预防医学专业课件

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,医学辐射防护学,,,第一章 绪 论,,辐射的概念,,广义概念 泛指一切微观粒子的发射以及能量传递过程。,,狭义概念,指任何可以引起物质电离或激发的微观粒子发射和能量传递过程，即电离辐射。,,电离辐射的特点,,穿透性,,不可感知性,,电离和激发,（一）天然辐射,,1,．宇宙射线,,,宇宙射线是环境辐射的一个重要成分，它产生于宇宙或太阳系，进入大气层后，通过核反应释放一系列次级粒子及放射性核素。宇宙辐射包括银河宁宙辐射和太阳辐射，,90,％由质子组成，其余部分为,α,粒子和重离子，大

2、多数宇宙辐射到达地球表面时对环境辐射的贡献很小。,,宇宙射线的照射强度，随海拔高度上升而增强。,,辐射的来源,Cosmic Exposure at Different Altitudes,15 km 10 µSv/h,,10 km 5 µSv/h,6.7 km 1 µSv/h (Himalayan peaks,),3.7 km Lhasa Tibet,2.25 km ~ 0.1 µSv/h Mexico City,1.6 km Denver,,,Sea level 0.03 µSv/h,360 km,100 km,,40

3、,µSv/h,Large solar particle events can,,cause doses of 1 Sv or more,,dependent on shielding (electrons).,Flight crews receive typically ~ 2 Sv/y and collective effective dose in the UK (24,000 workers) is ~50 man Sv/y,,2,．陆地辐射,,陆地辐射包括两部分，即存在于地球表层的长半衰期核素及宇宙粒子与大气层中原子发生核反应产生的核素。,,陆地辐射中由,,射线所致室外空气剂量率，

4、全球平均约为,57nGy,／,h,，我国平均值为,62nGy,／,h,。,,射线室内剂量率估计值全球平均约为,80nGy,／,h,，我国平均值为,99nGy,。,,室内空气中氡及其子体浓度一般高于室外空气，而且楼房层次愈低，室内氡浓度愈高，窑洞＞平房＞楼房。室内氡主要是来源于房屋下的土壤、建筑材料和室外空气进入。,（二）人为辐射,,,1,．核能源生产,,核电生产中各环节释放出对局部区域和环球发生影响的放射性核素的剂量很小，每生产,1MW,核能所致最大累积剂量值约为,0.038,人,·Gy(,骨剂量,),，按全世界范围内总装机容量,500GW,计算，产生的总骨剂量为,1.9,×,l0,4,人,

5、·Gy,，以全球,40,亿人口计算，只相当于自然辐射平均值,(9.2,×,l0,4,Gy·,人,),，也就是说所有核电站全部运转产生的年辐射贡献，相当于,44h,的自然辐射值。,,,2,．人类其他活动产生的辐射,,医疗照射是辐射来源的一个主要因素，它主要影响接受照射对象和医用,x,射线工作人员。对全球范围的集体有效剂量贡献最大的是诊断,x,射线的应用，总剂量为,2,×,l0,6,人,·Gy,，约为自然辐射剂量值的,50,％ 。,Sources,Environment,,People,,Workers,Population,,Under control,Industrial,Medical,,,

6、,,,,,,can be,limited,at the source, environment and man,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Not under control,cosmic,terrestrial,,radon,,Natural,,internal,,,,,,,can be,reduced,at the environment or man by,interventions,,,Accidental,,,医学中所接受的辐射,,核医学的内容及其特点：,,临床核医学,,诊断,,,X,线检查,(radiology),,,超声检查,(ultrasound),,

7、,MRI,检查,,,(magnetic resonance image),,,,,解剖成像,SPECT/CT,,PET/CT,,功能成像,器官功能测定、体外放射分析,(RIA),等。,,治疗：,,甲状腺机能亢进（,hyperthyreosis,）,,甲状腺癌,(thyroid carcinoma ),,转移性骨痛,(multisite metastatic pain),,骨肿瘤,(bone cancer),,实验核医学,核素示踪技术,,(radionuclide tracer technique),,体外放射分析法,,(radioimmunoassay),,放射自显影术,,(radioauto

8、gram),,,影像医学,、,核医学,和,放射医学,三个不同的研究和应用方向难以截然分开，,共同点均为利用核技术在医学领域中进行临床诊疗和基础研究工作。,,这些研究工作均需要进行放射防护安全方面的理论知识。,,核医学与放射防护发展简史,,核医学方面,1895,年,Wilhelm Roentgen,发现,X,线,1896,年,Henri Becquerel,发现放射性核素,1898,年,Marie curie,和,Pierre Curie,提取,polonium,和,radium,1934,年,Joliet,和,Curie,发现人工放射性核素,1949,年 有了商品,γ-,照相机,,1964,年

9、,David Kuhl,和,Edwards,研制了第一台,SPECT,,,1975,年 研制了第一台,PET,1949,年 发明了第一台闪烁扫描仪,,1938,年,32,P,治疗白血病、,1941,年,131,I,治疗甲亢、,1946,年,131,I,治疗甲癌。,,放射防护方面,惨痛的代价,,Marie curie,和女儿均死于放射引起的白血病,20,世纪初的镭,(Ra),事件,,多次核事故以及核灾难的发生,,放射防护事业的发展历程,1913,年德国首先成立伦琴学会发布了有关指南,1925,年召开了第一届国际放射学大会，并成立,—,国际辐射单位与测量委员会（,international com

10、mission on radiation units and measurements,，,ICRU,）,1928,年成立了第一个国际组织,“,X,线和镭的防护委员会,”,,1950,年成立国际辐射防护委员会,,（,international commission on radiological protection,，,ICRP,）,之后相继成立了,IAEA,、,UNSCEAR,、,ICNIRP,、,ABCC-RERF,等国际性组织和研究机构,,联合国,United Nations,IAEA,UNSCEAR,独立的非政府国际组织,ICRP,辐射剂量,出版物机构,环境保护,医疗照射防护,放射生

11、物效应,ICRU,推荐剂量和单位,测量方法,提供有关参数,ICNIRP,提供健康指导,推荐曝露限值值,发布出版物,辐射防护相关国际组织,我国放射防护事业的发展,,法,行政法规,部门规章,技术标准,技术报告 导则指南,国家标准化管理局,全国各有关专业,,标准化技术委员会,全国人民代表大会,国务院,各部委,我国放射防护法规与标准体系结构图,法律,,《,中华人民共和国职业病防治法,》,,《,中华人民共和国放射性污染防治法,》,,,,行政法规,,《,放射性同位素与射线装置安全和防护条例,》,,《,中华人民共和国民用核设施安全监督管制条例,》,,,《,中华人民共和国核材料管理条例,》,,,《,核电厂核事

12、故应急管理条例,》,,《,突发公共卫生事件应急条例,》,,,,,部门规章,,,卫生部、国家环境保护总局、国防科工委，以及公安部等，这些有关部委局先后制定颁发了一批有关放射工作许可制度及放射防护管理办法、核与放射事故管理规定、放射工作人员职业健康管理办法、放射防护器材与含放射性产品管理办法、核动力厂设计及运行安全规定、城市放射性废物管理办法、放射环境管理办法、放射性物质运输管理办法等等 。,《,放射性同位素与射线装置安全许可管理办法,》,,《,放射诊疗管理规定,》,,《,放射工作人员职业健康管理办法,》,,技术标准,,,以我国,《,电离辐射防护与辐射源安全基本标准,》,（,GB 18871,—,

13、2002,）最重要，,派生出了一大批各种放射防护次级专项标准，包括国家职业卫生标准、各类行业标准等。,,,技术报告和导则指南没有强制性效力，乃是有关机构、组织和专家所撰写的，属于进一步具体诠释各有关法规与标准，以增加对法律、法规的理解。,,第二章 核辐射的物理基础,,原子结构、,X,射线与核素,,,元素（,element,）的基本单位是原子，原子由原子核和核外电子构成。,,原子核内有不同数目的质子（,proton,，,P,）和中子（,neutron,，,N,） ，统称为核子（,nucleon,）。,,原子核内质子数目和中子数目之和为原子核的质量数，用“,A”,表示，因此，整个原子核内中子数目,

14、N=A,－,Z,。,,原子结构,,核素、同位素和同质异能素,,一般情况下原子核处于最低能量状态，称为基态（,ground state,）。当受到高能量粒子轰击或核内部发生结构改变，原子可暂处于高能量状态，称之为激发态（,excited state,）。激发态不会持久，将迅速释放能量，而恢复至基态，这种能量的释放过程称为跃迁（,transition,）。,,基态和激发态,,,,,,ground state,excited state,,核素、同位素和同质异能素的概念,,质子数相同，中子数相同，能量状态相同的一类原子的集合称为核素（,nuclide,）。,,核内质子数相同，即在元素周期表中处于同一

15、位置，但中子数不同的核素互称为某元素的同位素（,isotope,） 。,,质子数、中子数均相同，但能量状态不同的核素称为同质异能素（,isomer,） 。,,稳定性核素和放射性核素,,,原子核内的核子之间存在着引力，称为核力（,nuclear force,），为短程力，受核子数目的影响 。,,除了核力外，还存在静电斥力，该力为长程力，不受核子数目影响，但与电荷量有关。,P,﹕,N=1,﹕,0,～,1.5,时，核力与静电斥力基本平衡，原子核处于稳定状态。处于稳定状态的核素称为稳定性核素（,stable nuclide,）。,,,当原子核内部处于不稳定状态，产生了能级的变化，转化为另一种核素。这种

16、自发的核内结构或能量的变化过程称为核衰变（,nuclear decay,），变化过程中释放的具有一定能量的粒子称为放射线（,radiation,）。释出放射线的核素称为放射性核素（,radio-nuclide,）。,,,原子核的衰变、裂变与聚变,,核衰变类型与规律,1.α,衰变（,alpha decay,）,,原子核内要释放,2,个质子和,2,个中子组成的,称之为“,α”,粒子。,2.β,衰变（,beta decay,）,,当核内质子、中子比例不当时，质子和中子将产生相互转换，达到核内调整结构的目的。其特点是原子的质量数不变，只有原子序数改变（相差,1,），分为,β,-,和,β,+,,和电子俘

17、获三种形式。,（,1,）,β¯,衰变,,,主要发生在中子相对过多的核素。中子转化为质子，释放负电子，称为,β¯,粒子。,（,2,）,β,+,衰变,,主要发生在中子数相对不足的核素，核内由质子转化为中子，释放正电子，称为,β,+,粒子。,,,,（,3,）电子俘获（,electron capture,，,EC,）,,对于中子数相对较少某些核素，原子核从核外内层的电子壳层俘获一个电子，使核内的一个质子转化为中子，同时释放一个中微子，随后较外层的电子跃入内层轨道填补空穴。由于外层能级高于内层能级，因此，多余能量以电磁辐射（即特征,X,射线）形式释放。或者该能量传递给另一壳层电子，使之脱离轨道逸出，称为

18、俄歇电子（,auger electron,）。,,（,4,）,γ,跃迁与内转换现象,,,经过,α,或,β,衰变的核素，在衰变的过程中可能导致原子核处于高能的激发态，核内多余能量以电磁辐射形式释放后返回基态，该过程称为,γ,跃迁。,,有时在核内多余能量释放过程中，也可能将能量传递给核外壳层电子，使之脱离其运行轨道而逸出，这种现象称为内转换现象。逸出的电子称为内转换电子（,internal conversion electron,）,X,射线和,γ,射线都是光子，它们的不同之处：,γ,射线来源于核内能量释放，而,X,射线为核外电子跃迁过程中的能量释放。,放射性核素衰变规律及其度量,,核衰变是随机性

19、的，单位时间衰变的原子核数目与核,,的总数成正比，并且随着时间的增长，遵循一定的规律而,,减少。,,,,物理半衰期,(physical half life,，,T,1/2,):,指放射性核素的,,原子核数目衰变到原来的一半所需要的时间。,,λ,称为衰变常数（,decay constant,），是放射性核素衰变的特征参数，表征单位时间原子核发生衰变的速率。,,放射性活度、放射性比活度与放射性浓度,,放射性活度（,A,）,是指在一定的时间（,dt,）内处于特定,,能态的一定量的放射性核素发生自发衰变（,dN,）的期望值。,,国际制单位为,Bq,，,Bq,其表示每秒内核衰变的次数，,1Bq,表示,,

20、每秒有,1,次衰变。旧有单位为居里（,Ci,），,1Ci = 3.7×10,10,Bq,,,,,单位质量中所含的放射性活度称为比活度或比放射性。一般用,Bq/kg,或,Bq/mol,为单位。,,单位容积溶液中所含放射性活度称为放射性浓度，以,Bq/ml,或,Bq/L,为单位。,,核裂变与核聚变反应,原子核的核裂变反应是目前获得核能的主要途径,一些重核如果分裂成二个中等质量的原子核时，会同时释放出中子和能量，这一过程称为原子核裂变（,nuclear fission,）。,,自发裂变是原子核在没有入射粒子轰击的情况下自行发生的核裂变。,诱发裂变是在入射粒子的轰击下重核发生的裂变。,,由两个氢原子合

21、为一个氦原子，就叫核聚变。,,,放射线与物质作用的物理基础,,电离与激发作用,,带电粒子与物质的核外电子发生静电作用，如果,,导致物质中的原子失去轨道电子形成正负离子对，称为,电离（,ionization,）作用,。,,传能线密度,(linear energy transfer,，,LET),是指带电粒子穿过物质时，在其单位长度径迹上所转移的能量。,,如果带电粒子使照射物质轨道电子从内层跃迁至外层，整个原子处于能量较高的激发态，此过程称为,激发（,excitation,）,作用。,,带电粒子与物质的相互作用,,散射与吸收,,,带电粒子受到物质原子核库仓电场作用而发生方向偏折和能量的改变，称为散

22、射（,scattering,），只改变运动方向而能量不变者称为弹性散射（,elastic scattering,）。,,如果射线通过物质时，由于各种作用的机制，导致带电粒子的动能全部丧失而不复存在的过程称为吸收（,absorption,）。,,,β,粒子在介质中受到阻滞而急剧减速，部分能量甚至全部能量转化为电磁辐射，称为轫致辐射（,bremsstrahlung,）,。其发生的几率与,β,能量及介质的原子序数成正比。因此在放射防护中要注意，,β,粒子吸收体和屏蔽应采用低密度材料，如有机玻璃、铝或塑料等。,,轫致辐射与湮没辐射,,β,+,通过物质时和核外电子相互作用，消耗能量而相互结合，同时转化为

23、两个方向相反，能量各为,0.511MeV,的,γ,光子而自身消失，这种过程称为湮没辐射（,annihilation radiation,）,X,、,γ,射线与物质的相互作用,,光电效应：光子与介质原子的轨道电子碰撞，把能量全部交给轨道电子，使之脱离原子，光子消失，这一作用能够过程称为光电效应,(photoelectric effect),。脱离轨道的电子称为光电子。,,康普顿效应：能量较高的光子与核外电子碰撞，将一部分能量传递给电子，使之脱离原子轨道成为高速运行的电子，而光子本身能量降低，运行方向发生改变，成为康普顿效应,(Compton effect),。,,电子对生成：当光子能量大于,1.

24、022MeV,时，在物质原子核电场作用下转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对生成,(electron pair production),。,第三章 人体辐射计量学,辐射,的基本概念,,辐射是不需要介质参与而进行能量传递的一种现象。,性质分类,电磁辐射 其本质是电磁波，,X,射线、,γ,射线和紫外线等 。,粒子辐射 如,α,粒子、,β,粒子、中子等。,,作用分类,,电离辐射 可以产生电离作用,非电离辐射 不产生电离作用,狭义的辐射仅指电离辐射。,,电离辐射计量学,X,射线或,γ,射线照射,dm,质量空气时便与空气中的原子相互作用，部分放射线损失的能量被原子中的电子获得而使

25、原子电离，当这些获能电子被完全吸收时所产生的同种符号离子（或带电荷原子）的总电荷量（,dQ,）称为照射量（,exposure,，,X,）。,,照射量,(X),,照射量的国际单位,(SI),是库仑,/,千克,(C/kg),，目前照射量的测量仅适用能量在,10keV,～,3MeV,范围内的,X,射线和,γ,射线，其他放射性粒子不能用照射量来度量。单位时间内的照射量称为照射量率,(exposure rate),。,,吸收剂量,(,D),,,吸收剂量,(absorbed dose,，,D),指单位质量物质所接受的电离辐射的平均能量。,dm,为被照射物质的质量，,dE,为其吸收的辐射能。,,吸收剂量,(

26、,D),是放射领域内一个非常重要的量，它适用于任何类型的电离辐射和任何被照射的物质，并适用于内、外照射。吸收剂量的国际单位,(SI),为：,J/kg,，专用名称：戈瑞,(gray, Gy), 1Gy=1J/kg,。旧制单位是拉德,(rad),。,1Gy=100rad,同样也存在吸收剂量率,(Gy/s ),,,比释动能（,K,）,,比释动能,(kinetic energy released in mass,，,kerma,，,K),指不带电致电离粒子与物质相互作用时，在单位质量的物质中产生的带电粒子的初始动能的总和。,,d,E,tr,是不带电致电离粒子在特定物质的体积内释放出来的所有带电粒子的初

27、始动能总和；,dm,为所考虑的物质质量。,比释动能的单位与吸收剂量相同,,当量剂量,(equivalent dose,，,H,T, R,),就是吸收剂量与辐射权重因数,(radiation weighting factor, W,R,),的乘积。,,当量剂量,(,H,T, R,),H,T, R,为,R,类辐射在组织或器官,T,中所受到的当量剂量；,D,T, R,为,R,类辐射在组织或器官中所致的平均吸收剂量；,W,R,为,R,类辐射的辐射权重因数。,专用单位 希沃特,(Sievert,，,Sv),,,表,3-2,不同辐射类型的辐射权重因数,W,R,,,,辐射类型,,能量范围,W,R,,光子,,

28、所有能量,1,,电子和介子,,所有能量,1,,中子,,＜,10keV,5,,10 keV,～,100keV,10,,100keV,～,2MeV,20,,2 MeV,～,20MeV,10,,,＞,20MeV,5,,质子,(,反冲质子除外,),,＞,2MeV,5,α,粒子、裂变碎片、重核,,20,,有效剂量（,E,）,,是指全身受到均匀照射或不均匀照射时，将不同组织当量剂量（,H,T,，,R,）与组织权重因数加权的平均值。,,表,3-3,组织权重因数,(WT),专用单位 希沃特,(Sievert,，,Sv),,,待积剂量,,待积剂量（,committed dose,）指放射性核素进入体内的剂量积分

29、估算，根据待积剂量的概念还可以推倒出待积吸收剂量、待积当量剂量和待积有效剂量等。,,待积当量剂量（,committed equivalent dose,,H,T,（,τ,）,）指单次摄入的放射性物质在其后的,τ,年内对所关心的器官或组织所造成的总剂量累积值。,,,,待积有效剂量,(committed effective dose,，,E,(τ),),,如果单次摄入,R,类放射性核素对人体器官或组织（,T,）造成的待积当量剂量,H,T,（,τ,）,乘以相应的权重因子,W,T,，随后对所涉及的器官或组织（,T,）求积，,,H,T,（,τ,）,为积分至,τ,时间时组织（,T,）的待积当量剂量；,W,

30、T,为组织,T,的组织权重因数。,比释动能,K,当量剂量,H,,辐射场,,(,照射量,X),空气,待积剂量,核素进入体内,待积当量剂量,待积有效剂量,）,吸收剂量,D,有效剂量,E,电离辐射源,常用电离辐射量间相互关系,,,,,,,非电离辐射计量学,,电磁辐射计量,电磁辐射来源,,自然界，如雷电、台风、太阳的黑子活动与黑体辐射等,人工电磁辐射,,,如一些医疗设备、电脑、微波炉、手机、收音机、电视广播发射机和卫星通讯装置等。,无线电波、微波、红外线、可见光和紫外线等一般称为非电离辐射或称电磁辐射。,频率极高的,X,射线和,γ,射线可造成人体组织的间接电离，归在电离辐射的范畴。,公式：,电磁波频率

31、（,frequency,，,f,）、波长（,wave length,，,λ,）与波速（,wave velocity,，,c,），,h,为,Plank,常数。,λ,Z,E,H,,平面电磁波空间传播图,,电场中某点的电荷受到的电场力与它所带电量的比值称为电场强度,(electric field intensity,，,E),，电场强度的国际单位是牛顿,/,库仑,(N/C),或伏特,/,米,(V/m),。,,磁场强度（,magnetic field intensity,，,H,）指磁场中单位磁极所受到的力。它的国际单位制（,SI,）是安培,/,米（,A/m,）。,,电场强度和磁场强度,,电磁波能流密

32、度,,电磁波传播的能量称为电磁辐射能，在单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积上的电磁波能量称为电磁波能流密度（,energy flow density,，,S,），能流密度是矢量，如果在一个时间周期内求得能流密度的平均值又称为平均能流密度,,。,它的国际单位是瓦（特）,/,米,2,，,W/m,2,。,S=E H,电磁辐射场所,,远区场（感应场）,,S= E H = E,2,/377,近区场（辐射场）,,电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系。,比吸收率,,比吸收率（,specific absorption rate,，,SAR,）指单位受照组织吸收的电磁辐射能量，它的国际单位是瓦特,/,

33、千克（,W/kg,），,,核磁共振计量,磁感应强度,,描述静磁场常用磁感应强度（,magnetic induction,，,B,）表示，磁感应强度指在磁场中垂直于磁场方向的通电导线，所受的安培力,F,跟电流,I,和导线长度,L,乘积的比值。,B=F/IL,,磁感应强度的国际单位是特斯拉,(T),，,T,的含义是牛顿,/,安培,•,米,(N/A • m),。,1T=1N/A• m,,在高斯单位制中，磁感应强度的单位是高斯,(Gauss,，,Gs),，高斯与特斯拉（,T,）的关系为：,1T=10,4,Gs,。,,第四章 电离辐射生物学作用原理,,电离辐射对生物体作用的化学基础,自由基等活性基团,

34、,自由基,(free radical),是指能够独立存在、具有一个或多个未配对电子的原子、分子、离子或原子团。如,,较分子氧的化学性质更为活泼的氧衍生物或其代谢产物统称为活性氧,(reactive oxygen species),。如,等,等,,,概括说大部分含氧自由基是活性氧，但活性氧不一定都是自由基。,,氧的单电子还原物，如,O,2-,,和,O,-,，及,HO,2·,和,HO·,；,,氧的双电子还原物,H,2,O,2,；,,烷烃过氧化物,ROOH,及其均裂产物,RO·,和,ROO·,；,,处于激发态的氧、单线态氧和羟基化合物。,自由基作用的化学基础,,,抽氢反应,(hydrogen abs

35、traction),；,,加成反应,(addition reaction);,,,电子俘获,(electron capture);,,,还原反应,(reduction reaction);,,,过氧化反应,(peroxidation reaction);,,,歧化反应,(dismutation reaction),。,,NO,及氮的其他氧化物或含氮的自由基（硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮等）统称活性氮（,reactive nitrogen species, RNS,），左旋精氨酸,(L-Arg),与氧分子在一氧化氮合酶作用下,,,分步骤产生,NO,。,活性氮的概念,,生物体的各类抗氧化体系,(,略

36、,),自由基等活性基团对生物分子的损伤作用,,破坏细胞膜，使膜脂质过氧化，引起膜结构的破,,坏；,,使细胞蛋白质氧化、脱氢，造成蛋白质的失活、,,结构改变、化学链的断裂，或使蛋白质交联和聚,,合，从而影响蛋白质的正常功能；,,使糖链的断裂和失活；,,引起核酸的损伤，造成细胞死亡。,水的辐射分解,,水的辐射分解和水分子的自发性电离有本质,,的区别。前者产生,• OH,和,H•,，后者形成,OH,+,和,H,+,。,,,,除电离和激发外，在有些例子中激发所需的能,,量超过电离所需的能量。这种能量状态称为超激发。,,水分子的原初变化中,27%,电离，,26%,激发，,47%,超激,,发。,,不断与水

37、分子碰撞，使水分子放出电子，产生次级电离，这些电子在自身运动中逐步丧失能量而被水分子俘获，生成水负离子,H,2,O,-,，不稳定的,H,2,O,-,在水中解离成氢自由基,H·,和,OH,-,。,,当电子能量降到,100eV,以下而未被俘获时，会吸收若干水分子形成水合电子,e,aq,_,，自由基和水合电子统称为水的原发辐射降解产物 。,,水的原发辐射降解产物常在小体积内成簇发生，这种小反应体积称为刺团（,spur,）。,,电离辐射生物学作用时间效应,,时间（,s,）,发生过程,物理阶段,,10,-18,,10,-16,~10,-17,,10,-15,,10,-14,快速粒子通过原子,,电离作用,

38、H,2,O~~~H,2,O,+,+e,-,,电子激发,H,2,O~~~H,2,O,*,,离子,~,分子反应，如,H,2,O+ H,2,O,+,→ HO,·,+ H,3,O,+,物理化学阶段,,10,-14,,10,-12,,化学阶段,,<10,-12,,10,-10,,<10,-7,,10,-7,,10,-3,,e-,在水合作用前与高浓度的活性溶质反应；,,e-,、,HO·,、,H·,及其他基团与活性溶质反应；,,刺团,*,（,Spur,）内自由基相互作用，核酸损伤；,,自由基扩散与均匀分布，脂质过氧化开始；,,eaq-,、,HO·,、,H·,与低浓度活性溶质反应,生物化学阶段,,10,-3,

39、~10,1,,自由基反应大部分完成、,DNA,损伤开始修复，潜在效应形成,早期生物学阶段,,数小时,,数天,,原核和真核细胞分裂受抑制,,中枢神经系统和胃肠道损伤显现,远后生物效应阶段,,数月至数年,,若干年,,造血障碍、晚期肾损伤、肺纤维样变性,,肿瘤和遗传效应,分子振动导致激发态解离,: H,2,O,*,→,,H,.,+,,HO,·,,转动驰豫，离子水合作用,e,-,→,,电离辐射的原发作用和继发作用,,前四个阶段可在极短时间内完成，又称电离辐射的原发作用,(initial affect),,后两个阶段指在生物大分子损伤的基础上，初始损伤进一步加重，细胞和组织的功能结构发生破坏，生理功能障

40、碍，进而导致组织和器官的一系列病理改变乃至出现临床症状，甚至机体死亡，此过程称继发作用,(secondary affect),。,,,直接作用（,direct effect,）是指射线将能量直接传递给生物分子，使其电离和激发，损害核酸、蛋白质、酶和脂类等生命物质的结构和功能。,电离辐射的直接作用和间接作用,,间接作用（,indirect effect,）指射线的能量直接沉积于生物体中的水分子，而不是生物分子，辐射沉积的能量引起水分子发生辐射分解，进而产生自由基等活性基团，这些自由基等活性基团可诱发生物分子损伤，它是通过水的辐射降解产物间接作用于生物分子引起损伤的。,辐射所引起的,DNA,损伤,

41、辐射与生物体的靶,辐射作用于细胞的靶主要有,DNA,和细胞膜。,,碱基的破坏或脱落 碱基的放射敏感性顺序为,,T>C>A>G,,糖基的破坏,DNA,链上不稳定位点的形成 特异性的核酸内切酶识别和切割碱基或糖基损伤部位形成,DNA,链断裂。,DNA,链的断裂,SSB,和,DSB,的形成。,DNA,交联 链内交联和链间交联。,DNA,损伤的特点,,染色质损伤,DNA,损伤的非随机性,嘧啶二聚体和链断裂在,DNA,上的非随机分布,DNA,蛋白质交联的组分选择性,染色体的脆性部位,DNA,损伤的复杂性,辐射所引起的膜损伤,,可引起膜的脂质过氧化，产生新的自由基，造成级联式反应

42、，加重膜的损害。,,造成膜蛋白和膜结合酶的变性与失活。,,氧化糖蛋白上的羟基，产生毒性物质。,,使膜的流动性和导电性发生改变。,,靶数学模型,细胞存活曲线描述辐射剂量与细胞存活分数之间,,的关系。,1.0,0.1,0.037,1,2,3,4,5,Dose (Gy),,D,0,D,q,,D,0,是使,SF,下降,63%,所需的剂,,量，代表平均致死剂量或平均,,灭活剂量。表示细胞内在放射,,敏感性的主要参数。,Dq,是克服曲线肩部所需剂量。,,也称阈剂量，表示细胞损伤修,,复能力的大小。,,单靶单击模型（,one target and one-hit model,）,,多靶单击模型（,more

43、target and one-hit model,）,,,线性,—,平方模型（,linear quadratic mode,，简称,LQ,模型）,相对生物效能与辐射敏感性,,相对生物效能,(relative biological effectiveness,，,RBE),是以,250keV X,射线或固定能量的,γ,射线引发某种生物效应所需剂量与所研究的辐射引发相同生物效应,(,种类与程度均同,),需要的剂量的比值。,或,通常情况下，,RBE,与,LET,呈正相关关系,。,,,辐射敏感性,,辐射敏感性,(ionizing radiation sensitivity,，,IRS),指各种生物有机

44、体对辐射敏感的程度。,,组织辐射敏感性与其细胞的分裂活动成正比而与其分化程度成反比。,,,,影响因素：,,细胞：,,细胞种类、细胞所处细胞周期时相、细胞周期调控、细胞内染色质结构与,DNA,构象、细胞对自由基的清除或耐受能力和对辐射损伤的修复能力有关。,M,期,> G2,期,> G1,期,>S,期,生物体,,辐射敏感性受生物体的进化程度、种属、不同的发育阶段、不同的组织器官等因素的影响。,,种系辐射敏感性与进化程度成正比，结构越复杂的生物体对辐射越敏感。脊椎动物,，哺乳类辐射敏感性高于鸟类、鱼类、两栖类和爬行类；哺乳动物，人、狗、豚鼠辐射敏感性高于兔、大鼠、小鼠。,,随个体发育趋向成熟而逐渐降

45、低，胚胎、幼体、成体的辐射敏感性依次降低。,,同一生物有机体内各种细胞和组织器官的辐射敏感性因其种类与生理机能状态不同而差异较大。,1.,高度敏感组织如性腺（卵细胞、生精细胞）、造血淋巴组织（淋巴细胞）、胸腺、胚胎组织、胃肠上皮（小肠隐窝上皮细胞）、骨髓等。,,2.,中度敏感组织如感觉器官（角膜、晶状体、结膜）、血管、淋巴管、内皮细胞、上皮组织、唾液腺、肝肾肺的上皮细胞等。,,3.,轻度敏感组织如中枢神经系统、内分泌腺（包括性腺内分泌细胞）、心脏。,,4.,不敏感组织如肌肉、骨、软骨组织、结缔组织。,电离辐射生物学作用的影响因素,影响因素,,辐射源相关的因素,受照机体的相关因素,环境相关因素,

46、,射线种类,辐射剂量,辐射剂量率,相同剂量分次照射,照射面积和部位,照射方式,辐射敏感性，同前,,温度,氧含量,化学物质,,辐射源相关的因素,放射线种类,高,LET>,低,LET,辐射剂量和辐射剂量率,<0.25Gy,，人可出现不明显、不易察觉的病变；受照,0.25,～,0.5Gy,，可出现可逆性功能变化，有时伴血象改变；受照,0.5,～,1.0Gy,，可出现功能、血象变化，无临床症状；,>1Gy,可出现各种放射病。,,一般剂量率越大，生物效应越显著，但也有“反剂量率效应 ” 的存在。,相同剂量分次照射,,第一次照射机体诱发的损伤在间隔时段内得到部分修复，表明机体存在代偿修复能力。,照射面积和

47、部位,,当其他照射条件相同时，辐射生物效应与受照面积成正相关。,腹部＞盆腔＞头颈部＞胸部和四肢,照射方式,,外照射,(external irradiation),和内照射,(internal irradiation),,环境相关因素,温度,,降温或冰冻可减轻辐射作用于机体产生的损伤称为温度效应,(temperature effects),。,,组织或溶液中氧浓度升高后，再给予射线照射可使辐射损伤程度加重，这种现象称氧效应,(oxygen effects),。,氧含量,氧增强比（,oxygen enhancement ratio, OER,）,,化学物质,,放射防护剂（,radioprotect

48、or,）,放射增敏剂（,radiosensitizer,）,,各类抗氧化剂以及自由基俘获剂。,,辐射增敏剂,代表物质,致敏机理,DNA,前体类似物,5-IudR,，,5-BrUdR,掺入,DNA,分子,,,增加其脆性。,亲电子类化合物,甲硝唑,,MISO,,去甲基,MISO,SR-2508, R,0,-03-8799(primonidazole),AK2123(Sanazole),夺取电离产生的电子，从而使,DNA,损伤固定。,巯基抑制和消耗剂,N-,乙基马来亚胺,,,顺丁烯二酸二乙酯,,丁胱亚碘酰亚胺,BSO(buthionine sulphoximine),耗竭和抑制体内具有防护作用的谷胱

49、甘肽量。,类氧化合物,NO, NPPN, TMPN,，,TAN,与靶分子氧特异自由基反应,,,损害靶分子。,DNA,修复抑制剂,阿的平,,,烟酰胺,,3-,氨基苯甲酰胺,,,放线菌素,D,抑制,DNA,损伤修复。,主要的辐射增敏剂,第五章 电离辐射的生物学效应,,,电离辐射生物效应分类,按生物效应出现的时间,,早期效应,(early effect),,迟发效应,(late effect),,按生物效应出现的个体,,躯体效应,(somatic effect),,遗传效应,(genetic effect),按生物效应出现的几率,,随机性效应,,(stochastic effects),,确定性效应

50、,,(deterministic effect),,电离辐射的细胞生物学效应,按时间分类,,间期死亡,(interphase death),,电离辐射的杀伤效应,,增殖死亡,(reproductive death),,按形式分类,,凋亡,(apoptosis),,坏死,(necrosis,,),,,电离辐射诱发细胞染色体畸变,染色体的特征,(centromere),satellite,染色体的各部分名称,电离辐射引起的染色体改变,基本规律：断裂和重接,最初变化是断裂。,结局,,原位重接,形成缺失、断片,发生互换重接,,染色单体型畸变：当细胞处于,S,期或,G2,期受到电离辐射作用时，断裂可以发

51、生在一条单体上，也可以发生在两条单体上，常见的染色单体畸变有以下类型：染色单体间隙、染色单体等点间隙、染色单体断裂，染色单体缺失、三射体、四射体。对评价辐射效应染色单体畸变意义不大。,,染色体型畸变：处于,G1,期或,G0,期的细胞受到电离辐射作用时，因为这时染色体尚未复制，其中单根染色丝被击断，经,S,期复制后，在中期分裂细胞见到的是两条单体在同一部位显示变化，因此导致的是染色体型畸变。按畸变在体内的转归，可以分为非稳定型畸变和稳定型畸变两类。前者包括双着丝粒、双着色环、和无着丝粒断片；后者包括相互易位,,,倒位和缺失。,染色体的辐射剂量估算,,染色体对电离辐射具有高度的敏感性，即使受照剂量

52、在,0.05Gy,，受照射后早期即可见畸变率增高。,,,通过建立的射线诱发染色体畸变,—,剂量效应关系，在发生电离辐射事故时，可抽取受照者血液分离淋巴细胞体外培养，做染色体畸变分析，通过染色体畸变,—,剂量效应关系估算受照剂量。但该方法只能用于比较均匀的急性照射，对不均匀和局部照射只能给出相当于均匀照射的剂量，也不能用于内照射、分次照射和慢性小剂量照射的剂量估算。,,电离辐射的随机性效应,,效应的发生机率与受照剂量的大小呈正比，但效应的严重程度与受照剂量无关，不存在阈值剂量。,致癌效应的基础,,基因组,DNA,损伤时辐射致癌的分子基础,,,射线的直接和间接作用引起,DNA,断裂，导致染色体畸变

53、，进而诱发细胞突变。,,肿瘤的单细胞起源学说,肿瘤发展的多阶段学说,经历“始动,-,促进,-,发展”三阶段。,,肿瘤的始动可通过原癌基因的激活形成癌基因，导致过度表达，激活机制包括基因易位和重排、基因扩增、点突变及高表达等。,,促进期的重要特征是可以促进细胞的分裂增殖，使被始动的干细胞克隆扩展成一个非终末细胞组成的病灶,—,癌前病变。辐射是一种弱的促进因子。始动后再给予，致癌后果显著增强。在低浓度下，可起明显作用。通常可以逆转。,,经过始动与促进两个阶段，正常细胞出现转化，逐步发展为癌细胞，此期是朝恶性方向越来越快的发展，成了独立的和侵入性的发展阶段。,电离辐射致癌的评估方法,绝对危险和相对危

54、险,,照射组癌症发生率与对照组或参与人群癌症发生率之差，称为绝对危险,(Absolute risk, AR),，也称为超额绝对危险,(excess absolute risk, EAR),。,,两组发生率之比，称为相对危险,(Relative risk, RR),,相对危险的增加数,RR-1,，称为超额相对危险,(ERR,）。,,计算单位剂量照射引起的危险称为危险系数,(Risk coefficient),。,EAR,系数为单位剂量增加的例数，用,10,-6,人,·,年,-1,·Sv,-1,表示，即每,10,6,人,·,年,·Sv,的增加例数。,ERR,系数为单位剂量的增加百分比,(%/Sv)

55、,。,,ICRP-60,的辐射致癌危险系数是以原爆人群癌症死亡的,EAR,年增加值和,ERR,值为基础，通过预测模型，向,5,个国家进行人群转移后得到的两性平均值。,辐射致癌的潜伏期,,最小潜伏期,中央值,最大潜伏期,白血病,2,年,8,年,40,年,其他癌症,10,年,16-24,年,终生,ICRP Publ. 60(1990),影响人类辐射致癌的因素,,宿主因素,:,,,遗传学易感性,,性别与激素,,年龄与时间因素,:,,,环境及生活因素的复合作用,:,,,剂量学因素,:,,电离辐射遗传效应,,由生殖细胞的变异引起,,辐射照射引起的遗传效应没有特异性,迄今没有人类资料肯定辐射所致遗传效应的

56、发生,,电离辐射的确定性效应,,,受照射生物机体产生效应的严重程度在阈值以上随剂量的增加而增加，存在剂量阈值。通常为,0.1-0.2Gy,。,,确定性效应包括除了癌症、遗传和突变以外的所有躯体效应和胚胎效应及不育症等。,,出生前确定性效应,胚胎效应,自发性流产,各类畸形和脑发育异常,,严重智力迟钝和智商下降,,出生后的确定性效应,全身性放射损伤,皮肤的电离辐射效应,,红斑 、脱毛、脱屑和表皮坏死,,,远期效应为表皮、汗腺、皮脂腺及毛囊萎缩，真皮纤维化，血管扩张，皮肤溃疡和皮肤癌等。,X,射线或,γ,射线在面积,10cm,2,引起皮肤红斑的剂量在一次短时间照射时约为,6,～,8Gy,，多次分割照

57、射时大于,30Gy,。,,,性腺的电离辐射效应,精原干细胞,精原细胞,初级精母细胞,精子,,10W,次级精母细胞,精细胞,卵原细胞,(,胚胎期,),卵母细胞,(,静止,),未成熟的卵泡,接近成熟的卵泡,成熟的卵泡,,成熟的雌性,,辐射对生殖细胞的损伤，在雄性中最危险的,精原干细胞,，在雌性中最危险的是未成熟的,卵泡,。,,男性暂时不育剂量的阈值，睾丸单次照射的吸收剂量为,0.15Gy,,,在迁延照射条件下，剂量率为,0.4Gy/a,；永久性不育剂量的阈值为,3.5—6Gy,，剂量率的阈值为,2Gy/a,。,,在急性照射条件下，女性永久性不育剂量的阈值为,2.5—6Gy,；在迁延照射条件下，永久

58、性不育剂量率的阈值为,0.2Gy/a,。辐射造成女性不育时，伴有与绝经期相似的明显的激素水平改变。,,眼晶体的电离辐射效应,,,射线损伤晶体上皮细胞，其分解产物沉积在晶体囊的下方，进而病变向其他部位扩展使晶体产生混浊影响视力，产生白内障。,,潜伏期在,9,个月,-12,年，平均,2-4,年，并且剂量越大，年龄越小，潜伏期越短，进行性白内障的例数增加。,,诱发晶体混浊的阈剂量估计为,0.5,～,2.0Gy,（一次短时间照射）和,5.0Gy,（高度分割或延续照射的总剂量）。估计人类长期职业照射导致视力障碍的白内障的低,LET,照射剂量需要,8Gy,。,,其他器官的损伤效应,产生确定性效应的近似吸收

59、剂量阈值,,,器官,/,组织,效 应,吸收剂量阈值（,Gy,）,,,,短期照射,,(,单次剂量,),长期照射,,(,年剂量，迁延多年,),睪丸,暂时不育,0.15,0.4,,永久不育,3.5,～,6,2,卵巢,不育,2.5,～,6,＞,0.2,眼晶体,可检出的混浊,0.5,～,2,＞,0.2,,视力障碍,(,白内障,),5,＞,0.2,骨髓,造血功能抑制,0.5,＞,0.2,皮肤,红斑,(,干性脱屑,),2,－,,湿性脱屑,,表皮和深部皮肤坏死,18,,25,－,,－,,皮肤萎缩伴并发症及毛细血管扩张,10,～,12,1,全身,急性放射病,(,轻度,),1,－,,电离辐射对寿命影

60、响,,动物研究发现，小鼠受照后寿命缩短与受照剂量相关，但在人类未得到证实。,,,儿童的确定性效应,,,接受相同剂量照射后出现的确定性效应比成年人更严重，而且可以出现生长发育障碍，激素水平低下，器官功能不足，智力低下等。,,在卫生部,2006,年颁发的,《,放射诊疗管理规定,》,中明确规定：不得将放射性核素显像检查和,X,射线胸部检查列入对婴幼儿及少年儿童体检的常规检查项目；对育龄妇女腹部或骨盆进行核素显像检查或,X,射线检查前，应问明是否怀孕；非特殊需要，对受孕后的,8,～,15,周的育龄妇女，不得进行下腹部放射影像检查。,,,小剂量低剂量率照射,,低水平辐射是指低剂量、低剂量率的照射，就人群

61、照射而言，低剂量指,0.2Gy,以内的低,LET,辐射或,0.05Gy,的高,LET,辐射，而低剂量率则指,0.05mGy/min,以内的各种照射。,,小剂量刺激作用,,适应性效应,第六章 电离辐射对造血和免疫系统的损伤,,,电离辐射对造血系统的影响,造血系统的组成及功能特点,造血干细胞,造血祖细胞,原始造血前体细胞,成熟功能细胞,血液系统的辐射损伤特点,,损伤出现迅速明显，恢复相对滞后缓慢。,,损伤表现有时相性。,,损伤程度与照射剂量平行。,,损伤时相和程度与病程分期和病情轻重相关。,,造血辐射损伤的主要环节是增殖分裂抑制。,,辐射造血损伤有可恢复性。,,血细胞数量减少与形态功能改变伴行。

62、,电离辐射致出血综合征,辐射出血综合征,(radiation hemorrhagic syndrome),,当机体受到一定剂量射线照射后，可引起出血现象，它在发生时间、出血、部位、严重程度、病理变化、临床表现及发病机理等方面均有一定的特点和规律。,病因,,凝血功能障碍,,血管通透性增加,,血管脆性增加,血小板数量和质量上的改变,,血小板第三因子缺乏，凝血物质生成不足,,,血管内皮细胞的直接破坏、小血管扩张、透明质酸被分解 、毒性物质的集聚。,血小板的改变表现在以下几个方面：,,,血小板数量减少；,,血小板形态的改变；,,,血小板凝血功能障碍；,,血小板携带,5-,羟色胺功能障碍；,,血小板对毛

63、细血管的保护作用减弱。,,,出血的程度,,Ⅰ,度：只有实验室出血化验数据的变化。,,Ⅱ,度：可见散在性粘膜出血。,,Ⅲ,度：体表散在出血点或斑片状的较广泛,,出血。,,Ⅳ,度：除体表外，身体其他各部位和器官,,也出现大出血，可危及生命。,,出血时间,,出血多发生在极期即将到来之前。最初为少数点状；极期加重，斑状或片状；恢复期出血逐渐减轻、消退。,,早期出血是由于微血管神经反应所致的血管通透性增加或其结构损伤、功能障碍所致血管脆性增高、抵抗力降低；继而血小板功能、形态、数量改变。,,出血部位及范围,,以皮肤、粘膜最多；其次各脏器，如胃肠、肺等；,,范围：点状或斑状出血，有时可发生大面积或片状出血

64、。,,电离辐射对免疫系统的影响,免疫系统,,,免疫组织器官,(,骨髓、胸腺、脾脏、淋巴结、扁桃体、小肠集合淋巴结等,),,免疫细胞,(,淋巴细胞、单核吞噬细胞、中性粒细胞、嗜碱粒细胞、嗜酸粒细胞、肥大细胞等,),免疫分子,(,补体、免疫球蛋白、细胞因子等,),免疫细胞,造血干细胞,,(,多能干细胞,),,,,NK,细胞－非特异性杀伤靶细胞,,T,细胞：,↗,T,H,1,－炎性,T,细胞,,CD4,＋,T,细胞,,↘,T,H,2,－辅助体液免疫应答,,,↗,T,C,（,CTL,）－特异性杀伤靶细胞,,CD8,＋,T,细胞,,↘,T,S,－抑制免疫应答,B,细胞－产生抗体，介导体液免疫应答,,淋巴

65、系祖细胞,抗原提呈细胞,,1,．单核巨噬细胞：大吞噬细胞,,,,提呈抗原,,,分泌细胞因子,,,调节免疫应答。,,2,．树突状细胞,其他免疫细胞：,,1,．中性粒细胞：,,小吞噬细胞,,2,．嗜酸性粒细胞：负反馈调节,I,型超敏反应,,3,．嗜碱性粒细胞与肥大细胞： 介导,I,型超敏反应,,4,．红细胞：免疫黏附,髓系祖细胞,血细胞,淋巴细胞,,,免疫系统的放射敏感性,,,免疫系统从总体上讲对电离辐射十分敏感，但免疫系统内的不同组织、不同细胞成分和不同免疫反应的放射敏感性存在明显的差异。,淋巴样组织对辐射敏感，其中：,B,＞,T,细胞,,潜在免疫活性细胞＞激活免疫活性细胞＞成熟免疫效应细胞,

66、,淋巴结、脾脏系统＞骨髓系统,,体液免疫系统＞细胞免疫系统,基本规律,,急性全身照射的免疫效应,,,急性全身照射对免疫功能的影响取决于照射剂量，一般在,0.5Gy,以上的剂量照射即可显示免疫的抑制作用，剂量愈大，抑制程度愈深，抑制持续时间愈久，半数致死剂量以上的照射可出现免疫功能的全面抑制。,,慢性照射的免疫效应,,,长期受到较低剂量照射对免疫功能的影响，取决于每次照射剂量、照射量率和累积剂量以及动物种类和所观察的免疫学参数，当人累积剂量超过,1.5Sv,时，可出现以造血组织损伤为主并伴有其他组织改变的全身性疾患。,T,细胞,淋巴细胞,0,5,3H-TdR,参入率,,15,20,虚线为对照均值,累积剂量（,cGy,）,,图 接触不同剂量,X,射线医务人员细胞免疫水平变化,,0 6 17,10,,对接触,X,射线工作的医务人员的免疫功能的检测，如介入放射学、微创外科工作人员，血液免疫学指标有一定的抑制作用。,,第七章 放射损伤的临床疾病,,外照射急性放射病,(acute radiation sickne