая техника (элементы, включающие в себя радиоактивные вещества, мониторы на основе электронно-лучевых трубок). Предельно допустимой эквивалентной дозой при профессиональном облучении считается доза 5 бэр в течение года.
Медицинская радиобиология (наука об использовании ионизирующих излучений в медицине) включает в себя следующие направления применения ионизирующих излучений: рентген- и γ-диагностика, радиоизотопная диагностика, лучевая терапия (воздействие ионизирующих излучений на организм с лечебной целью).
Радиационная гигиена изучает влияние ионизирующих излучений на здоровье человека с целью разработки методов противорадиационной защиты.
Дозиметрия – получение количественных характеристик взаимодействия ионизирующих излучений с объектами, определение до-
пустимых доз. Защита от ионизирующих излучений предусматрива-
ет три вида: временем, расстоянием, материалом. Если источник ио-
низирующего излучения представить как точечный, то для поглощенной дозы справедливо выражение D =( I·t)/r2, где I – интенсивность излучения, r - расстояние до источника. Отсюда следует, что доза облучения будет тем меньше, чем дальше от источника находится биообъект и чем меньше он подвержен облучению по времени. Защита материалом зависит от вида излучения. Так, для защиты от α-излучения достаточно нескольких сантиметров воздуха или листа бумаги, от β-излучения – слоя алюминия, органического стекла в несколько сантиметров, от рентгеновского и γ-излучения требуется защита из металла с возможно большим атомным номером (свинец). Для защиты от быстрых нейтронов сначала гасят их скорость в водосодержащих веществах, а затем используют кадмий как поглотитель медленных нейтронов.
48
3.ДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ
ИГРАВИТАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ
Учитывая, что в предыдущем разделе на примере электромагнитных полей были достаточно подробно рассмотрены подходы анализа взаимодействия физического поля и биообъекта, в данном разделе остановимся только на основных положениях взаимодействия, относящихся к акустическим, тепловым и гравитационным полям.
3.1. Акустические поля и биологические объекты
Понятие биологического объекта и его жизнедеятельность неразрывно связаны со средой обитания. По этому признаку все организмы можно разделить на живущие в воздушной, водной и смешанной (почва, ил) средах. Макроскопический механизм энергетического взаимодействия биообъекта и вещества внешней среды характеризуется полем сил механического происхождения. Поэтому акустическим полем (в широком смысле) называют силовое поле, характеризующее механическое взаимодействие физических тел внешней среды и биообъектов. В результате действия акустического поля на биообъект последний испытывает деформацию – изменение взаимного расположения точек тела, которое приводит к изменению его формы и размеров. Деформация называется упругой, если после прекращения действия сил акустического поля объект возвращается к исходной форме. Упругая деформация обусловлена возникновением упругих сил, которые уравновешивают внешние силы, приложенные к телу. Величину, численно равную упругой силе, приходящейся на единицу площади тела, называют механическим напряжением (σ = dFупр/dS). Степень изменения формы тела в каком-либо направлении х характеризует относительная деформация ε =∆x/x. В общем случае σ = σ(ε) является нелинейной зависимостью. Упругие деформации, присущие биотканям, называют каучукоподобной эластичностью. Это связано с тем, что в достаточно большом интервале относительных деформаций для биотканей выполняется закон Гука σ =Е·ε, где Е – модуль Юнга. Для биотканей также характерна ползучесть – деформация, вызванная длительностью действия постоянной нагрузки. Механизм ползучести в биополимерах объясняют распрямлением макромолекул под действием внешней нагрузки. Происходящие при этом процессы аналогичны течению вязкой жидкости, поэтому ползучесть называют вязкой деформацией σ = η·dε/dt, где η – коэффициент вязкости среды.
Величина деформируемости живого объекта определяется механическими свойствами отдельных видов биотканей. Под механическими свойствами биотканей понимают две их разновидности. К первой относят процессы биологической подвижности (сокращение мышц, деление клеток, рост биомассы). Эти процессы имеют биохи-
49