AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie
§ PAPRSKY  ŽIVOTA §
i
N  S M R T I  N

Záření jako důležitý přírodní fenomén

Vliv ionizujícího záření na život

Využití záření v diagnostice a terapii

Přednáší: RNDr. Vojtěch Ullmann
                   fyzik

- sylabus přednášky -



Záření - důležitý přírodní fenomén

Z Á Ř E N Í
(radiace)
  = Přenos energie prostorem "na dálku"
prostřednictvím fyzikálních polí nebo mikročástic
    Kromě energie při záření dochází i k přenosu hmoty a informace
Mechanismus přenosu energie:
Časové změny pole Pohyb částic
(Vlny - elektromagnetické, gravitační) (elektrony b, a-částice, protony, neutrony,...)
ë kospuskulárně-vlnový dualismus ě

Šíření záření v prostoru:
  ¨ Vakuum - volné šíření vln a pohyb částic - podle zákona setrvačnosti
  ¨ Látkové prostředí - částečný průchod
                                    - rozptyl
- absorbce - re-emise ® zeslabení záření
                                                energeticky závislé         
®   změna spektra záření

(strukturovaný)
Přenos energie
® zprostředkovává ® Přenos informace

Záření přenáší informace:
  ¨ O zdroji emitujícím záření (jeho povaze, složení, "síle", příp. proměnnosti atd)
  ¨ O látkovém prostředí, jímž záření prochází (hustota, tloušťka, chemické složení látkového prostředí)

Zakódování informace v:   Dekódování informace:
Intenzitě záření ® Detekce záření
Energetickém rozložení ® Spektrometrie záření

Záření pomáhá odhalovat:
  ¨ Tajemství složení hmoty
  ¨ Strukturu a evoluci vesmíru (především hvězd a galaxií, globální kosmologické otázky)
  ¨ Anatomickou stavbu a fyziologické děje v živých organismech

Energie záření:
  ¨ Pomáhá léčit některá onemocnění, především nádorová
  ¨ Je využívána v radiačních technologiích


Světlo - zdroj vizuální informace o světě

Co je to světlo?

Obě teorie mají částečně pravdu - popisují dvě různé stránky jednoho jevu :

Pozoruhodná vlastnost světla: nezávislost rychlosti světla (c = 300 000 km/s) na vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele Ţ Einsteinova speciální teorie relativity.


Záření obecně:

Avšak : Korpuskulárně – vlnový dualismus !

Rozhoduje klidová hmotnost m0 kvanta záření :

m0 > 0 Ţ korpuskulární , m0 = 0 Ţ vlnové

Záření korpuskulární :

Záření vlnové :

Energie a účinky záření :

Ionizující záření:

Je to záření, jehož kvanta mají natolik vysokou energii, že jsou schopny vyrážet elektrony z atomového obalu a tím způsobovat ionizaci látek.

Pro běžné druhy záření fotonového (X a g), elektronového (b-) a a se za energetickou hranici ionizujícího záření bere energie 5 keV.
Složitější situace je u neutronového záření, kde i velmi pomalé neutrony vstupují do jader a prostřednictvím jaderných reakcí mohou vyvolávat sekundárně ionizaci (a to i zpožděně či dlouhodoběji - aktivace jader, vznik radionuklidů). Podobně není definována prahová energie u záření
b+, kde i velmi pomalé pozitrony anihilují s elektrony za vzniku tvrdého ionizujícího záření g.

Fyzika ionizujícího záření - radiační fyzika - radiologie - dozimetrie

RADIOLOGIE = obecně věda o záření ; v medicíně: RADIOLOGIE = využití záření pro diagnostiku a terapii

Fyzika ionizujícího záření je též známá pod názvem radiační fyzika či radiofyzika. Zahrnuje širokou problematiku:
¨ Mechanismy vzniku záření
¨ Fyzikální vlastnosti záření
¨ Interakce záření s látkou (včetně radiobiologických účinů)
¨ Detekce a spektrometrie záření
¨ Matematická analýza a vyhodnocování výsledků
   Speciální oblastí fyziky záření je radiologická fyzika, zabývající se fyzikálními aspekty záření pro diagnostiku a terapii v medicíně. Dozimetrie ionizujícího záření je obor radiační fyziky, který se zabývá účinky záření na látky ve vztahu k druhům a vlastnostem interakce záření s látkou a k množství záření, pohlceném v látce (pohlcená energie - "dávka") - §5.1 "Účinky záření na látku. Základní veličiny dozimetrie.". Studovanou látkou je především v živá tkáň, modelová měření dávek a dávkových příkonů se provádějí ve vodě, vzduchu a speciálních dozimetrických fantomech.
Radiologie - záření v biologii a medicíně 
Z etymologického hlediska slovo radiologie značí obecně vědu o záření. Historickým vývojem se však jeho význam zúžil a specifikoval. Radiologie je nyní věda o významu a využití záření v medicíně a biologii, lékařský obor, který využívá ionizující záření k diagnostice a terapii. Zahrnuje především tři hlavní speciální obory:
l Rentgenová diagnostika zvaná též radiodiagnostika*) (§3.2 "Rentgenová diagnostika")
l Radioterapie (§3.6 "Radioterapie")
l Nukleární medicína (kapitola 4 "Radioisotopová scintigrafie")
*) Do radiodiagnostiky byly v průběhu vývoje začleněny i další diagnostické metody, nevyužívající ionizujícího záření - ultrazvuková sonografie (viz Ultrazvuková sonografie), nukleární magnetická rezonance (Nukleární magnetická rezonance) a termografie (Termografie).
  Biologickými účinky ionizujícího záření se zabývá radiobiologie (viz §5.2 "Biologické účinky ionizujícího záření") - obor na pomezí radiační fyziky a biologie.

Vznik a zdroje záření : ( přírodní - umělé )

R a d i o a k t i v i t a :

Fyzikální jev, při kterém se atomová jádra spontánně (samovolně) přeměňují, přičemž se emituje ionizující záření .

Radioaktivita a :

Vyskytuje se jen u nejtěžších jader - v oblasti uranů a transuranů. Záření a má v látce velmi krátký dolet - omezený význam.

Radioaktivita b- :

Elektron b- vzniká v jádře přeměnou neutronu: n0 ® p+ + e- + n

Radioaktivita b+ :

Pozitron b+ vzniká v jádře přeměnou protonu: p+ ® n0 + e+ + n

Spektrum záření b je spojité - energie přeměny se rozdělí mezi částici b a neutrino n.

Vnitřní mechanismus radioaktivity beta :

 

Záření g :
Záření gama je vysokoenergetické elektromagnetické záření vznikající deexcitací vzbuzených hladin atomového jádra.
U radioaktivity se jedná o deexcitaci vzbuzených hladin dceřinného jádra vzniklého po radioaktivní přeměně.
Záření gama nejaderného původu
Kromě deexcitací vzbuzených energetických hladin v atomových jádrech vzniká záření g i při anihilacích pozitronů s elektrony a dalších částic a antičástic, jakož i při interakcích vysokoenergetických částic (zde může vznikat záření g o energiích řádu GeV, TeV i vyšších). Do kategorie záření g patří i brzdné záření vznikající při dopadu rychlých elektronů na terčík.

Základní vlastnost záření gama: - Pronikavost

Interakce ionizujícího záření s hmotou :

Interakce záření alfa a beta

Interakce záření gama s hmotou čtyřmi způsoby:

1.Fotoefekt 2.Comptonův rozptyl 3.Tvorba elektron-pozitronových párů


Účinky ionizujícího záření

Vliv ionizujícího záření na hmotu:
Na prvky: Ionizace atomů ® rekombinace na tytéž atomy - žádné chemické účinky
Na sloučeniny: Ionizace atomů ® chemické reakce ® radiolýza sloučenin ® reakce radikálů ® vznik nových sloučenin.
Otevře se "brána" chemickým reakcím - čím složitější sloučenina, tím různorodější jsou radiačně indukované reakce.

Buňky - základní jednotky živých organismů

Vliv ionizujícího záření na živou tkáň:


Radiobiologické účinky na subcelulární úrovni. a) Zásahový a radikálový mechanismus účinku záření na živou tkáň.
Nahoře: Při vniknutí záření do makromolekuly DNA dojde k ionizaci a přímému destrukčnímu účinku. Dole: Ionizující záření interaguje s molekulou vody, dochází k radiolýze vody : H2O ® H+ + OH- - vzniku volných radikálů. Vysoce reaktivní radikály H+ a OH- napadají složité organické molekuly a chemicky je mění. Dochází k narušení DNA v jádrech buněk.
b) Různé typy poškození DNA vlivem záření a chemických vlivů (hrubé schématické znázornění). c) Radiační účinky během buněčného cyklu.


Schématické znázornění význačných procesů a jejich časové posloupnosti při účincích ionizujícího záření na živou tkáň.

Malé dávky záření
N
ízká hustota iontů ® malý počet poškození DNA ® vysoká pravděpodobnost opravy reparačními mechanismy
®
stochastické účinky

Vysoké dávky záření
Vysoká hustota iontů
® velký počet poškození ® reparační mechanismy selhávají ® část buněk hyne
® deterministické účinky ® nemoc ze záření

Lineárně-kvadratický (LQ) model: N = N0.e-(a.D+b.D2) Ţ -ln(N/N0) = a.D + b.D2 - lineárně-kvadratická závislost


Některé odchylky od LQ modelu závislosti biologického účinku na dávce.
a)
Vícečetné interakce záření s buňkami vedou k přítomnosti členů s vyšší mocninou dávky D. b) Bystander-efekt poněkud zvyšuje celkové množství poškozených buněk (snižuje frakci přežilých buněk). c) V oblasti nízkých dávek se na grafu přežilé frakce buněk pozoruje relativně zvýšená citlivost buněk - hyperradiosenzitivita.

Bystander-efekt.
Radiační poškození jedné buňky může indukovat poškození i některých okolních buněk, které nebyly ozářeny.

 

Škodlivé účinky ioniz. záření Ţ nutnost radiační ochrany !

Využití ionizujícího záření v medicíně

Diagnostika
Prozařování organismu X-zářením
  - obraz hustoty tkání - Rentgenová diagnostika :

Aplikace radioindikátoru
  ® detekce vycházejícího záření gama ® diagnostika struktury a činnnosti orgánů - Radionuklidová scintigrafie - nukleární medicína : + Laboratorní metody in vitro - radioimunoanalýza (RIA)

Laboratorní metody in vitro - radioimunoanalýza (RIA)

Radioterapie
Cílené ozáření patologické tkáně velkou (letální) dávkou záření
® likvidace nádorových buněk.
Základní úkol: Dosáhnout co největší dávku v cílovém místě při co nejmenším poškození okolních tkání.
Teleterapie - ozařování vnějšími svazky záření ("na dálku")
-
 Isocentrická radioterapie - ozařování z několika úhlů:

Moderní metody vysoce přesné radioterapie -
Stereotaktická radioterapie SBRT :

-
 Hadronová radioterapie : ozařování urychlenými protony (popř. a-částicemi) a využití ostrého maxima Braggovy křivky (udávající hloubkovou závislost efektivní dávky) ke konci brzdné dráhy částice:

-  Brachyterapie - zavádění zářičů "nablízko" dovnitř nebo do okolí nádorů:

-  Radioisotopová terapie otevřenými zářiči b - "nejbrachyovatejší brachyterapie" - úplně nablízko na buněčné úrovni:
(např. léčba štítné žlázy radiojódem 131J, paliativní radionuklidová terapie metastáz, hematologická terapie, radionuklidová synovektomie)


Záření a život v přírodním prostředí

Ionizující záření v přírodním prostředí:

Kosmické záření sehrálo pravděpodobně důležitou úlohu při vzniku a evoluci života, a to přinejmenším ve dvou směrech :

Výbuch supernovy pozorovaný v r.1054 v Číně Dnes je na tom místě pozorována Krabí mlhovina obsahující uvnitř pulsar - rychle rotující neutronovou hvězdu
Mohutné záblesky kosmického záření - smrtelné nebezpečí pro život !

Z á v ě r

§ Paprsky života - blahodárné účinky záření
- Bez záření by nebylo života - vznik, evoluce, udržení života
- Záření jako zdroj energie a informace
- Využití záření pro diagnostiku a terapii v medicíně

N Paprsky smrti - škodlivé a ničivé účinky záření
- Zločinné zneužití jaderné energie k válečným účelům
- Nesprávné a neopatrné zacházení se zdroji ionizujícího záření - radiační havárie
- Rizika z přírodních zdrojů záření

Neopodstatněnost radiofobie při práci se zářením :
Při erudované práci se znalostí věci a dodržování zásad radiační ochrany lze dosáhnout toho, že práce s ionizujícím zářením není o nic nebezpečnější a škodlivější než práce s jakýmikoli jinými materiály, stroji a zařízeními.

 


Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
Jaderná a radiační fyzika Detekce a spektrometrie záření Aplikace záření
S c i n t i g r a f i e Počítačové vyhodnocování scintigrafie Radiační ochrana
Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu   |  Antropický princip aneb kosmický Bůh
AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

Vojtěch Ullmann