Внутреннее облучение и его особенности

Накопление  закончится в течение двух дней после  употребления пиши или введения внутривенно. Биологическое очищение самой щитовидной железы происходит с полупериодом около 70 дней. МКРЗ рекомендует для проведения вычислений в радиационной защите консервативную величину 120 дней. Как только йод выделяется из щитовидной железы, он опять попадает в воду тела, из которой он может выделяться почками и выводиться с мочой.

МКРЗ  рекомендует принять период полувыведения  йода из воды организма равным 12 дней. Таким образом, полная "история жизни" йода протекает в две стадии и является типичной для всех радионуклидов, поглощаемых органами. Вообще поступление из крови в какой-либо орган обычно происходит быстро. Затем нуклид выделяется из органа в воду организма, откуда он быстро выводится. Кривая зависимости концентрации нуклида в моче от времени в полулогарифмическом масштабе для случая загрязнения, поглощаемого органом, показана на рис. 1. Быстрое очищение вначале идет за счет выведения фракции радионуклидов, которая не поглотилась органом и оставалась в воде организма. После выведения этой фракции в моче появляется часть, медленно поступающая из органа в воду организма. Эта концентрация в моче полностью зависит от скорости выведения из органа.

Таким образом, полулогарифмическая кривая отличается от прямой линии. В самом деле, кривая, в действительности, является суммой двух процессов, выражающихся прямыми линиями: один - для части радионуклида, остающейся в воде тела после начального поступления, и второй - для части, соответствующей медленному очищению органа (см. рис. 2). При графическом разложении на две прямые линии, в случае действительного поступления, оба периода полувыведения можно легко определить. Последний случай растворимого загрязнителя получил название поглощаемого костями. 

Рис. 2. Кривая выведения для радионуклида, поглощаемого органом с выделенными составляющими

Исторически дозиметрия внутреннего излучения  началась в 1920 г. в результате несчастных случаев с раскрасчиками циферблатов  приборов краской, содержащей радий. В промышленности для нанесения радия, в основном, использовались молодые женщины, у которых наблюдалось поступление радия в результате облизывания кончика кисточки для получения тонкого рисунка при рисовании мелких надписей. Радий накапливается в костях облученных, где альфа-излучение может привести к серьезным последствиям (разрушению тканей). Первый смертный случай наступил в 1925 г. Они умирали обычно из-за возникших вследствие облучения анемии, опухолей или рака кости. Как семейство, накапливаемые в костях радионуклиды, имеют большое время удержания после внедрения в кость. Изотопы плутония имеют период биологического полувыведения из костных тканей порядка 200 лет. Если быть до конца последовательным, то накапливающиеся в костях радионуклиды должны быть отнесены к накапливаемым в органах.

Тем не менее, чрезвычайно высокий период полувыведения в паре с обширным историческим опытом обращения с  этими изотопами привели к  их выделению в отдельную категорию. Для вычислений в целях радиационной защиты принимаются периоды полувыведения для изотопов кальция и радия 49 и 45 лет соответственно.

1.5 Практическое  применение биологического анализа

С помощью  этой методики можно осуществлять раннее определение возможного ингаляционного поступления у работников, участвующих в инциденте. Хлопковый тампон обычно смачивается спиртом и легко снимается мазок с внутренней поверхности одной ноздри. Затем процедура повторяется для другой ноздри. После отбора образцов мазков их необходимо поместить в двойной мешок и промаркировать. При размещении второго мазка отдельно от первого уменьшается возможность перекрестного загрязнения. Эта проблема относится и к переносу активности на чистый образец с грязного (или на обратную сторону грязного образца),когда весь набор контейнеров упаковывается вместе для транспортировки в лабораторию.

Очень большое значение имеет правильная маркировка мазков. Принимая во внимание беспорядок, окружающий любой инцидент, ясно, что будет невозможно впоследствии определить какой образец, где и когда брался. Основная информация, которая должна быть изложена при маркировании образцов для биоанализа следующая дата отбора, время отбора, имя пострадавшего, номер дозиметра пострадавшего, имя отбирающего, необычные обстоятельства. Другое важное правило при отборе образцов из носа - это необходимость их отбора до принятия очищающего душа - если это не приводит к дополнительному риску существенного увеличения кожной дозы загрязненного человека. При мытье в душе работник должен тщательно промывать носовые отверстия, удаляя, таким образом, любые проникшие радиоактивные загрязнения. Это приводит к потере значимой информации, которая могла бы быть использована как основание для начального лечения пострадавшего.

Анализ  мочи используется и в условиях инцидента  и при нормальной эксплуатации на многих предприятиях, как обычная  методика мониторинга, позволяющая  обеспечить хорошие результаты. Любые, попавшие внутрь загрязнения, которые  хотя бы слегка растворимы в жидкостях организма, немедленно проявятся в моче. В условиях инцидента применяются некоторые специальные правила. Если к моменту отбора анализа прошло менее 1 часа от начала инцидента, то пострадавшим предлагают вначале опорожнить мочевой пузырь, и затем отобрать первый образец, как только будет возможность. Требуется около 4 часов для того, чтобы наступил максимум концентрации· в моче после острого поступления. Если не опорожнить первоначально мочевой пузырь, то моча, присутствовавшая в пузыре до инцидента, разбавит загрязнение и таким образом анализ покажет ложно низкую концентрацию.

Анализ  мочи обычно отбирается в пропарафиненные  контейнеры или полиэтиленовые бутылки. Если при отборе анализа прошло более  часа после инцидента, то опорожнять предварительно мочевой пузырь не нужно. Важное правило состоит в том, что анализ необходимо брать после очищающего душа. Это обычно препятствует загрязнению образца от внешней активности тела, которая может попасть в него во время отбора. Такое внешнее загрязнение может легко привести к ложному диагнозу чрезвычайно высокого содержания радиоактивных веществ в теле. Если предвидится наличие трития, то отбор образцов для анализа необходимо производить в стеклянную тару.

Наконец, и носовые мазки, и отбор образцов мочи очень важно отбирать не только у потерпевших. Это позволяет произвести сравнение и разрешить проблемы, связанные с методикой отбора и используемым счетным оборудованием.

Счетные методики In Vivo. Второй основополагающий метод определения содержания радионуклидов в организме человека является счет in vivo. Это осуществляется путем помещения внешних детекторов вокруг тела для измерения излучения от поступивших внутрь радионуклидов. Более знакомые слова для описания этой процедуры - счетчик излучения человека (СИЧ). Часто только часть тела подвергается обмеру, то есть осуществляется измерение излучения щитовидной железы, легких, и т.п. В отличие от методов биологического анализа, обсужденных выше, счет in vivo работает только для тех радионуклидов, излучение которых может проникать сквозь ткани тела и регистрироваться снаружи. Практически это означает, что метод ограничен гамма-излучающими изотопами (или в некоторых случаях элементов с очень высоким Z, испускающих рентгеновское излучение после внутреннего преобразования). В основном используются сцинтилляционные или полупроводниковые счетчики с массивной защитой для уменьшения влияния фона.

В 1950-х  годах разработка твердых и жидких сцинтилляторов открыла дверь практическому  применению счетчиков in vivo. Конструктивные особенности счетчиков на твердых сцинтилляторах и счетчиков на жидком сцинтилляторе (в которых используется раствор сцинтилирующего вещества в светозащищенной емкости) привели к двум основным типам счетчиков излучения человека.

Счетчик излучения человека на жидком сцинтилляторе. Этот тип счетчика был первым в целях радиационной защиты. Первая использовавшаяся модель была изготовлена в США в 1955 г. для первой международной конференции по мирному использованию атомной энергии, которая проводилась в Женеве. В нем использовалась вертикальная емкость в виде спирального "листа" заполненная сцинтиллирующей жидкостью. Открытая сторона спирали была дверью. Емкость была защищена 10 тоннами свинца, толщиной 3 дюйма. Эффективность регистрации г-излучения была около 25%.

Современный счетчик излучения человека на жидком сцинтилляторе содержит, по крайней мере, несколько сотен галлонов сцинтиллирующей жидкости, несколько сотен фотоумножителей и несколько тонн окружающей защиты. Обычно он исполняется в виде горизонтального цилиндра с открытым торцом как показано на рис. 3. Типичная эффективность регистрации гамма-излучения в таких счетчиках находится между 15% и 30%. У этой разновидности счетчиков энергетическое разрешение достаточно плохое (около 1 МэВ). Это значит, что счетчик излучения человека на жидком сцинтилляторе не может определять конкретные радионуклиды, содержащиеся в теле. С другой стороны, высокая эффективность этих детекторов позволяет детектировать с большой чувствительностью внутреннюю активность за относительно короткий временной интервал. 

Рис. 3. Счетчик излучения человека с жидким сцинтиллятором

Счетчики  in vivo частей тела.

В практике радиационной защиты часто встречаются  случаи, когда обстоятельства облучения  достаточно хорошо известны, так что  допустимо определить содержание нуклида только в конкретном органе. Классический пример - это опять йод. В случае облучения одним из изотопов йода достаточно определить его содержание в щитовидной железе. Разработано множество специальных счетчиков и процедур для измерения содержания в органах соответствующих изотопов.

В установку  для измерения содержания 125I в щитовидной железе входит сцинтилляционный детектор с кристаллом NaI(Tl) толщиной 1 мм и диаметром 25 мм с одноканальным импульсным амплитудным анализатором, который считает только импульсы соответствующие энергиям фотонов 125I (от 22 до 40 КэВ). Выход анализатора подключен к блоку обработки. Система калибруется с использованием специального шейного фантома. Из-за малой энергии фотонов необходимо учитывать глубину расположения железы. Глубина учитывается тем, что вначале производится отсчет скорости счета от 125I прямо над железой и затем второй отсчет на 90° от предыдущего (т.е. с боковой стороны шеи). Отношение этих отсчетов используется для определения глубины расположения щитовидной железы.

Счетчики  легких могут быть полезны в условиях профессиональной деятельности, при  которых возможно вдыхание радиоактивных  загрязнений с воздухом. В установке  со сцинтилляционными счетчиками два  из них располагаются прямо над  легкими лежащего человека, в то время как два других находятся над бедрами пациента и служат для определения величины фона, который затем вычитается из показаний первых счетчиков.

Минимальная чувствительность этой системы для 235U - около 40 нКи, для 239Pu - 8 нКи и для 241Аm ? 0,3 нКи. Нормальное время счета от 20 до 40 минут на пациента. Вводится поправка на толщину стенки грудной клетки. Установка, в которой используются 6 германиевых детекторов (по три на каждое легкое), имеет минимальную чувствительность по 239Pu 2,4 нКи.

Проблемы  анализа данных. Прежде, чем оценить  поступление радионуклидов в  организм или в отдельный орган  необходимо принять во внимание несколько  факторов.

Первый - это экранирующий эффект тканей тела, находящихся между радиоактивным  веществом и детектором. Если поглощенная активность находится близко к поверхности тела, то скорость счета будет значительно больше, чем при такой же активности, но расположенной глубоко в теле. Эта проблема стоит особенно остро в связи с детектированием фотонов относительно низких энергий. Ослабление гамма-излучения вследствие фотоэффекта сильно зависит от энергии. Низкоэнергетичные фотоны сильно поглощаются тканью. Например, рентгеновское излучение 123I с энергией 28 кэВ ослабляется на 99% при прохождении 10 см мягкой ткани. Это половина толщины усредненного человека. Для учета эффекта самоэкранирования необходимо вводить поправочные коэффициенты.

Другая  проблема - это коррекция, которая  должна вводиться для необычно маленьких  или больших людей, сильно отличающихся от усредненных. Использование фантомов различных размеров, заполненных радиоактивными растворами для моделирования этих различий одно из решений этой проблемы. Коррекция на толщину стенки грудной клетки особенно важна для излучателей низкоэнергетических фотонов, осевших в легочных тканях. Другой проблемой при измерении активности легких может быть вероятность, что активность в действительности находится не в легких, а в ребрах. Для учета этого обычно проводят измерения активности лобной кости. В разумных пределах, измерение активности всего тела может также быть значимым методом более полного изучения внутренней дозы как в условиях аварийной ситуации, так и при повседневных процедурах для сохранения доз, получаемых работниками настолько низкими, насколько разумно достижимо. 

Последний принцип, который мы рассмотрим прежде чем перейдем к вычислениям, - это  концепция емкостного моделирования. Она заключается в изображении  человеческого тела в виде набора емкостей, соединяющихся трубопроводами с вентилями. Затем предполагается, что концентрация радиоактивности в емкостях подчиняется законам физики, т.е. уменьшается экспоненциально с течением времени эквивалентная доза, полученная в результате поступления радиоактивных материалов внутрь, пропорциональна эффективному периоду полувыведения, то может показаться, что дозу на загрязненного работника можно уменьшить, если мы сможем изменить период полувыведения. Конечно, физическая составляющая периода полувыведения неизменима. Тем не менее, во многих случаях можно воздействовать на скорость физиологических процессов. Например, в случае загрязнения воды, находящейся в организме, время биологического очищения можно уменьшить путем увеличенного потребления жидкости или использовать диуретики для ускорения работы почек. Так как это медицинские процедуры, то они должны проводиться по назначению физиотерапевта.