Значения поправочных коэффициентов в зависимости

МЕТОДЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ В РАДИОЛОГИИ

Регистрация и измерения ионизирующих излучений

Ознакомившись с понятием и физическими характеристиками радиоактивности, видами ионизирующих излучений, их взаимодействием с веществом, мы переходим к разделу: детектирование радиоактивных излучений, их количественной оценке, т.е. методам и единицам измерения в радиологии.

Все виды ионизирующих излучений делятся на две группы:

Квантовые: тормозное и характеристическое рентгеновское

мегавольтное

гамма-излучение

Корпускулярные: электроны

альфа-частицы

протоны

нейтроны

отрицательные пи-мезоны.

В соответствии с физическими характеристиками и были разработаны методы и оборудование, регистрирующие и измеряющие эти излучения (табл. 3.1. и 3.2):

Табл. 3.1.

Методы регистрации фотонных излучений

Табл. 3.2.

Методы регистрации корпускулярных излучений,

В т.ч. и нейтронов

Спектрометрия (-графия) – физический метод, позволяющий определить состав и провести сортировку гамма-излучающих радионуклидов по их энергии. Приборы: спектрометры и спектрографы.

Радиометрия (-графия) - измерение активности, т.е. количества радиоактивного вещества по числу распадов в интервал времени. Приборы: радиометры и радиографы.

Методы радиометрии: принцип работы однодатчикового счетчика

принцип работы многодатчикового счетчика

сканирование

сцинтиграфия динамическая и статическая

Активность – мера количества радионуклида, измеряемая числом распадов его ядер атомов в интервал времени.

Единица измерения – 1 Бк, т.е. один беккерель или один распад в секунду. Внесистемная единица измерения – 1 Ки, т.е. одно кюри или 3,7∙10¹⁰ распадов в секунду, что соответствует радиоактивности 1 грамма радия.

Активность в 1 Кюри соответственно содержится в массе радионуклидов: 1 грамме радия-228; ≈ 570 г. урана-235, ≈ 16 г. плутония-239, ≈ 0,001 г. кобальта-60.

Активность радионуклидов в связи с радиоактивным распадом со временем уменьшается. Скорость распада для каждого радиоактивного изотопа характерна и неизменна и подчиняется закону радиоактивного распада.

Согласно этому закону за единицу времени всегда распадается одна и та же часть ядер атомов от исходного количества.

Математическое выражение закона:

или ,

где или - активность исходная,

или - активность в данный момент, т.е. количество ядер атомов радионуклида, оставшееся от исходного через интервал времени;

- поправочный коэффициент;

е – основание натурального логарифма (= 2,72),

λ – постоянная радиоактивного распада, размерность: и – ;

t - интервал времени, в течение которого происходил распад данного радионуклида;

– физический период полураспада данного радионуклида.

Величина, обратная постоянной распада называется продолжительностью жизни ядра.

Между λ и Т_физ существует обратная зависимость:

и .

Отсюда: .

Таким образом, кривая радиоактивного распада подчинена экспоненци­альному закону и, следовательно, статистическим закономерностям, т.е. математически может быть определено количество радиоактивных атомов.

Необходимо заметить, что ядра атомов одних и тех же изотопов одних и тех же химических элементов, хотя и подчинены закону радиоактивного распада, распадаются не синхронно, а в разное время. Поэтому при одном и том же времени счёта получаются различные значения количества радиоактивного вещества.

Следовательно, для избежания или уменьшения ошибки, необходимо такие расчёты и измерения производить несколько раз и пользоваться их средней.

На практике для характеристики скорости радиоактивного распада вместо постоянной распада используют понятие продолжительность жизни радиоактивных изотопов, которую оценивают по периоду физического полураспада - , т.е. время, за которое остаётся их половина.

Табл. 3.3.

Периоды физического полураспада радионуклидов – Т_1/2.

При оценке количественного содержания (концентрации) данного радионуклида в массе какого-либо вещества, взвеси или растворе жидкости в практической работе используются удельная и объёмная активность:

А_{удельная} - активность данного радионуклида в массе вещества, в котором он находится. Единица измерения: в СИ - 1Бк/кг, в СГС - 1 Ки/г, а на практике - 1Бк/кг и 1 Ки/кг.

А_{объёмная} - активность данного радионуклида в объёме раствора или взвеси вещества, в котором он находится. Единица измерения в СИ - 1Бк/м³, в СГС - 1 Ки/см³, а на практике - 1Бк/л и 1 Ки/л.

А_{поверхностная} - поверхностная активность, применяется для оценки степени загрязнённости поверхности объекта. Единица измерения в СИ – 1 Бк/м² и в СГС – 1 Ки/см², а на практике - 1Бк/км² и 1 Ки/км².

Дозиметрия – метод измерения количества (дозы) энергии ионизирующего излучения. Приборы – дозиметры.

Способы клинической дозиметрии: биологические

физические

химические

математические

Для измерения кинетической энергии излучений используется внесистемная единица электрон-вольт (эВ или eV).

За 1 эВ принята кинетическая энергия движения от катода к аноду элементарной заряженной частицы, а именно электрона, находящегося в электрическом поле при разности потенциалов в 1 вольт.

В системе СИ энергия и совершаемая при её передаче веществу работа измеряются в джоулях.

1 Дж = 6,25∙10¹⁸ эВ или 1 эВ = 1,6∙10^-19 Дж.

Дозиметрия позволяет определить дозы экспозиционную и поглощённую.

Экспозиционная доза - количество энергии ионизирующего излучения, испускаемого источником.

Прямого метода её измерения нет и поэтому она определяется косвенно по поглощённой энергии в воздухе.

Единица измерения в СИ – 1 Кл/кг, когда в массе воздуха в 1 кг под воздействием ионизирующего излучения образуются положительно и отрицательно заряженные частицы с суммарным зарядом в 1 Кл.

1 Кл (кулон) = 3∙10⁹ элементарных зарядов.

Внесистемная единица измерения – 1 Р (рентген), когда в массе воздуха 0,001293 г, содержащегося в 1 см³ при температуре 0º Цельсия и давлении 760 мм ртутного столба, образуется 2,08·10⁹ пар ионов обеих знаков.

1 Кл/кг = 3876 Р.

1 Р = 2,58∙10^-4 Кл/кг.

Мощность экспозиционной дозы – интенсивность, т.е. количество ионизирующего излучения, испускаемого источником в единицу времени.

Единица измерения в СИ – 1 Кл/кг·с = 1 А/кг.

Внесистемная единица измерения – 1 Р/с.

Поглощённая доза - количество энергии ионизирующего излучения, поглощённой облучаемым объектом.

Единица измерения в СИ – 1 Гр (1 грей), когда в массе облучаемого вещества в 1 кг образуются положительно и отрицательно заряженные частицы с суммарным зарядом в 1 Кл и, следовательно, совершается работа по передаче энергии в один джоуль: 1 Гр = 1 Дж/кг.

Внесистемная единица измерения – 1 рад (абревиатура - рентген-абсорбированная доза), т.е. энергия ионизирующего излучения в 100 эрг, поглощённая (абсорбированная) 1 г вещества облучаемого объекта.

Эрг - единица работы и энергии в системе единиц СГС. 1 эрг равен работе силы в 1 дин.

1 дина - единица измерения силы в системе единиц СГС, равна силе, которая, воздействуя на тело массой в 1 г, сообщает ему ускорение при перемещении точки приложения силы на расстояние 1 см в направлении действия силы: 1 см/с².

1 дин = 1 г · см/с² = 10⁻⁵ Н.

1 эрг = 1 г·см²/с² = 10^-7 Дж (точно) = 6,24150965(16)·10¹¹ эВ.

1 Гр = 100 рад и 1 рад = 0,01 Гр.

Поглощённая доза определяется величиной переданной энергии при взаимодействии носителей этой энергии с веществом.

Поглощённая доза (Д_рад) у живых организмов в основном зависит от плотности облучаемой ткани и определяется по формуле:

Д_рад = Д_р∙к,

где Д_р – экспозиционная доза в рентгенах,

к – коэффициент перехода от рентген к радам (Р/рад) в зависимости от энергии квантов (от 10 до 10000 кэВ):

воздух – 0,83

жировая ткань – от 0,44 до 0,97

мышечная ткань – от 0,84 до 0,93

костная ткань – от 0,82 до 4,75.

В среднем для живого организма он составляет 0,93 и для удобства в расчётах округлённо принимается за 1.

Мощность поглощённой дозы – интенсивность, т.е. количество поглощённой энергии ионизирующего излучения облучаемым объектом в единицу времени.

Единица измерения в СИ: 1 Гр/с = 1 Дж/кг∙с = 1 Вт/кг.

Внесистемная единица измерения в СГС – 1 рад/с.

Эквивалентная доза - поглощенная доза с поправкой на коэффициент биологической эффективности.

Эквивалентная доза - неодинаковое по величине биологическое действие, которое оказывают различные виды ионизирующих излучений одной и той же поглощённой дозой, т.е. является биологическим эквивалентом поглощённой дозы. Она определяется с помощью коэффициента относительной биологической эффективности – k. Последний зависит от энергии излучения, массы и скорости носителя энергии излучения, а также от плотности облучаемого объекта.

Иначе, эквивалентная поглощённая доза - одинаковое биологическое действие, полученное вследствие поглощения различного количества энергии ионизирующих излучений переносимых различными корпускулами и фотонами.

Единица измерения эквивалентной дозы в СИ - 1 Зиверт (Зв), равный 1 Гр∙k, т.е. биологический эквивалент Гр, где k - поправочный коэффициент, учитывающий плотность ионизации в зависимости от ионизирующей способности различных видов излучений, т.е. носителей энергии, обусловленной их массой, зарядом и скоростью:

И.С. = mI^2-5/u,

где m - масса,

I - энергия,

u - скорость.

Следовательно, ионизирующая способность или, иначе, линейная потеря энергии (ЛПЭ) пропорциональна массе, заряду и обратно пропорциональна скорости носителя этой энергии.

Она также обусловлена плотностью и толщиной структур облучаемого объекта и с их возрастанием увеличивается.

Таким образом, плотность ионизации для тяжелых частиц очень большая с пробегом в тканях до нескольких десятков (30-50-70) мкм, для легких частиц - умеренная с пробегом в тканях 2-3 и до 10-20 мм, фотонов - рыхлая с пробегом в тканях на десятки см.

Отсюда вытекает, что биологический эфффект при воздействии ионизирующего излучения зависит не только от поглощенной дозы, но и от распределения энергии излучения в микрообъеме, что напрямую связано с плотностью ионизации и возрастает по мере увеличения последней.

В зависимости от типа излучения и величины энергии механизм взаимодействия различен. Но в конечном итоге это приводит к ионизации облучаемого вещества, а для биологического объекта - к деструкции или частичному изменению структуры с полной или частичной потерей ее функции, а также извращению последней.

Внесистемная единица измерения - бэр (биологический эквивалент рада): 1 бэр = 1 рад∙k.

В качестве стандарта, принятого условно за 1 - единицу относительной биологической эффективности, при воздействии на живой объект ионизирующего излучения, берётся соответствующее рентгеновскому с энергией в 180-250 кэВ. Это и есть коэффициент качества или коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) - k.

Иначе, эквивалентная доза показывает одинаковое биологическое действие, вызванное неодинаковой поглощённой дозой при облучении различными носителями энергии ионизирующего излучения, биологическим эквивалентом взаимодействия которых с облучаемым веществом является поправочный коэффициент k.

Табл. 3.4.

Значения поправочных коэффициентов в зависимости

от вида ионизирующего излучения k_эквив.

Мощность эквивалентной дозы - 1 Зв/с (СИ) и 1 бэр/с (СГС).

Эффективная доза – интегральная эквивалентных доз отдельных тканей, органов и систем организма в целом.

Относительная биологическая эффективность излучения – это коэффициент, который характеризует относительную эффективность действия радиации с разными значениями линейной передачи энергии (ЛПЭ) относительно определённого биологического эффекта.

Эффективная доза D_eff – поглощённая доза с поправкой на коэффициент поглощения тем или иным видом биологической ткани.

Эффективная эквивалентная доза (ЭЭД) является основной дозиметрической величиной для оценки возможного ущерба здоровью в результате хронического воздействия ионизирующего излучения произвольного состава. Она характеризуется опасностью возникновения стохастических эффектов и зависит от учитываемого тканевого фактора, а также средней эквивалентной дозы в органах и тканях.

Ожидаемая эквивалентная доза – сумма эквивалентных доз облучения, полученная за определённый период жизни. Эта величина является интегральной по интервалу времени и мощности эквивалентной дозы или, если не указан интервал времени, за 50 лет для взрослых и 70 лет для детей.

Ожидаемая эффективная доза – интегральная мощность эффективной дозы, определяемая по интервалу времени и мощности эффективной дозы или, если не указан интервал времени, то за 50 лет для взрослых и 70 лет для детей.

Коллективная эквивалентная доза и эффективная доза определяются для той или иной популяции людей или отдельных её групп. Единица измерения эквивалентной, эффективной и эквивалентной эффективной дозы – 1 зиверт (1 Зв).

Табл. 3.5.

Значения поправочных коэффициентов в зависимости от типа тканей и органов - k_эффект

С целью унифицированной в сопоставлении оценки единиц измерения в радиологии используются кратные и дольные. Кратные составляют целое число раз больше, а дольные – меньше (часть) от установленной единицы физической величины. В международной системе единиц (СИ) приняты приставки для образования наименований кратных и дольных (см. табл. 3.6.).

Табл. 3.6.