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1 放射防护的物理学基础 与生物学基础 南昌大学公共卫生学院 范广勤

2 内容 CONTENT 一 放射防护的物理学基础 二 放射防护的生物学基础 射线产生 物理基础 辐射计量 物理基础 放射损伤 生物基础 PART ONE PART ONE PART TWO PART TWO PART THREE PART THREE

3 射线产生 PART ONE

4 PART ONE 选题背景 原子结构 原子 原子核 核外电子 中子质子电子数电子排布

5 相同 不同 同位素 1 H, 2 H, 3 H 相同 元素 质子数 中子数 能量状态 原子核 均相同 核素 123 I, 3 H, 226 Ra 相同 不同 同质异能素 99m Tc, 99 Tc

6 PART ONE 选题背景 原子核的特点 体积极小, 质量却大 能量极大, 却很稳定

7 核裂变 核聚变 核衰变

8 稳定性核素与放射性核素 人类已经发行近 3000 种核素, 其中天然核素 330 多种, 人工合成约 2600 种, 有近 300 种核素是稳定的, 其余都是不稳定核素 稳定性核素当核内质子和中子数比例维系在 1:(1~1.5) 时, 核力与静电斥力基本平衡, 原子核处于稳定状态 处于稳定状态的核素称为 ~ 放射性核素当核内质子和中子数比例不当, 或核子数过多时引起核力过弱, 原子核处于不稳定状态而产生质子和中子之间相互转化或释放一部分核子 释出具有一定能量粒子 ( 放射线 ) 的核素称为 ~ 稳定的核素 衰变 不稳定的核素

9 天然放射性核素与人工放射性核素 天然放射性核素 是自然界天然存在的, 大多属于由重元素组成的三个放射系 ( 即钍系 铀系和锕系 ) 此外, 还存在一些非系列的天然放射性核素, 例如 3 H, 14 C, 40 K, 138 La, 176 Lu 等 半衰期一般较长 人工放射性核素 是指通过反应堆和加速器等人工手段生产出来的一类放射性核素 例如 18 F 60 Co 137 Cs 125 I 131 I 等 半衰期一般较短

10 PART TWO 论文结构 核衰变与放射性 核衰变 : 是原子核自发射出某种粒子而变为另一种原子核的过程 放射性 : 是原子核自发地发射各种粒子 ( 射线 ) 的行为 核衰变类型 α 衰变 β 衰变 γ 衰变 β - 衰变 β + 衰变

11 PART TWO 论文结构 α 衰变 原因 : 核子数过多, 原子核内要释放 2 个质子和 2 个中子组成的氦核 He 见于 : 主要发生在原子序数 >82 的重 元素的核素 特点 : 速度每秒可达两万公里, 带正 电荷, 具有最强的电离作用, 穿透本领很 小, 在云室中留下粗而短的径迹

12 PART TWO 论文结构 β 衰变 原因 : 核内中子转化为质子, 释放负电子 见于 : 主要发生在中子相对过多的核素 特点 : 释出的高能量电子, 其速度可达至光速的 90%, 电离作用较弱, 穿透本领较强, 云室中的径迹细而长 β + 衰变 原因 : 核内由质子转化为中子, 释放正电子 见于 : 主要发生在中子数相对不足的核素

13 PART TWO 论文结构 γ 衰变 原因 : 原子核从不稳定的高能状态跃迁到稳定或较稳定的低能状态, 核内多余能量以电磁辐射 (γ 光子 ) 形式释放 见于 : 通常在发生 α 衰变或 β 衰变时, 所生成的核处于不稳定的较高能态 ( 激发态 ), 在转化到处于稳定的最低能态 ( 基态 ) 过程中 特点 :γ 射线是波长很短的电磁波 电离作用最弱, 穿透本领最强, 云室中不留痕迹

14 PART TWO 论文结构 X 射线 原因 : 原子中的电子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流 见于 : 当高速移动的电子撞击任何形态的物质时 ; 高能电子与物质相互作用时

15 电离辐射

16 PART FIVE 主要结论 1 具有穿透力 2 视觉不能感知 3 遇到某些物质可能发光 电离辐射 4 释放能量 5 能使被照物质电离或激发

17 各种射线的穿透能力不同

18 PART TWO 论文结构 放射诊断 穿透性 感光效应 放射治疗 穿透性 生物效应 放射防护 穿透性 生物效应

19 医用放射 X 线

20 医用电子直线加速器

21 工业探伤

22 工业探伤

23 辐射计量 PART TWO

24 PART ONE 选题背景 吸收剂量与吸收剂量率 吸收剂量 D 单位质量受辐射物质所吸收的平均辐射能量 表达式为 :D=dε/dm dε 电离辐射授予某一体积元中的物质的平均能量 dm 在这个体积元中的物质的质量 单位是 J/Kg, 专有符合 Gy 适用范围任何类型的辐射和受辐射物质 在给出吸收剂量数值时, 必须指明确辐射类型 介质种类和所在位置 吸收剂量率 单位时间内的吸收剂量 表达式为 :D=dD/dt 单位是 Gy/s

25 PART THREE 研究方法 辐射权重因子 辐射类型 1990 年推荐值 2007 年推荐值 光子 (x γ 射线 ) 1 1 电子和 μ 介子 1 1 质子和带电 π 介子 5( 没有 π 介子 ) 2 α 粒子 重离子裂变碎片 中子 依中子能量分 5 个区间, 分别为 能量 En 的连续函数

26 当量剂量与剂量当量 当量剂量 H T.R 人体某一组织器官吸收剂量与辐射权重因数 (W R ) 的乘积 表达式为 :H T,R =D T,R * W R 组织或器官 T 接受来自 R 类辐射的平均吸收剂量 D T,R W R 单位是 J/Kg, 专有符合 Sv R 类辐射的辐射权重因数 剂量当量 H r.r 人体某一组织器官中某点处的吸收剂量与辐射品质因数 ( Q ) 的乘积 表达式为 :H r.r =D*Q*N D 该点处的吸收剂量 ;Q 辐射的品质因数 (Q 值与 W R 相同 ) N 其他修正因数 单位是 J/Kg, 专有符合 Sv

27 PART THREE 研究方法 组织权重因子 组织或器官 1990 年推荐值 2007 年推荐值 红骨髓 结肠 肺 喂 乳腺 其余组织 0.05( 只规定 10 个组织进行计算 ) 0.12( 分男女各取 13 个组织 ) 性腺 膀胱 食道 肝 甲状腺 骨表面 脑 唾液腺 皮肤 肾上腺 胸外区 胆囊 心脏 肾 淋巴结 肌肉 口腔黏膜 胰腺 前列腺 ( 男 ) 小肠 脾 胸腺 子宫和宫颈 ( 女 )

28 有效剂量 有效剂量 体内所有组织器官加权后的当量剂量 表达式为 : H T,R W R 单位是 J/Kg, 专有符合 Gy 组织或器官剂量当量 R 类辐射的辐射权重因数 淘汰的剂量单位 吸收剂量 : 拉得 (rad) 1rad=1cGy 有效剂量 : 蕾姆 (rem)1rem=1csv

29 辐射源 体内 体外 发射 吸收剂量 D T (Gy) 器官 辐射权重 因子 W R 当量剂量 H T (Sv) 器官 组织权重因子 W T 并求和 有效剂量 E(Sv) 常用辐射量间的关系

30 辐射监测实用量 用于个人监测的实用量 用于环境监测的实用量

31 用于个人监测的实用量 个人剂量当量 Hp(d) 指人体某一指定点下面适当深度 d 处软组织的剂量当量, 单位 J/Kg, 专用名称 Sv 对弱贯穿辐射 ( 能量 <15keV), 以 0.07mm 3mm 对应皮肤和眼晶体的深度, 记作 Hp(0.07) 和 Hp(3) 对强贯穿辐射 ( 能量 >15keV), 以 10mm 对应的深度, 记作 Hp(10). Hp(d) 可以通过佩戴在身体表面由不同厚度组织等效材料覆盖的探测器进行测量

32 热释光个人剂量计

33 用于环境监测的实用量 周围剂量当量 H*(d) ICRU 球内部逆向齐向场半径的某一深度 d 处的剂量当量, 单位 J/Kg, 专用名称 Sv 主要用于强贯穿辐射的监测, 记作 H*(10) 合理近似有效剂量 E 定向剂量当量 H (d,ω) ICRU 球内部指定方向 Ω 的半径的某一深度 d 处的剂量当量, 单位 J/Kg, 专用名称 Sv 主要用于弱贯穿辐射的监测, 以 H*(0.07,Ω) 合理近似皮肤当量剂量, 以 H*(3,Ω) 合理近似眼晶体当量剂量

34 放射性度量 放射性活度 A 表示放射性核素每秒钟发生衰变的原子个数 单位贝可 (Bq),1 Bq=1 次衰变 / 秒 放射性活度 A 不属于剂量学量, 与 Gy Sv 之间没有必然联系, 不可混淆 在使用放射性核素的工作中, 由于衰变的原因, 常要依据衰变规律公式进行活度校正 A t =A 0 e 0.693t/ T 1/ 2 A t 为现在的核素放射性活度,A 0 为原来的 ( 初始的 ) 放射性活度,T 1/ 2 是该核素的物理半衰期,t 为衰变间隔的时间

35 生物效应 PART THREE

36 PART SIX 参考文献 电离辐射的生物学效应 概念 : 电离辐射作用机体后, 其能量传递于机体的分子 细胞 组织或器官所造成的形态结构和功能的变化 机制 : 电离辐射使生物活性分子电离和激发 方式 : 直接作用电离辐射直接作用于核酸 蛋白质 脂质等生物大分子产生结构损伤 间接作用电离辐射通过与水分子作用, 产生自由基等间接物质使生物大分子受到损害

37 PART THREE 研究方法 效应发生的物理阶段 秒 : 电离辐射作用于细胞中的生物大分子和水, 辐射能量的沉积引起水分子 无机和有机组分形成激发态和超级态, 或发生电离一个 10μm 直径的细胞, 每吸收 1Gy 的照射剂量将发生超过 10 5 次电离 光子能量超过 124eV, 就会发生电离 ~10-12 秒 : 发生能量的迁移和转移, 电离辐射产生的 活泼基团与正常代谢产物的自由基和酶发生反应, 产生异 常产物

38 带电粒子与物质的相互作用 α 粒子 + 靶原子 静电作用 正离子 + 电子 +α 粒子 电离辐射与物质的相互作用

39 X γ 射线与物质的相互作用 电离辐射与物质的相互作用 光电效应 康普顿效应 电子对生成

40 效应发生的化学阶段 ~10-3 秒 : 核酸的损伤开始, 酶的激活或灭活, 细胞内巯基含量开始下降, 脂质过氧化开始, 因辐射损伤而产生的稳定和亚稳定的异常产物的毒性开始出现

41 DNA 分子碱基的破坏或脱落 DNA 链断裂 : 是辐射损伤的主要形式 单链断裂 : 可以实现无差错修复 双链断裂 : 难以修复 磷酸基损伤 DNA 交联

42 蛋白质侧链改变, 氢键和二硫键断裂, 导致空间结构改变

43 直接 : 脂肪 磷脂和类固醇分子化学键断裂等 间接 : 细胞膜脂质过氧化, 细胞蛋白质氧化 结构变化 糖分子链断裂和失活等

44 效应发生的生物化学阶段 10-3 ~10 1 秒 : 许多正常生化反应开始受到干扰 DNA 开始修复, 如果错误修复事件发生在 DNA 的重要部位, 则可能对细胞产生长期影响, 并能导致细胞增殖死亡或者在存活细胞中引起稳定的遗传变化或最终导致恶性肿瘤的转化

45 早期生物学效应阶段 数小时至数天 : 重要生物大分子的损伤, 能量供应发生紊乱 ; 生物合成前体供应不足, 许多重要生化反应受到干扰 ; 细胞质膜和核膜被破坏 ; 细胞的辐射生物效应开始出现

46 电离辐射 DNA 损伤的细胞反应 电离辐射 DNA 损伤识别 细胞反应 激活存活反应网络 DNA 修复 细胞周期阻滞 不可修复损伤 正确修复 错误修复 无修复 激活凋亡通路 突变 染色体畸变 细胞结果 细胞存活 细胞恶性转化 细胞死亡

47 远期生物学效应阶段 数月至数十年 : 生物大分子损伤的异常修复或不修复, 物质代谢紊乱进一步发展, 生理功能障碍导致组织或器官的一系列病理变化, 甚至死亡

48 电离辐射的损伤效应 分子水平细胞水平临床表现 体细胞 功能障碍 细胞死亡 生殖细胞 不孕 确定性效应多细胞死亡导致 DNA 损伤 体细胞 肿瘤 细胞变异 生殖细胞 遗传效应 随机性效应单一细胞变异导致

49 电离辐射效应的时间标尺

50 电离辐射的生物效应类型 按效应的严重 按效应出现的 按效应发生的 按剂量 - 效应 程度 时间 个体 关系 变化 近期效应 躯体效应 确定性效应 损伤 远期效应 遗传效应 随机性效应 损害 危害

51 变化 : 辐射照射引起的轻微改变, 可能有害, 可能无害 损伤 : 辐射照射引起的某种程度的有害变化, 人感受不到 损害 : 辐射照射引起的临床上可观察到的有害效应 危害 : 辐射照射不仅有害于个人, 而且有害于群体及后代

52 近期效应 : 指受辐射数小时至几周内出现的效应 可分为急性效应和慢性效应 主要发生于核事故或核武器袭击的受害者, 或较长时间内受到超过剂量限值的辐射引起的全身慢性损伤 例如, 急性放射病 急性皮肤放射损伤 慢性放射病和慢性皮肤放射损伤等 远期效应 : 指受辐射后数月至数年乃至数十年后才发生的效应 包括躯体晚期效应和遗传效应 例如, 辐射致癌 辐射致白内障 辐射性遗传效应等

53 躯体效应 : 指出现在受辐射者本身的效应 可分为全身效应和局部效应 主要发生体细胞损伤所致 遗传效应 : 指出现在受辐射者后代的有害效应 主要发生生殖细胞损伤所致 生殖细胞非致死辐射损伤遗传至下一代, 致子代变异及畸形

54 确定性效应 : 指辐射引发的某种健康效应存在剂量阈值, 效应的严 重程度与剂量有关 发生的基础是细胞死亡所致 指除了癌症 遗传和突 变以外的所有躯体效应和不孕症等 例如, 皮肤红斑 辐射后白细胞减少 白内障等 随机性效应 : 指辐射引发效应不存在剂量阈值, 发生几率与剂量成 正比, 严重程度与剂量无关 发生的基础是单一细胞损伤, 修复变异所致 例如, 辐射致癌 辐射性遗传效应等

55 成人睾丸 卵巢 眼晶体和骨髓的确定性效应阈剂量的估计值 (ICRP,1990) 器官 / 组织 确定性效应 在单次短时间受到的总剂量 Sv 在多次或迁延照射的总剂量 Sv 多年中每次或多次获迁延的年剂量 Sv 睾丸 暂时不育 0.15 NA 0.4 永久不育 3.5~6.0 NA 2.0 卵巢不育 2.6~ >0.2 晶体 可检出浑浊 0.5~2.0 5 >0.1 白内障 5.0 >8 >0.15 骨髓造血功能低下 0.5 NA >0.4 NA(Not Applicable) 不适用 因为该阈剂量取决于剂量率, 而不取决于总剂量

56 器官或组织避免确定性效应的阈剂量 器官和组织 确定性效应 阈剂量,Gy 全身 呕吐 0.5 骨髓 死亡 1.0 皮肤 一时性红斑和暂时性脱毛 3.0 肺脏 肺炎 5 肺脏 死亡 10 甲状腺功能紊乱, 粘液性水肿和破坏 10

57 人类受低 LET 全身均匀急性照射诱发综合征和死亡的剂量范围 (ICRP-60,1991a) 全身吸收剂量 Gy 造成死亡的主要效应 辐射照后时间 d 3~5 骨髓损伤 30~60 5~15 胃肠道及肺损伤 10~20 >15 神经系统损伤 1~5

58 皮肤确定性效应 急性效应 红斑 干性脱屑 湿性脱屑 : 基底细胞受损 急性溃疡 : 成纤维细胞 血管内皮细胞间期死亡 急性上皮坏死 : 大量能量 0.2MeV 的 β 粒子导致基底细胞间期死亡 晚发效应 30~40Gy 急性照射 5 年后发生, 皮肤硬化 萎缩, 血管损伤

59 1996 年伊朗 GILAN 放射事故 时间 1996 年 7 月 24 日 放射源 Ir 192,185GBq(2Ci) 受照剂量 生物剂量 : 全身 3~4Gy 物理剂量 : 全身 2Gy 局部 10~40Gy

60 受照后 5 天 受照后 11 天 铱 -192 源镶嵌在一个钢笔大小的源座中供工业射线照相用, 它被放置在这名工作人员的外衣口袋中约 2 个小时

61 受照后 21 天 热扫描成像 注 : 白色为银色软膏

62 事故后 25 天 事故后 35 天 治疗过程 事故后 85 天

63 事故 14 月后 事故 16 月后 事故 16 月后 整体情况

64 遗传效应是电离辐射的随机性效应 胚胎或胎儿宫腔内受辐射照射 胚胎死亡 : 怀孕最初 2 周最敏感, 发生率高 ; 动物实验 0.1Gy 即出现 畸形 : 器官成型期 ( 怀孕 3~8 周 ) 受辐射照射, 0.1Gy 智力障碍 : 孕期 8~15 周为高峰, 以 0.4/Sv 比例增高 ; 16~25 周, 以 0.1/Sv 比例增高 癌变 : 主要白血病, 胎儿期受辐射照射患儿童致死性肿瘤的危险估计 /Sv

65 致癌效应是电离辐射的随机性效应 放射性肿瘤病因判断 (GBZ ) 病因概率 (PC): 当辐射所致危险用超额相对危险表示时,PC=ERR/(1+ERR) 当辐射所致危险用超额绝对危险表示时,PC=EAR/(B+EAR) ERR: 辐射所致癌症超额相对危险 ; ERR =F T K EAR: 辐射所致癌症超额绝对危险 ; EAR A =EAR E /(B A /B E ) EAR E =F(D) ERR D

66 放射科的某医生 ( 男,30 岁 ), 从 24 岁开始连续从事 X 线工作 6 年,30 岁时被医院诊断为急性 白血病, 来自职业照射患急性白血病的概率是多少? 省级具有资质的剂量检查单位提供了他外照射个人剂量档案的 6 年骨髓受到照射的记录分别是 : 7cGy 5cGy 6cGy 3cGy 3cGy 2.5cGy 年龄 ( 岁 ) 剂量 (cgy) F(D) 癌症 ERR 值及其相关参数 T (A1,Y) E (A1,S) I (A2,S) K (E/I) ERR (F T K) T(24,7)= E(24,m)= T(25,6)= E(25,m)= T(26,5)= E(26,m)= T(27,4)= E(27,m)= T(28,3)= E(28,m)= T(29,2)= E(29,m)=

67 依据 放射性肿瘤病因判断标准 (GBZ ) 获得照射因子 (F) 潜伏期修正因子 (T) 和年龄 性别 受照危险增加系数 (K), 然后计算癌症超额相对危险 (ERR), 见表 2 根据 PC=ERR/(1+ERR) 计算职业照射患急性白血病的概率 ERR( 合计 )=1.029 PC=ERR/(1+ERR)=1.029/2.029=0.507=50.7% 据此, 可判断吴医生所患急性白血病是职业性放射性肿瘤

68 男性,40~44 岁间从事铀矿下井作业 5 年,50 岁时被医院诊断为肺癌, 来自职业照射患肺癌的 概率是多少? 历年暴露量是 :8.5WLM 7.0WLM 7.2WLM 4.0WLM 4.0WLM 井下 γ 外照射年吸收剂 量 0.8cGy 癌症 ERR 值及其相关参数 年龄 ( 岁 ) WLM FcGy/6 合计诊断时间 ( 年 ) T(Y) K ERR (F T K)

69 依据 放射性肿瘤病因判断标准 (GBZ ) 获得照射因子 (F) 潜伏期修正因子 (T) 和年龄 性别 受照危险增加系数 (K), 然后计算癌症超额相对危险 (ERR), 见表 2 根据 PC=ERR/(1+ERR) 计算职业照射患肺癌的概率 ERR( 合计 )=0.356 PC=ERR/(1+ERR)=0.356/1.356=0.263=26.3% 如果该人目前吸烟 10~20 支 / 天, 由 标准 附表 3, 得知 W=0.707 则 ERR( 校正 )= =0.252,PC=0.252/1.252=0.201=20.1% 由此可见, 如果此人不吸烟的话, 他的 PC 值为 26.3%, 由于吸烟, 扣掉吸烟所致的 PC 增加, 他的 PC 值就是 20.1%

70 男性,25 岁间时甲状腺受到 25cGy 的 γ 线照射,33 岁时 ( 也就是 8 年之后 ) 被医院诊断为甲状腺 癌, 来自受照射的病因概率是多少? 年龄 ( 岁 ) 剂量 (cgy) F(D) T(8 年后诊断 ) K ERR (F T K) T= 依据 放射性肿瘤病因判断标准 (GBZ ) 获得照射因子 (F) 潜伏期修正因子 (T) 和年龄 性别 受照危险增加系数 (K), 然后计算癌症超额相对危险 (ERR), 见表 2 根据 PC=ERR/(1+ERR) 计算受照射患肺癌的病因概率 ERR( 合计 )=0.257 PC=ERR/(1+ERR)=0.257/1.257=0.204=20.4%

71 个体 辐射敏感性的差异 组织器官 细胞 年龄 : 胎儿 > 新生儿 > 婴幼儿和老年 > 少年 > 青壮年 性别 : 雄性 > 育龄雌性 生理状况 健康状况等 最敏感 : 骨髓 性腺 胃肠道上皮 淋巴组织 中度敏感 : 感觉器官 血管 上皮组织 唾液腺 肝肾肺 低度敏感 : 中枢神经系统 内分泌腺 心脏 不敏感 : 肌肉 骨 软骨组织 结缔组织 高度敏感细胞 : 淋巴细胞 造血细胞 生殖细胞 小肠隐窝上皮细胞等 中度敏感细胞 : 内皮细胞 皮肤上皮细胞 肝肾肺的上皮细胞等 低度敏感细胞 : 神经细胞 心肌细胞等 不敏感细胞 : 成纤维细胞 脂肪细胞等

72 辐射剂量与效应

73

74 PART FIVE 主要结论 正确认识 积极防护 辐射危害

75 谢谢聆听! 诚请批评指正!

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