Практическая задача по определению эффективной дозы облучения

Ионизирующие излучения (ИИ) – это такие излучения, взаимодействие которых с окружающей средой приводит к образованию в ней электрических зарядов разных знаков. Все виды ИИ имеют высокую энергию и свойство разрушать биологические объекты.

Ионизирующие излучения делятся на корпускулярные и электромагнитные (фотонные). Каждый из видов ИИ имеет определенную ионизирующую способность и единицы измерения.

Корпускулярное излучение – это поток элементарных частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа, бета, нейтронов, протонов), что образовываются при радиоактивном распаде или генерируются на ускорителях;

Фотонноеизлучение – это электромагнитные колебания, которые распространяются в вакууме со скоростью до 300 000 км/c(гамма, рентгеновское и ультрафиолетовое).

Воздействие ИИ оценивается дозой облучения.

Доза облучения – это количество энергии ИИ, поглощенная единицей массы облучаемой среды. Различают экспозиционную, поглощенную, эквивалентную и эффективную эквивалентную дозы облучения.

Экспозиционная доза (D_эксп) – характеризует ионизирующую способность излучения в воздухе, ее единицей измерения в системе СИИ является кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица измерения – рентген (Р), 1Р=2,58∙ 10^-4 Кл/кг, 1 Кл/кг=3,88∙ 10³ Р.

Рентген – единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов в воздухе создаются ионы, которые несут одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.

Поглощенная доза (D_п) – энергия ИИ, поглощенная облучаемым телом, или тканями организма конкретного вида ИИ, которая пересчитана на единицу массы тела, единицей ее измерения в системе СИ, является, грей (Гр).

Грей – единица поглощенной дозы, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию Ии в 1 Джоуль (Дж). Внесистемная единица измерения поглощенной дозы – рад, 1 Гр=100 рад=1 Дж/кг, 1 рад=0,01 Гр=0,01 Дж/кг, 1 Р=0,87 рад.

Дозиметрические единицы Гр и рад используются для измерения с помощью дозиметрических приборов излучений в разных средах.

Эквивалентная (биологическая) доза облучения (D_эк) – это мера биологического влияния излучения на человека, которая определяется поглощенной организмом в целом или органом (тканью) дозой (D_п), умноженной на коэффициент W_R, что характеризует конкретный вид излучения (см. табл. 2.1):

 

D_эк=D_п∙ W_R, (Зв). (2.1)

 

Единицей измерения, эквивалентной дозы облучения в системе СИ является зиверт (Зв), в честь шведского радиолога Рольфа Зиверта.

Зиверт - эквивалентная доза любого вида излучения, поглощенная в 1 кг биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения.

Внесистемной единицей является бэр (биологический эквивалент рада), 1 Зв=100 бэр=1 Гр, 1 бэр=0,01 Зв=0,01 Дж/кг.

Бэр – энергия любого вида излучения, поглощенная в 1 г ткани, при которой наблюдается тот же биологический эффект, который и при поглощенной дозе в 1 рад фотонного излучения.

Эквивалентная доза есть основной дозиметрической величиной в области радиационной безопасности.

Для определения уровня риска возникновения последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиоактивной чувствительности используется эффективная эквивалентная доза.

Эффективная эквивалентная доза (D_эф) организма – это сумма произведений эквивалентной дозы (D_эк) в органах (тканях) организма умноженная на соответствующий весовой коэффициент W_т риска ИИ для этих органов или тканей (см. табл. 2.2):

 

D_эф=∑D_эк∙ W_т, (Зв). (2.2)

Определение эффективной эквивалентной дозы облучения, полученной каким-нибудь органом (тканью) человека рассчитывают по формуле:

 

D_эф.э=D_п.т×W_R×W_т, (Зв), (2.3)

где D_п.т – поглощенная органом или тканью доза (Гр);

W_R – коэффициент относительной биологической эффективности учитывающий влияние разных излучений (a, b, g, n), которые имели место при облучении;

W_т – весовой коэффициент риска тканей (органов) человека.

Радиация по своей природе есть вредной для жизни и отрицательно влияет на здоровье, начиная с некоторой минимальной (предельной) дозы облучения. Под влиянием ИИ в тканях человека могут происходить сложные физические, химические и биологические процессы. В результате ионизации живой ткани происходит разрыв молекулярных связей и изменение химической структуры разных соединений, что в свою очередь приводит к гибели клеток. На формирование биологических последствий существенным образом влияют продукты радиолиза воды, что составляет 60-70% массы биологической ткани человека. Реакция человека на получаемую дозу неоднозначная.

Острые поражения развиваются при однократном равномерном гамма-облучении всего тела и поглощенной дозе D_п больше 0,25 Гр (25рад).

При поглощенной дозе D_п = 0,25...0…0,5 (Гр) могут наблюдаться временные изменения в крови, помутнение хрусталика глаза и временная стерильность мужчин.

При поглощенной дозе D_п = 0,5...1…1 (Гр) чувствительны костный мозг и элементы кроветворной системы, они губят способность нормально функционировать. К счастью, данные органы имеют способность к регенерации при данной поглощенной дозе.

При поглощенной дозе D_п=1,5...2…2 (Гр) возникает легкая форма острой лучевой болезни. В 30-50% случаях у облученных в первую неделю может наблюдаться тошнота.

При поглощенной дозе D_п=2,5...4…4 (Гр) возникает лучевая болезнь средней степени. У всех облученных наблюдается тошнота, рвота, появляется подкожное кровоизлияние. В 20% возможный смертельный исход.

Однократная доза облучения больше 2,5 Гр приведет к полной стерильности мужчин и прогрессирующей катаракты.

При дозе D_п = 4...6…6 (Гр) развивается тяжелая форма лучевой болезни, которая приводит в 50% случаев к летальному исходу в течении первого месяца.

При дозе D_п > 6 (Гр)развивается крайне тяжелая форма лучевой болезни, которая при отсутствии соответствующего медицинского лечения в 100% случаев может закончиться летальным исходом вследствие внутреннего кровоизлияния и инфекционных заболеваний.

При дозах D_п = 10...50…50 (Гр) смерть наступает через 1-2 недели вследствие внутренних кровоизлияний.

 

Пример решения задачи №3
по определению эффективной эквивалентной дозы

 

Исходные данные:

Поглощенная доза для организма в целом (для всех органов и тканей) – D_п=0,2 Гр

α- +

β- +

γ- +

n-излучениями +

Выполнить

Определить эффективную эквивалентную дозу D_эф облучения организма в целом за год ткани и органы которого были равномерно облучены разными видами радиоактивных излучений

Решение:

1. Определяем по табл. 2.1 и табл. 2.2 значение коэффициентов W_R и W_т:

при облучении организма a- излучениями W_R=20;

при облучении организма b- излучениями W_R=1;

при облучении организма g- излучениями W_R=1;

при облучении организма n - излучениями W_R=10.

Соответственно исходным данным, организм облучен равномерно, поэтому по табл. 2.2 для организма в целом:

W_т=1.

2. Определяем эффективную эквивалентную дозу облучения, полученную отдельным органом (тканью) человека по формуле (2.3):

при облучении организма α-излучениями:

 

D_эф.эa=D_п.орг×W_R.a×W_т.орг=0,2×20×1=4 (Зв);

 

при облучении организма β-излучениями:

 

D_эф.эb=D_п.орг×W_R.b×W_т.орг=0,2×1×1=0,2 (Зв);

 

при облучении организма γ-излучениями:

 

D_эф.эg=D_п.орг×W_R.g×W_т.орг=0,2×1×1=0,2 (Зв);

при облучении организма n-излучениями:

 

D_эф.эn=D_п.орг×W_R.n×W_т.орг=0,2×10×1=2 (Зв).

 

3. Определяем эффективную эквивалентную дозу облучения всего организма, как сумму слагаемых эффективных эквивалентных доз от разных излучений:

 

D_эф.орг=D_эф.эa+D_эф.эb+D_эф.эg+D_эф.эn=4+0,2+0,2+2=6,4 (Зв).

 

4. Выводы: 1) При одноразовом равномерном облучении организма (всех тканей и органов) разными видами радиоактивных излучений эффективная эквивалентная доза для всего организма субъекта А составит D_эф.орг=6,4 (Зв)=640 (бэр).

 

Исходные данные к практической задаче 3

№ п/п	Исходные данні	Вариант
	Поглощенная доза, Dп (Гр)	0,05	0,06	0,07	0,08	0,1	0,11
	a- излучение	+	+	+		+	+
	b- излучение		+	+	+		+
	g- излучение	+			+	+
	n-излучение с энергией квантов (кэВ)	<10	10-100	100-2000	2000-20000	10-100	>20000
№ с/п	Исходные данні	Вариант
	Поглощенная доза, Dп (Гр)	0,12	0,13	0,14	0,15	0,05	0,06
	a- излучение	+	+	+		+	+
	b- излучение		+		+	+
	g- излучение	+		+	+		+
	n-излучение с энергией квантов (кэВ)	<10	10-100	100-2000	2000-20000	<10	>20000
№ п/п	Исходные данные	Вариант
	Поглощенная доза, Dп (Гр)	0,07	0,08	0,09	0,1	0,11	0,12
	a- излучение		+	+	+	+	+
	b- излучение	+	+	+		+
	g- излучение	+			+		+
	n-излучение с энергией квантов (кэВ)	<10	10-100	<20000	2000-20000	10-100	>20000
№ п/п	Исходные данные	Вариант
	Поглощенная доза, Dп (Гр)	0,13	0,14	0,15	0,1	0,05	0,07
	a- излучение	+	+	+	+		+
	b- излучение			+	+	+
	g- излучение	+	+			+	+
	n-излучение с энергией квантов (кэВ)	<10	10-100	100-20000	2000-20000	>20000	<10
п/п	Исходные данные	Вариант
	Поглощенная доза, Dп (Гр)	0,12	0,15	0,16	0,18	0,19	0,08
	a- излучение		+	+	+		+
	b- излучение	+	+			+
	g- излучение	+		+	+	+	+
	n-излучение с энергией квантов (кэВ)	<10	100 -20000	100-2000	10 -100	2000-20000	>20000

 

Таблица2.1

Коэффициент относительной биологической эффективности W_R

для расчета эквивалентной дозы D_эк

Вид излучения	WR, (Зв/Гр)
Фотоны любых энергий (g- излучение)
Электроны любых энергий, b- частицы
Нейтроны с энергией:
менее 10 кэВ
от 10 кэВ до 100 кэВ
от 100 кэВ до 2 МэВ
от 2 МэВ до 20 МэВ
больше 20 МэВ
Среднее значение для нейтронов
a- частицы
Осколки деления
Тяжелые ядра

 

Таблица 2.2

Весовой коэффициент риска тканей (органов) W_т

для расчета эффективной эквивалентной дозы D_эф

Ткани (органы) человека	W Т
Гонады	0,20
Красный костный мозг	0,12
Толстый кишечник	0,12
Легкие	0,12
Желудок	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Грудные железы	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Клетки костных поверхностей	0,01
Другое*	0,05
Организм в целом	1,00

 

Примечания. 1. * «Другое» включает в себя надпочечные железы, головной мозг, екстракторокальний отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечные ткани, поджелудочную железу, селезенку, предстательную железу, матку.

2. Весовые коэффициенты риска тканей (органов) W_т устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла 1.

 

З адача №4

Практическая задача по определению
биоритмического состояния человека

Биологические ритмы – это циклическое повторение характера и интенсивности биологических процессов и явлений на протяжении жизни у живых организмов.

Цикличность характерное свойство живой и безжизненной материи. Биоритмы связаны с эндогенными (внутренними) причинами - циклические химические реакции в организме) и экзогенными (внешними) - космические влияния, вспышки солнечной активности, земные процессы - обращение планеты, флюктуации геомагнитных полей, состояние атмосферы, погодно-климатические условия.

Различают высоко-, средне- и низкочастотные циклы.

Высокочастотный (короткопериодный) цикл может измеряться промежутками времени от доли секунды до 30 мин. Сюда относят ритмы сердца, ходьбы, скорости реакции анализаторов, циклы сна, сокращение мышц желудка, колебание внимания и расположения духа и т.п.

Наименьший отрезок времени, на который может реагировать мозг человека и его нервная система, представляет от 0,5 до 0,8 секунды. Интервал времени в 0,5-0,7 секунды отвечает скорости реакции наших слуховых и зрительных рецепторов.

Среднечастотные циклы имеют продолжительность до 7 суток. Они делятся на ультрадианные (от 0,5 до 20 ч.), циркадианные (20-28 ч.) и інфрадианные. Наиболее известным циркадианным периодом является суточный цикл. На протяжении 24 часов у человека отмечается несколько подъемов и спадов активности.

Низкочастотные циклы определяются сроками неделя, месяц, сезон, год и так далее. Известные циклы активности человека связаны со вспышками солнечной активности через каждых 11 лет.

Наибольшее любопытство для изучения представляют долгодействующие циклы с периодом близким до одного месяца.

Суточные ритмы человека интересны, прежде всего тем, что максимум и минимум активности разных биологических процессов не совпадают во времени. Суточный ритм физиологических функций есть биологическим. Учитывая это, человек может напряженно работать во времени оптимального состояния организма и использовать периоды сравнительно низкого уровня активности функций для обновления сил. Кроме того, оказывается, что свое биологическое расписание есть и у каждого нашего органа. Если мы будем придерживаться этого расписания, то мы надолго сохраним свою красоту и здоровье.

3.00-6.00: самый тяжелый и истощающий период для организма. Для него характерно наиболее низкое кровяное давление.

6.00 - 7.00: оптимального времени для перехода от сна к бодрствованию.

5.00- 7.00: период наибольшей активности толстого кишечника и оптимальное время для очищения организма.

7.00 - 9.00: время наибольшей активности желудка и, следовательно, это время хорошо использовать для первого приема пищи.

8.00 - 9.00: в кровь поступает наибольшее количество половых гормонов.

9.00 - 10.00: оптимальное время для медицинских процедур, связанных с внешним воздействием, так как в это время кожа менее всего чувствительна к уколам.

10.00 - 12.00: время наиболее активной работы мозга и лучшее время для интеллектуальной работы.

13.00 - 15.00: время активности тонкого кишечника. Это означает, что если вы перед этим пообедали, то за два часа пища наилучшим образом усвоится.

16.00- 18.00: этого время лучше использовать для физической работы и спорта. Именно в этот период быстрее отрастают волосы и ногти.

17.00- 19.00: в это время мы лучше всего улавливаем нюансы вкуса, ароматов и музыки.

18.00 - 20.00: в это время печень легче справляется с алкоголем.

18.00- 20.00: в этот период лучше всего накладывать косметические маски. Это время красоты, поскольку в эти часы кожа максимально чувствительная к косметическим процедурам.

18.00- 21.00: Время для самых задушевных бесед. В это время человек открытый для общения и острее всего ощущает одиночество.

19.00 - 21.00: в этот период максимально подвижны наши суставы, а значит, он хорошо подходит для занятий йогой и упражнений на растяжку и расслабление.

22.00: начиная с этого времени, особенно интенсивно начинают действовать защитные силы организма. Именно это время наиболее благоприятное для отхода ко сну.

Знание биоритмов человека позволяет изготовить хронологические календари, которые улучшают жизнь и оптимизируют результаты человеческой деятельности.

Вот некоторые данные о пиках биологических процессов в организме в течении суток:

• максимальная чувствительность пальцев -15-16 ч.

• максимальное сжатие руки - 9-10 ч.

• максимальное выделение желудочных кислот -13 ч.

• максимальная восприимчивость к инъекциям -9 ч.

• максимальная работоспособность печени - 18-20 ч.

• максимальная. работоспособность легких -16-1 8 ч.

• максимальный рост волос и ногтей - 16-18 ч.

• максимальная активность мозга -10-12 ч.

• минимальное внимание водителей - 2 ч.

• труднее всего переносить одиночество - 20-22 ч.

• минимальное сосудистое давление - 4-5 ч.

• максимальная активность для мужчин и женщин - начало осени.

Как показывают современные исследования, биологические ритмы человека претерпевают значительные изменения в течение всего возрастного цикла. Так, у новорожденных и младенцев биоритмический цикл является очень коротким. Фазы активности и расслабления сменяются через каждых 3-4 ч. Более того, у детей до 6-8 лет практически невозможно определить хронотип (т.е. «жаворонок» или «сова»). По мере взросления ребенка циклы биологических ритмов постепенно удлиняются и к началу полового созревания приобретают характер суточных биоритмов. В этот же время формируются хронотипы, которые определяют характер биоритмов на протяжении практически всей взрослой жизни. В период с 20 до 50 лет биологически ритмы человека являются наиболее стабильными. Интересно, что именно в этот период человек достигает наибольших деловых и творческих успехов. После 50 лет у большинства людей структура биологических ритмов становится менее устойчивой, а хронотипы становятся все менее выраженными. Одним из самых ярких и неприятных проявлений нестабильности биологических ритмов у пожилых является бессонница.

У каждого человека наблюдается три ритма – физический (период 23 дня), эмоциональный (период 28 дней) и интеллектуальный (период 33 дня) - начальные фазы которых совпадают с моментом их рождения. Недавно появились данные о существовании 38-четвертого суточного интуитивного ритма.

Каждый цикл делится на две равные части: первая часть называется положительным полупериодом, вторая - отрицательным полупериодом.

Например, в положительном полупериоде физического ритма, человек характеризуется притоком сил, максимальной энергией. Выносливостью, наибольшей стойкостью к влиянию экстремальных факторов: трудоспособность повышается, и человек легко справляется с задачами, которые требуют таких физических усилий, которые в отрицательном полупериоде, будут ему не по силам. Состояние здоровья в положительном полупериоде не вызывает нареканий.

В так называемые неблагоприятные дни циклы «изменяют знак», т.е. проходит изменение полупериодов. Какой именно переход проходит - из положительной фазы в отрицательную или наоборот, несущественно.

В неблагоприятные дни для данного человека функции, которые входят в «сферу действия» соответствующего ритма, достигают минимума. Особенно опасно, когда совпадают неблагоприятные дни двух или всех трех ритмов. Вероятность непринужденных ошибок, неадекватных действий и неверных решений в такие дни максимальная. Строгая математическая определенность ритмов позволяет по известной дате рождения человека раньше времени вычислить его неблагоприятные дни.

В такие дни человеку не остается ничего другого, как обходить опасные места, воздерживаться от принятия серьезных решений, с особым вниманием относиться к ситуациям, в которых организм подвергается тем или другим испытаниям. Поэтому теория биоритмов предостерегает человека от непринужденных ошибок, уменьшает риск деятельности, смягчает вредность, которая «приносится» несчастливыми днями. Биоритмы являются физиологической основой предотвращения опасности, проявления риска. Биоритмическая несовместимость людей может стать причиной конфликта, снижения мотивации, препятствием для достижения желательного результата. Считается, что изменение биоритмической активности происходит плавно и подчиняется синусоидальному закону.