Účinky záření na látku. Základní veličiny dozimetrie

Fyzikálně-chemické účinky ionizujícího záření
V §1.6 "Ionizující záření" jsme se podrobně zabývali vlastnostmi různých druhů záření a jeho interakcemi s látkovým prostředím; bylo to však především z pohledu fyziky záření, tj. vlivu látkového prostředí na šíření záření, jeho absorbci, rozptyl či konverzi na jiné druhy záření. Zde se budeme interakcemi záření zabývat z pohledu vlastní látky vystavené záření, tj. účinků záření na fyzikální a chemické vlastnosti látky. Zvláštní pozornost pak bude věnována účinkům záření na živou tkáň.
Již sám název "ionizující záření" (viz definici v §1.6) napovídá, že primárním fyzikálním účinkem tohoto záření na každou látku je ionizace - z původně elektricky neutrálních atomů jsou vyráženy záporné elektrony, čímž se tyto atomy mění v kladně nabité ionty. Pokud je ozařovaná látka prvkem složeným ze stejných atomů, rekombinují uvolněné elektrony posléze s kladnými ionty za vzniku opět těch samých atomů prvku jako před ozářením. Chemické a fyzikální změny nejsou buď žádné, nebo nevýznamné *); příkladem může být vznik atomárního kyslíku a ozonu při ozařování plynného kyslíku O₂, nebo změny krystalické struktury prvků v pevné fázi.
*) Toto všechno platí pro "běžné" druhy záření a, b, g obvyklých energií, kdy dochází k interakcím na úrovni atomového obalu. Interakce záření, jehož kvanta mají velmi vysokou energii (vyšší než cca desítky MeV), nebo záření neutronového, způsobuje změny i v jádrech atomů ozařovaného materiálu - dochází k fyzikálním (a indukovaným chemickým) změnám, včetně aktivace původně neradioaktivních látek.
Neuvažujeme zde též situaci extrémně vysokých toků záření, kdy absorbovaná energie může vést k roztavení či vypaření ozařované látky (to se může stát např. u terčíků ozařovaných v urychlovači).
Pokud je však ozařovanou látkou sloučenina, zvláště složitá organická látka, ionizace atomů může vést k řadě chemických změn a reakcí - ionizované atomy se uvolňují z chemických vazeb, dochází k disociaci molekul, vznikají vysoce reaktivní radikály, které dále chemicky reagují s molekulami látky, mohou vznikat nové sloučeniny. Rozklad sloučenin působením ionizujícího záření se nazývá radiolýza.

Základní veličiny dozimetrie
Míra fyzikálně-chemických účinků záření na látku (jakož i indukovaných účinků biologických, pokud ozařovanou látkou je živá tkáň) je úměrná koncentraci iontů vzniklých v daném objemu látky. A tato koncentrace iontů je zase úměrná energii záření, která se v daném objemu látky absorbovala. Základní dozimetrickou veličinou, která nám charakterizuje fyzikálně-chemické a posléze i biologické účinky záření na látku, je:

• Absorbovaná dávka (zkráceně jen "dávka") D je energie ionizujícího záření absorbovaná v daném místě ozařované látky na jednotku hmotnosti. Je tedy dána poměrem
  D = DE / Dm ,
  kde DE je střední energie ionizujícího záření absorbovaná objemovým elementem látky a Dm je hmotnost tohoto objemového elementu. Jednotkou absorbované dávky je 1 J /1kg, která se nazývá 1Gray [Gy] (dílčí jednotky pak 1mGy=10^-3Gy a 1mGy=10^-6Gy).
  Starší jednotkou (v soustavě CGS) byl 1 rad = 10^-2 Gy.
• Dávkový příkon D´ je dávka obdržená v daném místě ozařovanou látkou za jednotku času, tedy poměr přírustku dávky DD za časový interval Dt :
  D´ = DD / Dt .
  Jednotka je Gray za sekundu [Gy.s^-1]

Pozn.: Při hodnocení účinku nepřímo ionizujícího záření na látku se můžeme ještě setkat s veličinami expozice a kerma, zvláště ve starší literatuře.
Kerma (zkratka z angl.: kinetic energy released in material - kinetická energie uvolněná v materiálu) má velmi podobou definici K = DE/Dm a stejnou jednotku [Gy] jako absorbovaná dávka, přičemž za DE se bere součet kinetických energií všech nabitých částic uvolněných v důsledku interakce částic primárního ionizujícího záření v uvažovaném objemu látky o hmotnosti Dm. Kerma se zavedla proto, že základní definice dávky, zahrnující jen přímo ionizující částice, nedávala informaci o tom, co se děje v okolí sledovaného objemu látky, zvláště v případě nepřímo ionizujícího záření. Pro nabité primární částice není mezi kermou a dávkou rozdíl. I u nepřímo ionizujícího záření v rovnovážném stavu, kdy se sekundárně vznikající záření absorbuje, platí K=D; pouze v nerovnovážných procesech, v blízkosti povrchu látky či při vysokých energiích, kdy může část záření unikat, bude K¹D, přičemž rozdíly nebývají v praxi velké. U nepřímo ionizujícího záření (fotony g, neutrony) kerma charakterizuje energii předanou nabitým částicím v látce (elektronům a protonům) především při první srážce. U kermy je třeba specifikovat, k jaké látce se vztahuje (např. kerma ve vzduchu či kerma v tkáni). Pro záření gama o energii menší než 3MeV hodnoty obou veličin (kermy a dávky) prakticky splývají.
Expozice je definována jako poměr absolutní hodnoty DQ celkového elektrického náboje iontů jednoho znaménka, které byly uvolněny při interakci fotonů (X nebo gama) v hmotnostním elementu vzduchu o hmotnosti Dm, při úplném zabrzdění všech vzniklých elektronů a pozitronů: DQ/Dm, vztažený na jednotku hmotnosti tohoto vzduchu. Jednotkou expozice je coulomb na kilogram [C.kg^-1] (dřívější jednotkou byl rentgen, přičemž 1R=0,258 C.kg^-1). Do tohoto celkového elektrického náboje DQ se přitom započítává pouze náboj iontů uvolněný interakcí primárních fotonů a interakcí sekundárních elektronů uvolněných z atomů vzduchu, nezapočítává se další náboj, který může vzniknout absorbcí brzdného záření emitovaného elektrony (popř. charakteristického X-záření). Pro vysoké energie fotonů g (vyšší než 2-3MeV), kdy dodatečnou ionizaci způsobenou brzdným zářením nelze zanedbat, již veličina expozice nezachycuje objektivně účinek takového záření.
Podobně jako u radiační dávky, i u kermy a expozice se definuje kermový příkon a expoziční příkon, jakožto přírustek kermy či expozice za jednotku času (1sekundu); místo slova "příkon" se dříve používal výraz "rychlost".
Obě tyto veličiny, expozice a kerma, se v dozimetrické praxi již většinou opouštějí, používají se ještě okrajově při primární etalonáži svazků záření (např. v radioterapii, radiodiagnostice). V literatuře z oblasti radiodiagnostiky a radioterapie však ze setrvačnosti terminologicky často přetrvávají.

Základní dozimetrická veličina - absorbovaná dávka - v sobě nezahrnuje okamžité lokální rozložení energie přenesené na látku, které může ovlivnit konkrétní procesy fyzikálních, chemických (a zvláště pak biologických) účinků ionizujícího záření. Proto se zavádí další veličina, která popisuje míru ztrát energie podél dráhy částice v látce, a tím také míru brzdění částice a hustotu vytvářených iontů podél dráhy:

• Lineární přenos energie představuje střední energii lokálně předanou látce prolétající částicí, vztaženou na jednotkovou dráhu částice:
  L = DE / Dx ,
  kde DE je energie odevzdaná elektronům a iontům nabitou částicí při jejím průchodu po dráze Dx. Základní jednotkou lineárního přenosu energie by sice byl 1J/1m [J.m^-1], v praxi se však používá keV/mm (1 keVmm^-1= 1,602.10^-10 J.m^-1). Má-li záření krátký dosah (záření alfa), je absorbovaná energie rozložena podél krátké dráhy, lineární přenos energie je vysoký, takže ionty jsou podél dráhy částice rozloženy velmi hustě.
  Někdy se zavádí i veličina lineární ionizace, což je počet iontových párů vztažený na jednotkovou dráhu částice (např. na mikrometr délky dráhy).

Radiobiologická účinnnost záření; dávkový ekvivalent
Z hlediska biologických účinků ionizujícího záření na ozařovanou látku se záření dělí podle hustoty ionizace, kterou v látce při svém průchodu vyvolává:
- Záření řídce ionizující - záření X, gama, beta.
- Záření hustě ionizující - záření alfa, neutronové záření, protonové záření.
Jelikož biologická účinnost různých druhů záření se může značně lišit (v závislosti právě na hustotě ionizace), pro účely radiobiologie a radiační ochrany se pro každý druh záření zavádí tzv. jakostní faktor Q (nazývaný též "radiační váhový faktor" nebo "relativní biologická účinnost"), který udává, kolikrát je daný druh záření biologicky účinnější než záření fotonové - X nebo gama (za základ se bere rentgenové záření o energii 200keV).
Hodnota jakostního faktoru Q závisí na druhu a energii záření. Pro záření X, gama a beta je jakostní faktor Q=1, pro neutrony Q » 2 (pomalé neutrony) až 10 (rychlé neutrony), pro protony Q»10, pro záření alfa je dokonce Q » 20.
Pro objektivnější posouzení účinku záření se s pomocí jakostního faktoru Q pro účely radiobiologie a radiační ochrany zavádí "korigovaná" dávková veličina, která již zohledňuje i rozdílnou biologickou účinnost jednotlivých druhů záření:

• Dávkový ekvivalent (ekvivalentní dávka) v uvažované tkáni je dán součinem absorbované dávky D v daném místě a jakostního faktoru Q:
  H = Q . D .
  Jednotkou dávkového ekvivalentu je 1 Sievert [Sv]. Dávka 1 Sv jakéhokoli záření má stejné biologické účinky jako dávka 1 Gy rentgenového nebo gama záření (pro které je jakostní faktor stanoven 1).
  Stejně jako u dávky, i zde se zavádí ekvivalentní dávkový příkon (příkon dávkového ekvivalentu), jakožto přírustek dávkového ekvivalentu za jednotku času - jednotka je Sievert za sekundu [Sv.s^-1].

Jelikož různé tkáně a orgány v těle jsou různě citlivé k záření a jejich radiační poškození vede k různě závažným následkům pro celý organismus, zavádí se pro účely radiační ochrany veličina:

• Efektivní dávka - součet vážených středních hodnot ekvivalentních dávek v tkáních či orgánech lidského těla:
  H_E = S w_T . H_T ,
  kde H_T je ekvivalentní dávka v dané tkáni T, w_T je tkáňový váhový faktor. Sčítá se přes všechny uvažované tkáně T. Tkáňový váhový faktor vyjadřuje relativní příspěvek daného orgánu nebo tkáně T k celkové zdravotní újmě způsobené rovnoměrným ozářením těla; je normován tak, aby se součet všech váhových faktorů rovnal 1 (Sw_T = 1). Hodnoty tkáňových váhových faktorů jsou uvedeny v příslušných tabulkách [...].

Výhodou efektivní dávky je, že umožňuje vyjádřit radiační zátěž jediným číslem (jednotkou je samozřejmě zase Sv) i při nerovnoměrném ozáření, či ozáření jen určitých orgánů, jako kdyby se jednalo o radiační zátěž při rovnoměrném ozáření. To umožňuje porovnávat radiační zátěže osob z nejrůznějších zdrojů - např. z radioisotopových a rentgenových vyšetření, či z různých druhů radiofarmak v nukleární medicíně. Všechna tato hodnocení se vztahují na stochastické účinky záření.

Pro posouzení dlouhodobých účinků záření z vnitřní kontaminace radioaktivní látkou – radiotoxicity - se dále zavádí tzv. dávkový úvazek, což je absorbovaná dávka ionizujícího záření, kterou způsobí v určitém orgánu nebo tkáni daná radioaktivní látka za dobu 50 let od jejího příjmu do organismu. Radiotoxicita je závislá nejen na fyzikálních parametrech radionuklidu (poločas rozpadu, druh a energie záření), ale i na chemických vlastnostech kontaminantu, které určují jeho metabolismus, distribuci do jednotlivých orgánů, biologický poločas, způsob vylučování.

5.2. Biologické účinky ionizujícího záření

Mechanismy účinku záření na živou tkáň
Proces účinku ionizujícího záření na živou tkáň probíhá ve čtyřech význačných etapách lišících se svou rychlostí a druhem probíhajících procesů (příslušné procesy jsou schématicky zobrazeny na obr.5.2.1) :

• Fyzikální stadium
  Při interakci kvanta ionizujícího záření s hmotou je energie záření předávána elektronům v atomech za vzniku ionizace a excitace (příslušné procesy jsou popsány v §1.6). Tento primární proces je velmi rychlý (prakticky okamžitý, rychlost kvant je rovna nebo blízká rychlosti světla), trvá jen cca 10^-16-10^-14 sekundy.
• Fyzikálně-chemické stádium
  Zde nastávají sekundární fyzikálně-chemické procesy interakce iontů s molekulami, při nichž dochází k disociaci molekul a vzniku volných radikálů (např. z vody H₂O vznikají vodíkové kationty H⁺ a hydroxylové anionty OH^- a nestabilní produkty schopné oxidace H₂O₂, HO₂). I tento proces je velmi rychlý, netrvá déle než 10^-14-10^-10sec.
• Chemické stádium
  Vzniklé ionty, radikály, excitované atomy a další produkty reagují s biologicky důležitými organickými molekulami ("atakují" molekuly DNA, RNA, enzymů, proteinů) a mění jejich složení a funkci. Typickou poruchou na molekulární úrovni jsou zlomy vlákna v molekule DNA - buď zlom jen jednoho vlákna, nebo úplný zlom dvojvlákna DNA. Dále mohou vznikat atypické vazbové "můstky" uvnitř dvouvlákna DNA a další chemické změny. Jednotlivé procesy tohoto chemického stádia trvají různě dlouhou dobu - od tisícin sekundy do řádově jednotek sekundy, v závislosti na transportní době reaktivních složek z místa svého vzniku do místa lokalizace napadené biomolekuly.
• Biologické stádium
  Molekulární změny v biologicky důležitých látkách (v DNA, enzymech, proteinech) mohou vyústit ve funkční a morfologické změny v buňkách, orgánech i v organismu jako celku. Biologické stádium se při vysokých dávkách záření může projevit již po několika desítkách minut (akutní poškození či nemoc z ozáření), může však zahrnovat dobu latence několika let nebo i desítek let (pozdní stochastické účinky).