辐射防护与放射损伤基础知识和应急处置技术

辐射防护与放射损伤基础知识和应急处置技术临沂市沂水中心医院张培良主要内容•第一节放射物理学基础知识•第二节放射损伤基础知识•第三节核与辐射事故分型•第四节应急处置技术第一节放射物理学基础知识一、核辐射物理学基础1、放射性•⑴、原子结构•原子核：占原子体积的1/10000•质子，中子，•1.007277u，1.008665u•电子：围绕原子核旋转，0.000548u•1u=12/NA×1/12=1.6605655×l0-27kg•原子序数：质子数，在元素周期表中的位置•同位素：原子序数相同而质量数不同的核素壳层能级次序各能级的电子数满壳层电子总数KLMNOPQ1s2s,2p3s,3p4s,3d,4p5s,4d,5p6s,4f,5d,6p7s,5f,6d,22,62,62,10,62,10,62,14,10,62,14,10,…21018365486电子的壳层结构2n•⑵放射性：不稳定的核素自发地放出射线，转变为另一种核素，这种现象称为放射性，这个过程称为放射性衰变，这些核素称为放射性核素。•发出的射线种类：可能有α射线、β射线、γ射线，还可能有正电子，质子，中子等其他粒子。•原子序数从84起的所有元素都是不稳定的，具有天然放射性；而原子序数小于84的元素只有少量的某些同位素是不稳定的，具有天然放射性；人工产生的同位素都是不稳定的，具有人工放射性。•⑶放射性衰变：不稳定的重核元素趋向稳定的过程。•例如：•放射性衰变服从指数规律。•放射性活度：放射性核素在单位时间内衰变的个数。•半衰期：放射性核素其原子核数目衰减到原来数目•一半所需的时间T1/2=ln2/λ=0.693/λ•衰变类型：α衰变•β衰变•γ跃迁和内转换ThU2349023892•天然放射性系：•釷系、铀－镭系和锕系•感生放射性：•核粒子轰击较轻的元素可以产生放射性元素•例如：NiConCo602860275927,2、电离辐射•电离辐射：是指一切能引起物质电离的辐射总称。•辐射按与物质作用分类：•电离辐射•非电离辐射•辐射按本质和性质分类：•电磁辐射•粒子辐射•电磁辐射：以相互垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡，形成向前运动的电磁波电磁辐射是以一种看不见、摸不着的特殊形态存在的物质。人类生存的地球本身就是一个大磁场，它表面的热辐射和雷电都可产生电磁辐射，太阳及其他星球也从外层空间原原不断地产生电磁辐射。围绕在人类身边的天然磁场、太阳光、家用电器等都会发出强度不同的辐射。•能引起电离的是X射线和γ射线•粒子辐射：高能粒子通过消耗自身的动能把能量传递给其它物质•高速粒子、带电粒子电磁辐射电离辐射粒子辐射X,γ射线α、β、中子质子、负π电磁辐射--波谱3、常用辐射量和单位•⑴照射量：是描述X（γ）射线电离空气能力的量•单位是C/kg，未定义专用名，曾用单位是伦琴（R），1R=2.58×10-4C/kg•⑵吸收剂量：是描述射线与物质作用的基本量。•它定义为单位质量受照射物质吸收的辐射能量。•曾用单位是拉德（rad），现在国际单位是焦耳/千克（J/kg），又称戈瑞（Gray，符号是Gy），•1Gy=1J/kg，1Gy=100rad•当量剂量是描述辐射防护剂量学的基本量，是在严格意义上的吸收剂量。机体组织中某一点的当量剂量（H）等于某一组织或器官所接受的平均的吸收剂量（D），经过以辐射质的辐射权重因子（辐射品质Q）加权处理的吸收剂量：•H＝D•Q•N，N为其他修正因数（ICRP指定N为1）•单位为J/kg，专用名为希沃特（Sievert），符号为Sv，旧单位：雷姆，rem•1Sv=1J/kg=100rem辐射类型Q值X、、射线1热中子2.3快中子和质子10粒子20•有效剂量当量就是组织或器官的当量剂量HT与组织权重因子WT的乘积，并对所有器官或组织求和，即•E=ΣWT·HT•式中，HT、WT分别是器官或组织T的当量剂量和组织权重因子。组织权重因子是组织或器官T的随机效应危险系数与全身均匀照射总危险系数的比值。4、电离辐射与物质的相互作用•与物质原子发生以下几种作用：•（1）与核外电子发生非弹性碰撞；•（2）与原子核发生非弹性碰撞；•（3）与原子核发生弹性碰撞；•（4）与原子核发生核反应。•X（γ）射线与物质主要发生三种作用机制：•（1）光电吸收，主要发生在射线能量较低的情况，在10～30keV的能量范围占优势。•（2）康普顿散射，康普顿效应的发生率与原子序数没有太大关系，而主要取决于电子密度，在30keV～25MeV的能量范围占优势。•（3）电子对效应，光子能量超过1.02MeV才能发生这种吸收其它还有相干散射、光核反应二、辐射源及其分类1、放射源的种类•放射治疗使用的放射源主要有三类：•（1）放射性同位素放出的α、β、γ线。•（2）X射线治疗机和各类加速器产生的不同能量的X射线。•（3）各类加速器产生的电子束、质子束、中子束、负π介子束，以及其他重离子束等。•照射方式有两种：•（1）外照射；（2）内照射2、近距离治疗用放射性同位素放射源来源释放射线平均能量半衰期使用情况铱-192人工放射性同位素γ射线350KeV74天组织间插植和腔内照射铯-137人工放射性同位素γ射线0.662MeV33年组织间插植和腔内照射钴-60人工放射性同位素γ射线1.25MeV5.25年外照射锶-90天然放射性同位素β射线0.2MeV25年外照射3、钴-60治疗机•组成：•（1）、一个密封的钴-60放射源；•（2）、一个源容器及防护机头；•（3）、具有开关的遮线器装置；•（4）、具有定向限束的准直器；•（5）、支持机头的治疗机架；•（6）、治疗床；•（7）、计时器及运动控制系统；•（8）、辐射安全及联锁系统。4、医用直线加速器•医用电子加速器主要有电子感应加速器、电子直线加速器、电子回旋加速器。•1937年第一台1MV范德格喇夫加速器安装在美国波士顿Huntington纪念医院。•1943年D.W.Kerst提出用电子感应加速器作放射治疗。1949年安装了第一台20MV电子感应加速器。•1944年V.I.Veksler提出使用电子回旋加速方法,直到60年代才得到首次使用了22MeV的MM22型加速器。1946年D.W.Fry介绍了行波直线加速器，•1952年安装使用了第一台8MV固定型射频微波直线加速器。•我国首台医用10MV直线加速器于1978年诞生。•直线加速器保留了电子感应加速器的优点，克服了它的缺点，是目前放疗中的主流设备。第二节放射损伤基础知识•一、电离辐射损伤的化学基础•二、电离辐射损伤的分子生物学基础•三、放射损伤的影响因素•四、生物剂量学指标•五、辐射生物效应一、电离辐射损伤的化学基础1、辐射损伤产生自由基•自由基是指能独立存在的、含有一个或一个以上不配对电子的任何原子、分子、离子或原子团。•自由基的特性:寿命短而化学性质相当的活跃。•两个自由基不配对电子配对或者转给其他分子造成化学键变化，造成生物分子的破坏，不断产生歧化反应造成细胞的损伤。2、直接作用与间接作用•直接作用（directeffect）概念：电离辐射的能量直接沉积于生物大分子，引起生物大分子的电离和激发，破坏机体的核酸、蛋白质、酶等具有生命功能的物质，这种直接由射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用。•特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同一生物大分子上。•间接作用（indirecteffect）概念：电离辐射首先作用于水，使水分子产生一系列原初辐射分解产物（H·，OH·，水合电子等），再作用于生物大分子引起后者的物理和化学变化。•特点：能量沉积和生物效应发生在不同分子3、氧效应与氧增强比①氧效应：是指受照射的生物组织、细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度升高而增加。氧+自由基→过氧化物自由基(R00•)在有氧条件下细胞放射敏感性增高，增高的幅度与氧浓度有关。②氧增强比（oxygenenhancementradio,OER）是指缺氧条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样效应所需辐射剂量的比值。其公式是：OER=缺氧条件下产生一定效应的剂量有氧条件下产生同样效应的剂量•氧浓度对氧效应的影响:•有氧条件下细胞放射敏感性增高•氧分压从0上升至1％，放射敏感性迅速增加增至21％或至100％时，敏感性处于坪值•照射时间对氧效应的影响:•照射前引入氧，表现出氧效应•照射后引入氧，无效•氧效应生物学意义：•许多实体瘤细胞是乏氧的，因而对放射治疗有抗性，应用高压氧舱可以提高肿瘤细胞的氧合量，或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂可以增加射线对肿瘤细胞的杀伤能力。4、靶学说和靶分子•靶学说的要点是从生物物理学的角度，认为某些分子或细胞内的敏感结构（靶）被电离粒子击中而引致生物效应的发生。靶学说指出了最终生物效应与原初生物物理变化存在确切的相依关系。虽然有多种靶学说，表述不是严格统一，但都具有以下基本点：•（1）生物结构内存在着对辐射敏感的部分，称为“靶”，其损伤将引起某种生物效应；•（2）电离辐射以粒子簇的形式撞击靶区，击中概率遵循泊松分布；•（3）单次或多次击中靶区可产生某种放射生物效应，如生物大分子失活或断裂。•用靶学说的公式推算一些蛋白质、核酸、酶等生物大分子的分子量，所得结果与采用其它方法测得者较为吻合。但靶学说有很大的局限性，它所提出的条件和假定的情况与生物结构中的真实情况相比，过于简单和机械化，其适用范围受到限制。•单击模型：生物大分子或细胞的敏感靶区被电离粒子击中一次即足以引起生物大分子的失活或细胞的死亡，这就是所谓的单击效应。•多击模型：有的生物分子和多数细胞的剂量存活曲线不呈指数下降，被认为其靶区需要受到二次或二次以上的击中才会失活，这就是多击效应。二、电离辐射损伤的分子生物学基础1、辐射所致DNA损伤•DNA是电离辐射的重要的靶分子之一。电离辐射对DNA结构的影响比较复杂，其辐射分解产物也是多种多样。从碱基损伤到糖基破坏，所导致的后果是：DNA断裂链，DNA交联及整个或部分高级结构的变化，最终影响其生物学功能。•链断裂是电离辐射所致DNA损伤中较常见的重要形式。•单链断裂：DNA双螺旋结构中一条链断裂；•双链断裂：两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂。•DNA链间交联：DNA双螺旋结构中一条链上的碱基与其互补链上的碱基以共价键结合；•DNA链内交联：DNA分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结合；•DNA－蛋白质交联：DNA与蛋白质以共价键结合。2、辐射引起的DNA功能与代谢变化•电离辐射引起DNA结构的各种损伤之后，这些结构的损伤必将引起DNA功能改变与代谢变化。•辐射对噬菌体DNA感染性的灭活作用•辐射对DNA转化活力的影响•辐射对DNA生物合成的抑制作用与机制•辐射对DNA降解过程的作用3、染色体的辐射生物效应•染色体是遗传物质的重要载体，主要由DAN和蛋白质组成，在细胞分裂时，用碱性材料染成丝状或棒状的小体。•人的体细胞对辐射损伤是十分敏感的，即使剂量低于0.01Gy，也能观察到染色体的畸变，所以在辐射防护中，染色体畸变率可以作为生物剂量计。4、辐射对蛋白质和酶的作用•造成蛋白质功能的改变•造成蛋白质生物合成下降•蛋白质的分解代谢增强三、放射损伤的影响因素1、与辐射有关的因素•(1)辐射的种类：电离密度和穿透能力•(2)辐射剂量：一般情况存在剂量效应关系（非线性）•(3)辐射的剂量率：单位时间接受的照射剂量•(4)分次照射：效应低于一次照射•(5)照射部位不同敏感性：腹部盆腔头颈胸部四肢•(6)照射面积：照射面积越大，效应越显著•(7)照射方式：内照射、外照射（单向或多向）、混合照射2、与机体有关的因素•（1）种系的放射敏感性•种系演化越高，机体组织结构越复杂，放射敏感性越高•（2）个体发育的放射敏感性•敏感性随个体发育过程而逐渐降低•（3）不同器官、组织和细胞的放射敏感性•Bergonie和Tribondeau定律（后面）•（4）亚细胞和分子水平的放射敏感性•细胞核的敏感性高于胞浆•DNAmRNArRNAtRNA蛋白质•一种组织的放射