§ 33. Биофизическое действие ионизирующего излучения
При воздействии излучения на молекулы воды происходят различные реакции, названные радиолизом.
Воздействие излучения на молекулы органических соединений приводит к образованию ионов, радикалов, перекисей. Их взаимодействие с остальными молекулами приводит к нарушениям мембран, клеток, а, следовательно, и функций всего организма.
Общие закономерности действия ионизирующего излучения:
-
Большие нарушения при малой поглощённой дозе.
-
Действие на последующие поколения через наследственный аппарат клетки.
-
Характерен скрытый, латентный период.
-
У разных клеток разная чувствительность.
-
В первую очередь поражаются делящиеся клетки, что особенно опасно для детского организма.
-
Для взрослых также опасно для делящихся клеток.
1. Радиофармпрепараты (РФП).
РФП широко применяются в медицине. Критерии применимости:
-
Оптимальным нуклидом для РФП является тот, который позволяет
61 получить максимум информации при минимальной радиационной нагрузке на больного. Выбирается такой РФП, который быстро вводится в исследуемый орган и быстро выводится.
-
РФП должен обладать малым периодом полураспада.
-
РФП должен быть источником излучения, которое удобно для наружной регистрации.
-
Пригодность РФП определяется биологической характеристикой функций организма или органа. Избирательное поглощение, например, йода в щитовидной железе.
-
РФП не должны содержать токсических примесей или радиоактивных веществ с большими периодами полураспада.
2. Радиодиагностика – метод меченых атомов.
В организм вводят нуклиды и определяют их:
- расположение;
- скорость накопления;
- активность в органах и тканях.
Например, по показателям поглощения I
132
щитовидной железой оценивается её функциональное состояние.
-
Для обнаружения распределения радионуклидов используют гамма-
топограф – прибор, который фиксирует распределение радиоактивного препарата. Регистрация фиксируется штрихом на бумаге.
-
Более точным является метод авторадиографии. Здесь также вводятся радионуклиды. Затем на исследуемый объект наносится слой фотоэмульсии, который фиксирует радионуклиды. Снимок называется радиоавтографом.
-
Радиоизотопная ангиография – метод исследования кровеносных и лимфатических сосудов после введения в них контрастного вещества в виде
РФП.
В диагностических методах радионуклиды вводятся в малом количестве и с малым периодом полураспада. Ни они, ни продукты распада не оказывают вредного действия.
62 3. Терапевтическое действие основано на разрушающем воздействии излучения на клетки опухолей.
-
Гамма-терапия – использование
-излучения высокой энергии (Co
60
) для разрушения глубоко расположенных опухолей. Облучение проводят в разные сеансы по разным направлениям.
-
Альфа-терапия – лечебное использование -частиц. -частицы поглощаются даже небольшим слоем воздуха. Поэтому препарат используют или при контакте, или при введении внутрь с помощью иглы.
-
Применяется радоновая терапия (ванны) – для кожи; питье – для органов пищеварения; ингаляции – для органов дыхания.
-
Использование нейтронов. В ткань вводят элементы, ядра которых под действием нейтронов испускают -частицы. Облучая орган потоком нейтронов вызывают образование -частиц прямо внутри органа.
Кроме изложенного, в медицине используют ускорители заряженных частиц.
§ 34. Дозиметрия Это раздел ядерной физики, в котором изучают величины, характеризующие ионизирующее излучение, методы и приборы для их измерения.
Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от природы) оценивается по энергии, переданной веществу.
Поглощённая доза (доза излучения) – величина равная отношению энергии ∆
E,
переданной элементу облучаемого вещества, к массе этого элемента ∆
m.
mED
; [
кг
Дж
];
В СИ единицей поглощённой дозы является грэй [Гр]
1 Гр соответствует дозе излучения, при которой облучённому веществу массой 1 кг передаётся энергия излучения 1 Дж.
Есть внесистемная единица поглощённой дозы - рад.
63 1 рад = 10
-2
Гр.
Экспериментально оценить поглощённую дозу трудно. Оценку производят по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем объект – это экспозиционная доза.
Экспозиционной дозой (X) является кулон на килограмм. 1 Кл/кг соответствует экспозиционной дозе излучения, при которой в результате ионизации в 1 кг сухого воздуха (при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд равный 1 Кл каждого знака.
Единица которой пользуются на практике - рентген [Р] (внесистемная единица).
1 P=2,58 10
-4
Кл/кг;
При экспозиционной дозе 1 P в 1 см
3
сухого воздуха при нормальных условиях образуется 2 10 9
пар ионов.
Связь между D и X:
D = f·X
f - некоторый коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов. Для воды и мягких тканей f = 1, для костной - 4,5. То есть для мягких тканей 1 рад = 1 P – это удобно.
Эквивалентная
доза
(Н) используется для оценки действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Размерность та же, что и у поглощённой дозы, но название другое.
Это зиверт [Зв]. 1 Зв = 1 Дж/кг.
Внесистемная единица бэр. 1 бэр = 10
-2
Зв (Бэр – биологический эквивалент рентгена).
Между эквивалентной и поглощённой дозами связь
H = K·D;
K – коэффициент качества. K – показывает во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем фотонного, при одинаковой дозе излучения в тканях (устанавливается опытно).
Эффективная эквивалентная доза (H
эф
) – связано с тем, что
64 биологический эффект воздействия одного и того же вида излучения на разные органы различен. Вводится коэффициент риска (
b). Тогда
Hэф=
b·
H (Например, красный костный мозг
b = 0,12; костная ткань - 0,03; щитовидная железа - 0,03; молочная железа - 0,15; яичники или семенники
0,25).
Мощность дозы – доза, полученная объектом за единицу времени.
Нормы радиационной безопасности определяются предельно допустимой эквивалентной дозой за год (ПДД):
ПДД для взрослого населения 0,5 бэр/год = 5 мЗв/год;
ПДД для детей, беременных 0,17 бэр/год = 1,7 мЗв/год;
ПДД профессионалов 5 бэр/год = 50 мЗв/год.
Предельно допустимые мощности экспозиционной дозы:
Норма 0,02 мР/час = 20 мкР/час;
Профессиональная норма 0,57 мР/час = 570 мкР/час.
Летальные дозы для всего организма:
ЛД 50 = 400 Р; (смертность 50 %); ЛД 90 = 800 Р; (смертность 90 %).
Дозиметрические приборы: радиометр, рентгенометр. Первый измеряет активность или концентрацию радиоизотопов.
Второй измеряет экспозиционную дозу рентгеновского и
-излучения.
§ 35. Собственные физические поля организма человека Систематические исследования физических полей,
источником которых является организм человека, проводятся давно, а полученная информация используется в диагностических целях. Говорят о 4 разновидностях электромагнитного поля человека:
-
Низкочастотное электрическое и магнитное поле (частоты < 10 3
Гц).
-
Радиоволны СВЧ (частоты 10 9
-10 10
Гц) длина волны вне тела человека
3–60 см.
-
Инфракрасное излучение (частоты 10 14
Гц) λ 3-10 мкм.
-
Оптическое излучение (частоты 10 15
) λ 0,5 мкм.
65
В последние годы интерес к этим полям был стимулирован феноменом
«экстрасенсов» - людей, которые могли проявлять способности к диагностике скрытых заболеваний и их лечению, не прикасаясь к больным.
Получить какую – либо информацию из глубины человеческого тела можно, если:
- имеются какие-то отличия параметров больного органа от здорового
- существует способ передачи информации об этих отличиях из глубины на поверхность тела
- есть способ передачи информации за пределы тела к «экстрасенсу».
В режиме лечения, следует ожидать, что от экстрасенса исходит какое- то излучение или какие-то возмущения окружающей среды, которые доходят до пациента и оказывают то самое воздействие, которое нужно.
Наиболее общеупотребительна гипотеза о существовании неизвестных науке биополей, с помощью которых, ввиду полной неопределённости этого термина, можно объяснить что угодно и как угодно. Научный путь познания состоит в том, что сначала анализируются все
существующие гипотезы и если они не подтверждаются, то необходимо изобретать что-то новое. В этом смысле естественной альтернативой биополям являются физические поля биообъектов.
Источниками низкочастотных электромагнитных полей являются физиологические процессы, сопровождающиеся электрической активностью органов: кишечник, сердце, мозг, нервные волокна. Спектр частот не превосходит 1 кГц.
В СВЧ и ИК диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение.
Оптическое излучение тела человека надёжно регистрируется. 1 см
2
кожи человека за 1 с спонтанно излучает 6–60 квантов в сине – зелёной области спектра. Наиболее сильное излучение исходит от кончиков пальцев, и зависит от состояния пациента. Это свечение можно усилить предварительной засветкой – 254 нм. Это пик поглощения ДНК. Свечение
66 при этом усиливается в тысячи раз. Затем оно спадает за минуты – десятки минут. Наиболее вероятный механизм это хемилюминесценция, вызванная перекисным окислением липидов.
Эти же поля излучают и экстрасенсы. До сих пор неясен механизм переноса информации от экстрасенса к пациенту.
В целом, имеющиеся в настоящее время данные по физическим полям и по механизмам чувствительности его рецепторных систем не позволяют дать последовательного физического описания проблемы экстрасенсорного воздействия. Возможно, такое воздействие – это некая разновидность психотерапии.
§ 36. Акустические поля человека
Поверхность человеческого тела непрерывно колеблется. Эти колебания несут информацию о многих процессах внутри организма.
Низкочастотные механические колебания дают информацию о работе лёгких, сердца, нервной системы (фонокардиограмма).
1. Кохлеарная акустическая эмиссия. Из уха животных и человека могут излучаться звуки – это явление называют кохлеарной акустической эмиссией. Их источник локализован в улитке органа слуха. Звуки можно зарегистрировать, расположив микрофон в ушном канале. Есть несколько видов кохлеарной эмиссии, среди которых выделяется спонтанная эмиссия и акустическое эхо. Уровень звукового давления достигает 20 ДБ. Частоты от
0,5 до 5 кГц. Эмиссия наблюдается в среднем у 25 % мужчин и у 50 % женщин («звон в ушах» - субъективное ощущение нервного происхождения).
Медицинское применение из всех видов кохлеарной эмиссии нашло пока только акустическое эхо – это излучение звуков из уха спустя некоторое время после подачи в ухо короткого звукового сигнала. Оно используется для диагностики слуха новорождённых в первые несколько дней жизни, когда невозможно использовать обычные методы аудиометрии. Отсутствие эха является тревожным симптомом не только глухоты, но и зачастую сопряжённых с ней поражений других отделов центральной нервной
67 системы. Ранняя диагностика позволяет уже с первых дней жизни принять активные меры и в значительной степени ослабить неблагоприятные последствия этого недуга.
2. Акустическое излучение УЗ диапазона.
Из глубины человеческого тела с расстояний 1–10 см могут дойти только тепловые ультразвуковые волны с частотами 0,5–10 МГц. Их интенсивность пропорциональна температуре.
Есть прибор
– акустотермометр.
Областью применения
акустотермографии стало измерение глубинной температуры в онкологии при процедурах, связанных с нагревом опухолей в глубине тела
(УВЧ,
СВЧ,
УЗ, лазер).
Акустотермография – единственный неинвазивный метод, способный обеспечить высокое пространственное разрешение за малое время измерения
(порядка 1 мин.). Физические поля человека в настоящее время один из разделов медицинской физики. Наиболее важное его приложение – это исследование состояния различных органов человека с помощью пассивной регистрации электромагнитного или акустического излучения непосредственно этого органа, либо каких–то других участков тела, связанных с исследуемым органом нервными или гуморальными связями.
§ 37. Физические процессы в мембранах
Изучение структуры и функционирования биологических мембран имеет важное значение для медицины, так как многие патологические процессы в клетке связаны с нарушением функций мембран. Их площадь огромна. Площади достаточно для обеспечения многочисленных процессов, протекающих на мембранах, обеспечивающих жизнеспособность человека.
Общая площадь мембраны в органах человека - десятки тысяч квадратных метров.
1. Функции мембран:
-
Механическое разделение.
-
Транспортная функция.
-
Селективный барьер.
68
-
Рецепция (распознавание).
-
Распространение нервного импульса.
-
Матричная, для удержания белков, ферментов.
Основу мембраны составляет двойной фосфолипидный слой. Липиды
(вещества на основе жирных кислот) состоят из полярной головы и двух неполярных углеводородных хвостов. Головы – гидрофильны (притягивают молекулы воды). Хвосты – гидрофобны (не взаимодействуют с водой).
Хвосты обращены внутрь бимолекулярного слоя
(рис. 33).
Гидрофильные головы взаимодействуют с внешними белковыми слоями и молекулами воды вне и внутри клетки.
Липиды и белки в бислое могут перемещаться достаточно быстро внутри слоя вдоль плоскости мембраны (Латеральная диффузия) и очень медленно между двумя монослоями поперёк мембраны. На одну молекулу белка приходится 70-90 молекул липидов.
75-80 % поверхности мембраны покрывают белковые молекулы
(липопротеиды), которые придают ей эластичность и устойчивость к механическим повреждениям. Этот слой играет также роль носителя электрического заряда.
Интегральные белки
– они ответственны за избирательную проницаемость клеточной мембраны. Их диаметр 0,35-0,8 нм. Их количество невелико (в эритроцитах площадь этих каналов составляет всего 0,06 %).
Некоторые из этих белков функционируют как ионные насосы (на рис. 33. обозначены к) и регулируют электрохимическую систему возбуждения клетки. Стенки каналов обладают электрическим зарядом.
2. Модели мембран.
На моделях мембран изучают их свойства.
Рис. 33.
69
Рис. 34. Монослой (рис. 34 а). Молекулы фосфолипидов помещены на границу раздела вода – воздух. Пока
молекул немного они располагаются на поверхности, прильнув головами к воде.
Плоский бислой (рис. 34 б). Если в водном растворе липидных молекул много, то эти молекулы собираются так, чтобы гидрофобные хвосты были закрыты от воды. Такая модель позволяет изучать ионную проницаемость, генерацию электрического потенциала на мембране.
Липосомы. Липидные бислои, имея большую протяжённость, стремятся замкнуться сами на себя. При этом образуются фосфолипидные везикулы (пузыри) – липосомы (рис. 34 в).
Липосома практически лишена белков. В медицине липосомы используют для доставки лекарственных средств в определённые органы и ткани, приготавливая их в среде содержащей нужное вещество. Так готовят кремы, мази в дерматологии и косметологии.
3. Физические свойства мембран.
Плотность ρ = 800 кг/м
3
; Толщина 4-13 нм; Прочность: максимальная деформация составляет 0,01 %; Внутреннее давление в клетке не более
100 Па. Модуль упругости 0,45 Па; вязкость 30-100 мПа (как у растительного масла).
Поверхностное натяжение
0,03-3 мН·м
-1
; коэффициент проницаемости 25-30 10
-4
см/с. Электроёмкость 1 см
2
0,5–1,3 мкФ; напряжённость поля 20 10 6
В/м; диэлектрическая проницаемость ε = 2,0- 2,2 для фосфолипидной области; ε = 10-20 для гидрофильной области.
Электрическое сопротивление 1 см
2
10 2
-10 5
Ом (это в десятки миллионов
70 раз больше сопротивления внеклеточной жидкости или цитоплазмы);
Показатель преломления
n
=
1,55;
Состояние мембраны
– жидкокристаллическое.
4. Перенос молекул через мембраны.
Перенос осуществляется диффузией и описывается уравнением Фика
(уравнение диффузии):
S
dx
d
D
m
или
dx
dc
D
J
;
dx
d
- градиент плотности;
S
Ф
J
- плотность потока вещества;
dx
dc /
- градиент концентрации.
t
m
Ф
;
5. Перенос ионов. Перенос происходит под действием электрического поля. Сила со стороны поля f
0
=qE; q=Ze (Z-валентность);
dx
d
E
; Тогда
dx
d
Ze
f
0
; Сила на один моль
dx
d
ZF
dx
d
ZeN
N
f
f
A
A
0
;
A
eN
F
- постоянная Фарадея.
f
U
m
,
m
U - подвижность иона;
- средняя скорость, в которой учитываются силы сопротивления.
dx
d
F
ZU
m
Найдём поток вещества, переносимый ионами, через элемент площади
S. Выделим в электролите цилиндр. Объём его
t
S
V
; За время t все ионы, находящиеся в цилиндре пройдут через площадку S. Тогда
t
cS
cV
m
;
cS
t
m
Ф
или;
dx
d
ZF
cU
c
S
cS
S
Ф
J
m
71
В общем случае перенос частиц связан и с концентрацией и с действием электрического поля.
dxdZFcUdxdcDJm
Это уравнение Нернста – Планка (электродиффузионное уравнение).
Скачать 4.42 Mb.