3. A sugárzások biológiai hatásai
3.1. Az ionizáló sugárzások és a biológiai rendszerek
3.1.1. A radioaktív sugárzások fizikai dózisai, dózisfogalmak, dózisegységek
Sok, nagy energiájú részecske makroszkopikus méretű anyagra gyakorolt kollektív hatását a dózissal jellemezhetjük. A dózis a besugárzás mértéke. Fizikai szempontból több, a do-zimetria szempontjából más és más paramétert figyelembe vevő dózist definiálhatunk.
Az abszorbeált dózis a sugárzásból egy lokális dm tömegelem által abszorbeált dE energia és az azt abszorbeáló tömeg aránya
dm Dabs dE . Az abszorbeált dózis egysége az 1 gray1 (Gy):
kg Gy 1 J
1 . Korábban használatos egy-sége volt a rad (a röntgen absorbed dose kezdőbetűiből), 100 rad=1 Gy.
Tekintettel arra, hogy az energiaabszorpcióért felelő folyamatok függenek az abszor-beáló anyag minőségétől, azonos sugárzási intenzitáshoz különböző anyagoknál más és más abszorbeált dózis tartozik. Ezért az abszorbeált dózisnál mindig meg kell adni az el-nyelő anyagot.
Az iondózis a levegő dm tömegeleme besugárzásakor keltett ionok egyik előjel szerin-ti dQ töltésének aránya a tömegelemhez.
dm I dQ.
Az iondózis egysége a (Cb/kg). Korábban széles körben használták a röntgen (R) egy-séget. Annak a sugárzásnak 1 R az iondózisa, amely 1 cm3 normál állapotú száraz levegő-ben (ρ=1,293 g/cm3) éppen 3,3362.10–10 Cb2 töltést hoz létre az egyik előjelre vonatkoztat-va. Ez 2,082.109 ionpár/cm3-t jelent. (A hivatalos átszámítási faktor: 1 R=2,58.10–4 Cb/kg.)
A dózisteljesítmény az egységnyi időre eső dózis. Az abszorbeált dózisteljesítmény egysége a [W/kg], vagy a [Gy/s]. A dózisteljesítménynek a sugárvédelmi gyakorlatban legtöbbször használt egysége a [μGy/h]. Az iondózis-teljesítmény egysége az [A/kg].
A lineáris energiatranszfer (linear energy transfer – LET) annak a mértéke, hogy a részecske által leadott energia hogyan oszlik meg az abszorbeáló anyagban. A LET azt adja meg, hogy az abszorbeált dózis a töltött részecske pályája menti előre megadott r su-garú térfogatban mekkora értéket vesz fel. Ez a mennyiség fontos abból a szempontból, hogy értékelhessük, hogy milyen sugárhatások érik az anyag egy kiválasztott térfogatát.
m
A LET-értékében csak az ütközésből származó folyamatok vannak benne, azok közül is csak azok, amelyek nem vezetnek nagy hatótávolságot befutó másodlagos részecskékre.
A LET-értékében eleve nincsenek benne a sugárzásból származó energiaveszteségek. A
1 Az egység nevével Louis Harold Gray (1905–1965) brit fizikusra emlékeznek. Gray az ionizáló sugárzások biológiai hatásaival foglalkozott és a radiobiológia megteremtője volt. Ő vezette be a később róla elnevezett dózisegységet.
2 Ez a régebben használt elektrosztatikus töltésegységgel egyenlő.
LET a legtöbbször az ionizációs energialeadási sűrűséggel van kapcsolatban. Ha az r érté-két végtelennek tekintjük, akkor a lineáris energiatranszfer megegyezik a fajlagos energia-veszteséggel. – Ez az egyetlen LET-érték, amelyet méréssel meg lehet határozni, más helyzetekben kénytelenek vagyunk becslésekre hagyatkozni.
3.1.2. A radioaktív sugárzások biológiai hatásaira vonatkozó alapfogalmak
Az eddigi bevezetett dózisfogalmak mind valamely fizikai paraméterrel voltak kapcsolat-ban. A radioaktív sugarak biológiai hatásai nagyon különbözőek lehetnek ugyanakkora abszorbeált dózis esetén. Ahhoz, hogy a biológiai következményeket jól leíró mérőszámo-kat, mennyiségeket vezethessünk be, előbb szükséges azt áttekintenünk, hogy a sugárzá-soknál az emberre nézve milyen jellegű következményekkel kell számolnunk.
A sugárvédelmi fogalmak nemzetközileg elfogadottak, azokat a még a II. világháború előtt létrehozott Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság (International Commission on Radiological Protection – ICRP) határozta meg. Ez a Bizottság csak az ionizáló sugárzá-sok elleni védekezéssel foglalkozik, így a nem ionizáló sugárzásugárzá-sok (például az ultraibolya sugárzás) hatásait nem veszi figyelembe.
A sugárvédelem vagy az egyes emberrel foglalkozik, és akkor az ő testi, vagy ún.
szomatikus károsodásának megakadályozása a cél, vagy a teljes népességre vonatkozik és akkor a szomatikus és a genetikus sugárkockázatot egyaránt figyelembe veszi. A sugárká-rosodás az összessége minden betegségnek és minden genetikai ártalomnak, amely a su-gárzások hatásaként az emberi szervezetben fellép. A besusu-gárzások vonatkozhatnak az egész testre (egésztest-besugárzások), vagy lehetnek egyes szervekre korlátozottak. A be-sugárzások következtében fellépő hatások pedig lehetnek orvosilag azonnal kimutathatóak, vagy időlegesen rejtettek, amikor a betegség klinikai jelei csak hosszú látencia után jelent-keznek.
A sugárkockázaton azt a valószínűséget értjük, amellyel egy besugárzott egyednél a károsodás meghatározott időn belül fellép. E kockázatnak a teljes népesség esetén a várha-tó károsodás felel meg. A várhavárha-tó károsodás az egyes egyedre vonatkozó, a besugárzás bekövetkezése valószínűségével súlyozott sugárkockázatnak és a népesség számának szor-zata.
A radioaktív részecskékkel való besugárzások biológiai következményei szempontjá-ból célszerű a sugárhatásokat sztochasztikus és determinisztikus, szomatikus és genetikai hatásokra felosztani.
A sztochasztikus (valószínűségi) sugárhatások azok az egészségügyi következmé-nyek, amelyeknél a hatás felléptének a valószínűsége függ a sugárhatástól, nem pedig an-nak súlyossága. Ilyen sztochasztikus sugárhatás a rákos daganatok kifejlődése és a geneti-kai hatás is. Ezeknél a besugárzási dózistól függ a károsodás felléptének valószínűsége.
Jelenlegi ismereteink szerint a káros hatás bekövetkezési valószínűségének nincsen kü-szöbértéke.
A determinisztikus (meghatározott) sugárhatásoknál olyan egészségügyi következ-ményekről van szó, amelyek felléptének súlyossága függ a sugárdózis nagyságától. Ilyen sugárhatásoknál bizonyosan létezik küszöbdózis, amely alatt klinikai következmények nem figyelhetők meg. Lényegében ilyenek az egy-egy, vagy néhány egyedet érő nagyobb besu-gárzások, amelyek sugárbaleseteknél következnek be. A determinisztikus sugárhatásokhoz tartoznak a sugárbetegség és a sugárhalál is.
A szomatikus sugárhatáson olyan jelenségeket, megbetegedéseket értünk, amelyek a ténylegesen besugárzott egyed szervezetében lépnek fel. Ezek a károsodások egyébként lehetnek determinisztikusak, és a besugárzott egyed közvetlen megbetegedésével járhat-nak, vagy sztochasztikusak is, amennyiben a besugárzott személyben a besugárzás idő-pontja után akár évtizedekkel fejlődhet ki rákos daganat, vagy léphet fel egyéb betegség.
Ebben az összefüggésben korai hatásról – kissé önkényesen – akkor beszélünk, ha az orvo-silag észlelhető károsodás a besugárzás után egy éven belül fellép. Késői hatásról az egy évnél hosszabb idő eltelte után bekövetkező szomatikus károsodás esetén beszélünk.
Genetikai sugárhatásnak a besugárzott egyed örökletes anyagában a sugárzás hatásá-ra fellépő károsodásokat nevezzük. E károsodások lehetnek olyanok, amelyek az utód ki-fejlődésének már korai szakaszában fellépnek, és megakadályozhatják az életképes utód megszületését. Lehetnek olyanok, amelyek valamilyen szomatikus, testi károsodásához vezetnek, az utód esetleg képtelen lesz további utódnemzésre. Végül lehetséges az is, hogy az utód a genetikai károsodást recesszív génként hordozza, és közvetlenül semmilyen testi hátránya nem származik a besugárzásból. A recesszív gének elterjedése azonban populá-ciógenetikai kockázatot jelent, egy későbbi utódban találkozó két recesszív gén hatása már az ő testi károsodásban fog megnyilvánulni.
A radioaktív sugarakkal való besugárzásban a besugárzott egyed teste valamilyen ab-szorbeált dózist vesz fel. A besugárzás származhat természetes forrásból vagy mesterséges radioaktivitásból, gyorsítókból vagy reaktorból származó részecskenyalábból. Az egész-test-besugárzás és a részbesugárzások az egyed testére vonatkoznak. A besugárzás szár-mazhat a testen belüli (inkorporált) sugárforrásból és külső forrásból egyaránt.
Mindezek előre bocsátása után térjünk vissza a biológiai hatásokat leíró dózisfogalom bevezetéséhez. Ennek kiindulópontja az a kísérleti tapasztalat, hogy bármely, az előbbiek-ben felosztási szempontból áttekintett sugárhatás bármely típusú sugárzással (tehát elekt-ron, α, neutron stb. és azok különböző energiájú nyalábjaival) létrehozható. Ebből követ-kezik, hogy a különböző sugárzásoknak a viszonylagos biológiai hatásossága (relative biological efficiency – RBE) különböző lehet.
Az RBE értéke definíciószerűen az ugyanazt a biológiai hatást egy meghatározott szerven létrehozó kemény γ-sugárzás dózisának az aránya a hasonló hatást létrehozó su-gárzáshoz:
D RBE Dabs, .
A gamma- és röntgensugárzások relatív biológiai hatásossága definíciószerűen 1. Ha-sonlóan 1 a β-sugarak RBE értéke is, hiszen a gamma-sugarak mindig nagy energiájú elektronokat váltanak ki az anyagban.
Vizsgálatok azt is megállapították, hogy a biológiai hatások (RBE) egyértelműen a su-gárzásnak a kiválasztott szövetben való lineáris energialeadástól, a LET-értékétől függe-nek. Széles LET-tartományban igaz, hogy a biológiai hatásosság nagyobb, ha a lineáris energialeadás nagyobb.
A biológiai hatások átlagos, sugárvédelmi szempontból áttekinthető leírására vezették be az egyenértékű dózist. Ez a szövetben abszorbeált dózisnak és a sugárzásra átlagosan jellemző minőségtényezőnek (Q – quality factornak) a szorzata és ugyanazt az értéket adja, ha a sugárbiológiai hatás ugyanaz. A minőségtényező jó közelítéssel az egyes szervekre
vonatkoztatott relatív biológiai hatásosság egész szervezetre való tömegre súlyozott átla-gának tekinthető.
Dabs
Q H .
Az egyenértékű dózis egysége a sievert,3 1 Sv=1 [J/kg]. Az egyenértékű dózis régeb-bi, de néha még mindig használt egysége a rem (röntgen equivalent man): 100 rem=1 Sv.
A Q minőségtényező értéke definíciószerűen Q=1 kemény γ-sugarakra. Ilyenkor a su-gárhatás csak másodlagos, nagy energiájú elektrontól származhat. Ezek ionizációs képes-sége pályájuk mentén alacsony. A 3.1. táblázat a Q minőségfaktort mutatja néhány sugár-zástípusra.
Az egyenértékű dózis általában jól alkalmazható egyszerű sugárvédelmi becsléseknél, a gyakorlatban felmerülő feladatok megoldásánál. Mégis nyilvánvaló, hogy meghatározása kevéssé pontos, igényes megközelítésnél nem alkalmazható. Ennek a fő oka az, hogy az egyes emberi szervekben ugyanarra a besugárzásra különbözik a relatív biológiai hatásos-ság, így az átlagolások elvileg sem vezethetnek jó eredményekre.
A modern sugárbiológia az embert érő besugárzásoknál az effektív dózis fogalmát al-kalmazza. Az egyes szervekre vonatkozó biológiai részdózis megegyezik az egyes szerve-ket ért abszorbeált dózisoknak a szervet érő sugárzási komponensekre vonatkozó relatív biológiai hatásossággal súlyozott összegével:
Ez a kifejezés figyelembe veszi, hogy különböző tulajdonságú sugárzások egyszerre érhetik a szervet. A Dszerv, sugárzás a kijelölt szervet érő valamely sugárzás abszorbeált dózi-sa, a wsugárzás jelű mennyiség a sugárzás biológiai hatásosságát adja meg (3.4. táblázat Q faktora).
Sugárzás Energiatartomány Minőségfaktor (Q)
röntgensugarak, γ-sugarak általában 1
e-, e+, müon általában 1
α-részek, nehézionok általában 20
3.1. táblázat: A Q minőségfaktor néhány sugárzástípusra
Az effektív dózis meghatározásához az egyes szervekhez tartozó veszélyeztetettségi súlyfaktort határoztak meg olyan epidemiológiai vizsgálatokkal, amelyekben férfiakra és nőkre, valamint az összes korcsoportra átlagoltak. Az egésztest-besugárzás effektív
3 A biológiai dózis elnevezésével Rolf Sievert (1896–1966) svéd orvosi fizikusra emlékezünk. Sievert a radiobiológia területén ért el kiemelkedő eredményeket.
sának meghatározásához az összesen 12 releváns szervre képezett biológiai részdózisok megadott wszerv dimenzió nélküli súlyfaktorokkal súlyozott összeget képezik. A veszélyez-tetettségi súlyfaktorokat a 3.2. táblázat mutatja be. Így az effektív dózis:
Ez a mennyiség már jól írja le a különböző összetett sugárzások hatásait. Az effektív dózis egysége a Sv.
Szerv, szövet WSZERV ÉRTÉKEI
ivarmirigyek (pete, here) 0,20
csontvelő 0,12
ezeken kívüli együtt: 0,05
Összesen 1,00
3.2. táblázat: Az effektív dózis (3.1) definíciójában szereplő tizenkét szerv és a rájuk vonatkozó wszerv relatív veszélyeztetettségi súlyfaktorok értékei (ICRP 60 kiadvány nyomán)
Az effektív dózis ismeretének nagy előnye, hogy az egyes szervekre vonatkozó kocká-zati súlyozás miatt az összkockázat megítélését egésztest-, vagy csak résztest-besugárzásnál egyaránt lehetővé teszi. A megfelelő súlyozás miatt az olyan sugárzás, amelynek effektív dózisa ugyanaz résztest, vagy egyetlen szerv besugárzásánál, mint az egésztest-besugárzásnál, ugyanakkora rizikót jelent az egyednek. Az effektív dózissal megbecsülhető és ezért össze is hasonlítható a morbiditási, rákkeltési és genetikai kockázat is.