Fizikai hatástól a biológiai hatásig

Átírás

1 Fizikai hatástól a biológiai hatásig Elnyelt dózis (fizikai hatás) ionizáció és gerjesztés Kémiai változások: az ionok stabilis szabad gyököket hoznak létre (vízbıl, szerves molekulákból) Biokémiai hatás: a közvetlen ionizáció vagy a szabad gyökök megváltoztatják egyes molekulák biokémiai viselkedését (DNS láncok törése stb.) Biológiai hatás: a megváltozott anyagszerkezet megváltoztatja a biológiai eseményeket 1

2 Egyenérték dózis az ionizáló sugárzás biológiai hatása H = D * w R [Sievert, Sv ] w R sugárzási tényezı - a LET függvénye w R,α = 20 w R,γ = 1 w R,β = 1 w R,n = 2,5 20 a neutron-energia függvényében A sejti mérető élı térfogatba bevitt energia (mikrodózis) dönti el az elnyelt dózis veszélyességét (kártételét). Antropomorf dózisfogalom és mértékegység: az emberi szövetek, sejtek viselkedése befolyásolja a dózisértéket. A sejti, szöveti reakció nem egységes akkor mit jellemez az egyenértékdózis? 2

3 Az ionizáló sugárzások biológiai hatásai A biológiai hatások osztályozása: Szomatikus: a hatást elszenvedı személyen jelentkezik Genetikai: a személy utódain jelentkezik Determinisztikus: A károsodás súlyossága függ a dózistól, a hatás egy bizonyos küszöbdózis fölött következik be. Sztochasztikus: A károsodás valószínősége függ a dózistól, küszöbdózis nincs. 3

4 Az emberi sejt modellje 4

5 Az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatása A fı célpont a sejtmag DNS-állománya DNS: cukor- és foszfátcsoportokból felépülı kettıs spirál, amelyekhez szerves bázisok kapcsolódnak. Láncelem: nukleotid. A láncot a bázisok között hidrogénhidak tartják össze. DNS-bıl felépülı örökítı elemek: kromoszómák. A DNS a sejtet felépítı fehérjék összetételét kódolja. Gén: a DNS egy fehérjét kódoló, vagy egy sejti tulajdonságot meghatározó darabja. A gének együtt alkotják az egyed genetikai információit tartalmazó genomot. 5

6 Az ionizáló sugárzás determinisztikus és sztochasztikus hatása Sejti életciklus: mitózis interfázis mitózis vagy apoptózis Sejti rendszerek sérülése: - Azonnali pusztulás: nekrózis - Életképtelenség: apoptózis - DNS-lánchibák: fennmaradás mutáció DNS lánchibák javítása repair enzimekkel 6

7 Az ionizáló sugárzás determinisztikus hatása Determinisztikus hatás: - küszöbdózishoz kötött ( Gy) - szövetpusztulást okoz a sugárzás - akut/azonnali hatás - életveszélyes károsodások: központi idegrendszer, emésztırendszer, vérképzı rendszer Ha tá s % Morbiditás: egyedenként Mortalitás: csoportra 0 % Kü s z ö b Dó z is 7

8 Közjáték - Nemionizáló sugárzások 1. OSSKI - Elektromágneses Sugárzások Osztálya (ESO) feladatai: Az elektromágneses sugárzások és terek (EMF) ügyében a munkahelyek, létesítmények tervbírálata, üzembe helyezésének, ill. üzemeltetésének helyszíni mőszeres mérése, szakvéleményezése; az EMF ártalmas hatásai elleni védıeszközök minısítéséhez szükséges laboratóriumi vizsgálatok; az EMF biológiai és egészségre gyakorolt hatásainak kísérletes vizsgálatai; Vizsgálati tartomány: 0 Hz - 3 PHz Példák: 50 Hz-es hálózati áram nagy- és középfeszültségő távvezetékei szabadtéri és épületben elhelyezett transzformátorállomások rádiótelefon társaságok bázisállomásai rádió és TV adóállomások mikrohullámú láncok légi irányítás és idıjárás-elırejelzés radarrendszerei nagyfrekvenciás ipari és egészségügyi alkalmazások magmágneses rezonancia (NMR) készülékek 8

9 Közjáték - Nemionizáló sugárzások 2. OSSKI - Optikai és Lézersugárzások Osztálya (OLSO) feladatai: Az optikai forrást mőködtetı létesítmények, munkahelyek tervbírálata, üzembe helyezésének, ill. üzemeltetésének helyszíni mérései, szakvéleményezése, az OS-t kibocsátó berendezések és a OS-ok ártalmas hatásai elleni védıeszközök minısítéséhez szükséges laboratóriumi vizsgálatok. Kutatási témák: UV sugárzás biológiai hatásainak vizsgálata, lézerek biológiai hatásainak vizsgálata, természetes ultraibolya sugárzás hatása az egészségre, különös tekintettel az elmúlt évtizedben fokozódó UV-B intenzitásra. 9

10 Az emberi sejtmag modellje Membrán - burkolat - félig áteresztı - elválasztja a sejtmagfolyadékot a citoplazmától Nucleolus RNS-t tartalmaz - fehérje és DNS szintézis DNS a genetikus kódot tartalmazó makromolekula 10

11 Az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatása A fı célpont a sejtmag DNS-állománya DNS: cukor- és foszfátcsoportokból felépülı kettıs spirál, amelyekhez szerves bázisok kapcsolódnak. Láncelem: nukleotid. A láncot a bázisok között hidrogénhidak tartják össze. DNS-bıl felépülı örökítı elemek: kromoszómák. A DNS a sejtet felépítı fehérjék összetételét kódolja. Gén: a DNS egy fehérjét kódoló, vagy egy sejti tulajdonságot meghatározó darabja. A gének együtt alkotják az egyed genetikai információit tartalmazó genomot. 11

12 Az ionizáló sugárzás egészségkárosító hatásai - Sztochasztikus hatás: - nincs küszöbdózis (kis dózisok hatása nem igazolt) - sejtmutációt okoz a sugárzás (javító mechanizmus) - kockázat-dózis-függvény lineáris (?) Koc ká z a t Az egyénre vonatkozó kockázati függvény a szövetek kockázati függvényének összege m = 5*10-2 /S v Effektív Dóz is [Sv] 12

13 A kockázat effektív dózis függvény meghatározása Elfogadott forma: LNT (linear no threshold) Kérdıjelek: A függvény megállapításához tiszta adatok (pontos mérések, minta és kontroll csoport szükségesek) Hormézis: a kis dózisok immunitást okoznak? Szupralinearitás: a kis dózisoknál nincs nekrózis: javul a mutáns sejtek túlélési hányada? A függvény összes kockázatra vonatkozik, de a tumor szervekben manifesztálódik. Primer tumor vagy metasztázis? Mennyi idın át adhatók össze a dózisok? Bystander- (szomszéd-) hatás? 13

14 A dózist okozó sugárforrás és a dózist elszenvedı személy kölcsönös pozíciója szerint külsı és belsı sugárterhelés jöhet létre. H = E H Tw T[Sv] T Effektív dózis w T szöveti súlyozó tényezı T w T = 1 Új (2007-ben javasolt) szöveti súlyozó tényezık: ivarszervek w T =0.08 (genetikus hatásra) szomatikus hatásokra legérzékenyebbek w T =0.12 tüdı, gyomor, belek, vörös csontvelı, emlı érzékenyek w T =0.04 máj, vese, pajzsmirigy stb. kissé érzékeny w T =0.01 bır, csontfelszín 14

15 További dózisfogalmak Lekötött dózis (H C ): inkorporálódott, és a szervezetben 1 évnél tovább jelenlévı radioaktív anyag effektív dózisa H C = T 0 dh dt E dt Kollektív dózis: Egy embercsoport tagjainak egy adott sugárforrástól származó effektív dózisának összege. C = H E, i n i i [személy Sv] Csak az emisszió mértékéül használható! 15

16 Sugárvédelmi szabályozás A sugárvédelem alapelvei Determinisztikus hatáshoz vezetı dózis legyen lehetetlen Csak az alkalmazásokhoz kapcsolható dózis korlátozható, a természetes eredető nem a korlátozás a többletdózisra vonatkozik = kizárás (exclusion) Indokoltság: a sugárforrás alkalmazásának több elınye legyen, mint kára (justification) Optimálás: az alkalmazás a lehetı legnagyobb elınnyel kell, hogy járjon optimális dózisszint tervezési alap ALARA (As Low As Reasonably Achievable - optimization) Egyéni korlátozás immissziós és emissziós korlátok át nem léphetık, ha a tervezési alap helyes volt. (limitation) 16

17 Sugárvédelmi szabályozás Nemzetközi ajánlások, irányelvek: ICRP #60 (1991), IAEA Safety Series #115 (1996), 96/29 EU Directive, ICRP #103 (2007) Magyar jogszabályok: évi CXVI. tv. (atomtörvény) - Személyi sugárvédelem: EüM, ÁNTSZ (16/2000. sz. EüM. r., 47/2003. sz. ESzCsM. r.) - Környezeti sugárvédelem: KvVM, felügyelıségek (15/2001. sz. KöM. r.) - Nukleáris biztonság: Országos Atomenergia Hivatal (89/2005. sz. Korm. r.) 17

18 Sugárvédelmi korlátok Elhanyagolható dózis 10 µsv/év közvetlenül nem deklarált szabályozó MENTESSÉG, FELSZABADÍTÁS DL dóziskorlát - immisszió korlátozása effektív (lekötött) dózis; a külsı és belsı sugárterhelés összege foglalkozási korlát 20 msv/év (5 év átlagában) lakossági korlát 1 msv/év baleseti helyzetre külön foglalkozási szabályozás DC - dózismegszorítás - emisszió korlátozása: egy, a kritikus (lakossági vagy foglalkozási) csoporthoz tartozó fiktív személynek az adott sugárforrástól származó effektív dózisa kiemelt létesítményekre DC = msv/év kibocsátási szintek egyes radionuklidokra DL s DC s s: emissziós forrás (source) 18

19 DC Származtatott emissziós határértékek Az egy személybe bejutó aktivitás (A max ) sokkal kisebb, mint a kibocsátható (A ki ) i (A max, i DCF ) A max : Az adott dózismegszorításnál bevihetı aktivitás az i-edik nuklidból DCF: dóziskonverziós tényezı (ld. késıbb) KHK = i i A ki,i KH i < 1 A i,max << A i,ki A normális üzemelés során kibocsátott aktivitásra Kibocsátási Határérték vonatkozik [Bq/év]). Kibocsátási Határérték Kritérium: KHK Az emissziós korlátozás két lényegi eleme, a létesítmény környezetében élı lakosságra vonatkozó dózismegszorítás és a létesítménybıl * levegıbe és * vízi úton kibocsátott aktivitás közötti kapcsolatot a TERJEDÉSI MODELLEK teremtik meg. A modell és egy valóságos terjedési folyamat összevetése a validálás. 19

20 Sugárvédelmi szabályozás Mentesség: Nem tartozik az atomtörvény hatálya alá az a radioaktív anyag, a) amelyben a radionuklid teljes aktivitása, vagy b) amellyel kapcsolatos tevékenység során az anyagban elıforduló radionuklid egységnyi tömegre vonatkoztatott aktivitás koncentrációja nem haladja meg a külön jogszabályban meghatározott mentességi szintet. Mentességi szint (exemption level): [Bq] és [Bq/g] a legkedvezıtlenebb forgatókönyv mellett sem okozhat az elhanyagolhatónál (= 10 µsv/év) nagyobb dózist. Már az alkalmazásnál sem kell védelmi intézkedéseket alkalmazni, mert kicsi a károsítás kockázata. 20

21 Sugárvédelmi szabályozás Felszabadítási szint (Clearance level) A hatóság által meghatározott, aktivitás-koncentráció [Bq/kg] vagy [Bq/m 2 ] egységekben kifejezett értékek, amelyeknél, ill. amelyek alatt a sugárforrások kivonhatók a hatósági felügyelet alól. Feltételes és feltétlen felszabadítás: a forgatókönyvtıl függıen vagy függetlenül szabadítható fel az anyag. Korábban, az alkalmazásuk folyamán felügyelt (védelmi intézkedésekkel korlátozott) anyagok = hulladékok az alkalmazás befejezése, valamint kezelés után lecsökkent a kockázatuk nem okoznak nagyobb dózist az elhanyagolhatónál. 21

22 Sugárzások dózisának mérése és számítása Külsı dózis Dózismérıvel, dózisteljesítmény-mérıvel mérhetı Számítási egyenlet (foton-dózisteljesítményre) k γ dózistényezık: pontforrásra, detektoranyagra határozható meg Belsı dózis közvetlenül nem mérhetı Meghatározás módjai: egésztest-számlálás, vér- és exkrétum-analízis, bejutó anyagok (levegı, víz, ételek) analízise DCF [Sv/Bq] dóziskonverziós tényezı egységnyi radioaktivitás inkorporációjához köthetı effektív dózis A dózist fıként a radioaktivitást hordozó anyag tartózkodási ideje határozza meg Akut (pillanatszerő) vagy krónikus (folyamatos) bevitel eltérı effektív dózist eredményeznek 22

23 Külsı sugárterhelés mérése Dózismérés: utólagos kiértékelés személyi dozimetria filmdózismérı - kémiai változás TLD: szilárdtest-dózismérı (termolumineszcencia) aktív dózismérık: impulzusüzemő gáztöltéső detektorok, félvezetı detektorok, buborék detektorok Dózisteljesítmény-mérés: azonnali kiértékelés területi dozimetria impulzusüzemő gáztöltéső detektorok szerves szcintillációs detektor Követelmények: energiafüggetlenség : a kijelzett dózis ne függjön az egyes részecskék által leadott energiától Intenzitás/dózisteljesítmény arányosság Felejtés = 0 a dózis ne változzék a mérés és a kiértékelés között 23

24 Külsı sugárterhelés mérésének feltétele Bragg-Gray elv A detektort és a mérendı személyt azonos távolságba helyezve a sugárforrástól mindkettıt azonos fotonenergiafluxus éri. D D x m = Φ Φ E, x E, m * µ ( ) ρ µ ( ) ρ x m = f m Az összetett abszorpciós együttható energiafüggése legyen azonos a detektorra és a testszövetre - szövetekvivalens detektor - energiafüggetlenség Ha NEM: energiaszőrık 24

25 Dózismérık válaszjelének energiafüggetlensége 25

26 Külsı sugárterhelés mérése Filmdózismérı válaszjelének dózisfüggése 26

27 Külsı sugárterhelés mérése TLD detektor és kiolvasó Pille TL anyagok: Fotonsugárzásra: CaF 2, CaSO 4, LiF, Al 2 O 3 Neutronokra: 6 LiF 27

28 Külsı sugárterhelés mérése Személyi elektronikus dózismérı félvezetı detektorral (gamma és neutron) 28

29 Külsı sugárterhelés mérése FH-40-G dózisteljesítménymérı Buborékdetektor neutronok dózisának mérésére 29

30 Belsı sugárterhelés A dózist az egyes szövetek eltérı egyenértékdózisainak összegzésébıl kapjuk, a dózist a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekbıl kiinduló sugárzás (radiation R) okozza: célpont- (target T) és forrás- (source S) szöveteket különböztetünk meg. (S=T is lehetséges) A [Bq] T [nap] 30

31 Belsı sugárterhelés dózisa A dózist az egyes szövetek eltérı egyenértékdózisainak összegzésébıl kapjuk, a dózist a radioaktív anyagot tartalmazó szövetekbıl kiinduló sugárzás (radiation R) okozza: célpont- (target T) és forrás- (source S) szöveteket különböztetünk meg. (S=T is lehetséges) H T = u S S R w R E R f R Q R ( S T) 1 m T A H T szöveti egyenértékdózist egy adott radioizotópra határozzuk meg. u S : az egyes forrás-szövetekben bekövetkezı bomlások száma [darab] w R: sugárzási tényezı [Sv/Gy] E R : sugárzási energia [kev/részecske] f R : részecske-gyakoriság [részecske/bomlás] m T : a célpont-szövet tömege [kg] Q az R sugárzásfajtának az S szövetbıl kiinduló és a T szövetben energiát leadó hányada (elnyelési hányad) 31

32 Külsı és belsı sugárterhelés Külsı sugárterhelés: a sugárforrás aktivitásának és a detektor-forrás távolságnak ismeretében számítható. (A forrás és a személy közötti közegek sugárzásgyengítı hatását egyelıre elhanyagoljuk.) Belsı sugárterhelés: a forrás- és célpontszövetekre meghatározott számítási egyenlet elemeit modellezzük, és a modellbıl meghatározzuk a dóziskonverziós tényezıt: DCF [Sv/Bq] egységnyi aktivitás inkorporációjából származó effektív dózis (H E /A BE ) függ: sugárzásfajta, tartózkodási idı, beviteli mód, életkor számítása D 0 = k γ A r k γ = dózistényezı Együtt vonatkozik - radionuklidra - az elnyelı anyagra H = DCF E A BE DCF = dóziskonverziós tényezı A bejutott aktivitást analízissel kell meghatározni. 2 32

33 Példák külsı és belsı sugárterhelés számítására Külsı sugárterhelés: 60 Co 0.5 GBq-es forrás szerelését hány percig végezhetné valaki 10 cm távolságból úgy, hogy dózisa kisebb legyen, mint 10 µsv? (kγ=305 [(µsv/h)/(gbq/m 2 )]) Belsı sugárterhelés: Mekkora dózisa lesz 1 év alatt saját magától egy embernek? (K-tartalom 0.2 %, 40 K-atomhányad %, testsúly 70 kg, 40 K-felezési idı év, gamma-sugárzás elnyelési hányada 37 %, béta- és röntgensugárzás elnyelési hányada 100 %, gamma-energia (elektronbefogás kísérıje) 1461 kev, gamma-gyakoriság 11 %, átlagos béta-energia 510 kev, béta-gyakoriság 89 %, röntgen-energia 3 kev) 1 ev = J 33