核辐射安全与防护.ppt
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1、1.3 电离辐射的生物效应,定义:电离辐射能够在生物物质中引起电离和激发,致使生物物质的结构发生变化或破坏,造成生物损伤。电离辐射作用过程:电离辐射作用于生物体后,其原初作用过程是物理(10-1610-13秒)、物理化学(10-1310-10秒)和化学(10-1010-4秒)三个阶段。,辐射损伤,在这三个阶段中,生物体内发生辐射能的吸收和传递、分子的激发和电离、自由基的产生、化学键的断裂等,导致初始的生物化学损伤、酶的释放、代谢方向和协调的紊乱,进一步促使原初生物化学损伤的发展,引起体内一系列的生理变化直至发生病变。在这其中,自由基起着很重要的作用。,电离辐射会引起生物大分子,如脱氧核糖核酸(
2、DNA)、核糖核酸(RNA)、蛋白质和生物膜的损伤,这些损伤是产生辐射生物效应的基础。这些损伤也进而发展到细胞的损伤,包括细胞死亡、有丝分裂延迟和抑制及染色体畸变等,这些就构成了慢性和急性辐射损伤和晚期效应的前提。其中细胞致死性的损伤主要发生在胞核,如核肿胀、核空泡、核固缩、核碎裂和核溶解,甚至核完全消失。由于细胞的大量死亡,所以动物体内各器官、造血系统、消化系统、神经系统、内分泌系统、循环系统、呼吸系统和免疫功能都发生程度不同的变化。,损伤的程度与电离辐射剂量,生物损伤的程度与电离辐射剂量有着密切的关系,根据所受剂量的大小,人体组织会产生不同的反应,直至死亡。一般讲来,当剂量在1Gy以下时,
3、人体不会产生明显的早期效应,但可能产生可逆性的功能变化和血象改变;当剂量大于1Gy时,可使机体发生病变,随着剂量的增加病情加重,即引起不同类型和不同程度的放射病。当剂量高达10Gy以上时,如不及时抢救,则人体的平均生存时间大约只有35天。,放射生物学中,通常以照后一定时期内引起50%死亡的剂量(LD50)作为指标,来衡量机体对辐射耐受的程度,人们将LD50叫做半致死剂量。LD50越小耐受越差,即辐射敏感性越高,反之则辐射敏感性低。各类生物的LD50差异很大,现举例如下(单位:Gy):人3.5,猴6,大鼠7,鱼15,酵母菌300,草履虫3000,芽孢、病毒20000。由此看出,动物比植物和微生物
4、的辐射敏感性高;温血动物比冷血动物敏感;大动物比小动物敏感,人比其它动物敏感。但就一种动物而言,个体对辐射的敏感性差异也是比较大的。,辐射机体效应不仅在受照后短期内引起病变或临床症象,而且也会在受照后远期发生病变,以至于产生遗传效应,如辐射致癌、白内障、对胎儿和幼儿的影响,生殖系统的变化以及遗传上出现畸变、突变等。一定的吸收剂量所产生的生物效应除了与吸收剂量有密切关系外,还与电离辐射的类型、能量及照射条件等因素有关,,就电离辐射的类型和能量而言,相同剂量的外照射,快中子(0.510MeV)的生物效应大约是射线的10倍;相同剂量的内照射,粒子的生物效应是粒子的10倍左右。照射条件,如急性大剂量照
5、射与慢性小剂量照射、内照射与外照射、一次照射与分次照射、局部照射与全身照射等,都会产生不同的生物效应。,1.4电离辐射对人体的影响,电离辐射对人体的影响是多种因素复合作用的表现。影响人体损伤的因素有:外照射 内照射 随机效应与非随机效应躯体效应与遗传效应辐射敏感性,外照射,外照射引起的人体效应与吸收剂量大小、剂量率大小、受照时间(连续照射还是间歇照射)、照射范围(全身照射或局部照射)、受照组织或器官的辐射敏感性、电离辐射的种类和能量等因素有关。一般来讲,剂量越大、剂量率越大,辐射的人体效应越强;对相同剂量而言,连续照射要比间歇照射效应强,全身照射要比局部照射的辐射效应强;,辐射敏感性高的组织或
6、器官,如造血器官、胃肠道、性腺、皮肤等,在急性辐射损伤时,其效应表现得最早和明显;不同种类和能量的电离辐射引起某种效应所需剂量的大小通常是不一样的,如引起眼晶体混浊的X射线剂量是中子剂量的510倍。,内照射,内照射引起的人体效应与放射性核素的物理化学性质、在器官内沉积的部位、滞留时间、受照器官的重要性等因素有关。通常地说,放射性物质的颗粒度大小不同,在呼吸器官内沉积的部位往往也不同,即使同一器官,不同核素沉积的部位也不同。譬如,Pa和Pu都是亲骨性核素,Pa较多地沉积在骨的无机质中,而Pu却沉积在梁骨内照射骨髓细胞,具有很强的辐射毒性;具有较长物理半衰期和生物半衰期的核素会对人体组织长期连续照
7、射;在体内射线所致人体损伤要比射线的损伤严重。,随机效应与非随机效应,非随机效应电离辐射对人体的伤害,与化学毒物对人体的损伤有相似之处,当大剂量(如几个Gy以上)照射时,可以使受照者在几个小时内出现恶心、呕吐、腹泻,几周后发展成为严重的骨髓型急性放射病,皮肤受到大剂量照射后,可以在一定时间内出现类似过量太阳光照射那样的皮肤炎症,甚至还可能发生皮肤溃疡等。这种人体效应称为非随机效应。,非随机效应是指那些发生几率(俗称机会)和严重程度都随剂量大小而变化的效应。它是有剂量阈值的,就是说,受照剂量低于阈剂量时,一般不会发病。阈剂量是指能使15%受照个体发生特异性效应所需的剂量,一般认为不超过0.5Gy
8、不会产生非随机性效应。,随机效应,另一种人体效应,就如同人们吸入或食入化学致癌物质那样,可在若干年后引起癌症或白血病,但它的潜伏期很长,有些可达几十年之久,这种效应称为随机效应。随机效应发生的几率与受照剂量大小有关,但没有剂量阈值,也就是说,很小的受照剂量也可以致癌,但它的发生率很小。这种效应主要包括致癌效应和遗传效应。它是由一个或少数细胞损伤后引起的。,躯体效应与遗传效应,躯体效应:指电离辐射对受照者本人所产生的效应。其中包括白血病、放射病、白内障、皮肤的良性损伤、生育力降低和寿命缩短等。躯体效应属于非随机性效应。遗传效应:指电离辐射对受照者后裔身上所产生的效应。其中包括流产、遗传性死亡和先
9、天性畸形等。,辐射敏感性,人体各种组织或器官对电离辐射的敏感性与它们的细胞种类、分化程度、增殖能力、代谢状态及细胞的周围环境有关。分化程度低、分裂活跃、代谢旺盛的细胞比分化程度高、分裂不活跃、代谢不旺盛的细胞辐射敏感性高。但是受到损伤的人体组织还存在着再生修复能力,而且在一定的受照剂量范围内,细胞损伤可以达到几乎完全修复的程度。经实验证明,细胞损伤的修复与细胞代谢密切相关,代谢旺盛的细胞损伤修复得快。人体各脏器间辐射敏感性的差异表现在受到不同剂量照射后,主要受损器官和其它各器官的损伤程度不同,辐射敏感性高的器官或组织要比辐射敏感性低的损伤严重。,表14 脏器的辐射敏感性分类,敏感性分类 脏 器
10、超敏感 骨髓高敏感 小肠、淋巴结、脾脏、胸腺敏 感 睾丸、卵巢低敏感 胃、甲状腺、唾液腺、肾、肝胰、结肠、肾上腺、皮肤、食管、垂体、肺、肌肉不敏感 脑,性腺的辐射效应,睾丸和卵巢同属于辐射敏感性器官。其辐射效应大致如表所示。性腺的辐射效应剂量,Gy 效应 1.50 短时亚绝育2.50 一时绝育(12年)5.006.00 多数永久性绝育 8.00 绝大多数永久性绝育,睾丸一次照射2.50(10.15)Gy,1年内缺乏精子;56Gy可引起永久性绝育。卵巢一次照射1.7Gy可以引起暂时性绝育(停经13年,75%仍保持性欲);2.9Gy照射可使排卵永久性停止,但3070%卵巢的分泌功能仍然存在;23G
11、y照射后,引起不可逆性绝育,50%以上受照者卵巢的内分泌机能丧失。,眼晶体的的辐射效应,眼晶体也是辐射敏感性高的器官,两名受照剂量分别为3和3.23Gy的患者,照射后曾出现眼底血管改变和晶体后囊中央轻微混浊(呈星状间周围散布),但以后恢复正常;1名受射线为0.101Ckg-1(390R)和中子为26.4cGy照射的患者,32个月后左侧眼晶体后囊皮质部有模糊的雾状物,38个月皮质后三分之一出现辐射所致的中度白内障,58个月之后,右眼又发生了早期白内障;1名受中子和射线混合照射4Gy的患者,受照后5个月发生青光眼和白内障,2年4个月摘除了右眼晶体;另2例受照者,受照剂量分别为射线6Gy和中子,射线
12、混合照射6.7Gy,3年内均发生了辐射所致的白内障。,肺的的辐射效应,肺属于辐射敏感性较低的器官。但由于肺部毛细血管丰富,其反应也比较敏感。有人报道,8天内照射6次,每次剂量为2Gy,可以发生辐射所致肺炎,即使一次照射5Gy,组织学上亦可见到肺炎和肺纤维化。我国学者姜兆侯于1964年报道,若照射野面积大(大于210cm2),剂量小(小于30Gy),可在放射治疗后14周内发生辐射所致肺炎;若照射野面积小(小于100cm2),剂量大(大于40Gy),可在放射治疗4周后肺纤维化的发生率约为80%。,美国国家辐射防护与测量委员会(NCRP)1971年给出,引起肺炎和肺纤维化的一次急性照射量为0.568
13、 Ckg-1(2200R);局部分次照射的照射量为1.03 Ckg-1/30d(4000R/30d)或1.55 Ckg-1/42d(6000R/42d)。亦有人认为肺部受照时,照射量小于0.645 Ckg-1(2500R)不会出现肺功能障碍;大于1.03 Ckg-1(4000R),40%以上的受照者可能出现肺功能障碍。,脊髓的的辐射效应,在一般照射条件下,出现脑脊髓反应的机会并不多见。但在放射治疗时常可见到辐射所致的脊髓病。美国国家辐射防护与测量委员会1971年的资料提出,引起脑脊髓退行性变所需的剂量是:一次急性照射为22Gy,局部分次照射为50Gy/30d或60Gy/42d。有人报道,17天
14、内照射量小于0.903 Ckg-1(3500R),辐射所致脊髓病的发病率约为3%;当照射量大于0.903 Ckg-1(3500R)时发病率约为23%。但亦有人报道,一次的照射量为0.516 Ckg-1(2000R)或17天内照射量为0.774 Ckg-1(3000R),也可能发生脊髓病症状。,心、肝、肾的辐射效应,心、肝、肾同属于辐射敏感性较低的器官。在事故照射病例中,苏联曾报告一名全身受照6.7Gy的患者,照后头几天曾见到心电图出现扩散性变化。美国1964年报告的一例受照剂量为88Gy的病人,照后49小时曾出现毒性心包炎及间质性心肌类。有人报道一例心肌可能受到1.03 Ckg-1(4000R
15、)(后面)和1.35 Ckg-1(5250R)(前面)照射的患者,2个月内未发现心肌功能不全体征,但死后外观似有变化。胸壁照射常使部分心脏受到照射,并可偶然引起心包纤维化,心包积液或功能性障碍。这在放射治疗中应引起注意。,路易斯(Louis)观察了10名肾功能正常患者X射线照射后的反应,4Gy照射后出现了肾流量进行性减少,肾小球滤过率暂时抑制;5.516.25Gy照射后肾流量反而增加;2024Gy照射后肾流量又减少并持续12个月之久。有人报道在34周内照射2532.5Gy后的55名病人中,有40%的病人出现辐射所致的肾炎,其中7人死亡;在3536Gy照射的50名病人中,有7人在5年内发生了肾萎
16、缩。估计肾的耐受剂量为40Gy/50d。美国国家辐射防护与测量委员会推测,引起肾炎、高血压的一次急性照射的剂量约为8Gy,局部分次照射的剂量约为20Gy/30d或30Gy/40d。,辐射所致肾炎可分为4种临床类型:第一种是急性肾炎。这种肾炎多发生在治疗68周后,主要表现为急性肾炎症,血压改变和尿中毒症。第二种是慢性肾炎。辐射所致慢性肾炎与一般慢性肾炎症状相类似。第三种是良性高血压。主要表现为血压升高,轻度蛋白尿,但肾功能及尿素氮正常。第四种是晚发急性高血压。常在照射后1年左右发生预后症。,内照射效应,放射性核素的种类繁多,而且绝大多数放射性核素在人体内都有选择性分布,因此其损伤的基本特点是:(
17、1)只有当照射达到一定剂量后才出现有害的影响;(2)受损伤最重的部位是放射性核素沉积量最多的部位。损伤主要表现在沉积核素器官的功能和组织学改变。碱土族核素(Ca、Sr、Ba、Ra)主要沉积在骨骼;Hg、Au、Po、Mn、镧系和锕系等元素主要沉积在网状内皮系统;I主要沉积在甲状腺;Zn、U、As、Sb、Bi、Ru等核素主要沉积在肝和肾里。,内照射病案,11969年,1名73岁的老妇被人误将7.4109Bq的胶体198Au注入体内,这个量比原定注射量大1000倍。1周后白细胞降至500/mm3,血小板长期低于8000/mm3,并有溢血和血尿。注入后68天因脑出血摔倒,第二天死亡。其中肝脾受照剂量为
18、73Gy,靠近肝、脾的肠部受到6Gy,骨髓受到4.4Gy,腹中部受到0.6Gy的照射。,21名误饮放射性活度为1.48108Bq的137Cs的病人,误服后3天开始全身不适,头晕乏力,手足震颤。从第9天起,血压和脉搏不稳定。2周后又出现头痛头晕、疲乏、脱发、心悸、心前区痛,恶心、呕吐、腹痛,肝大、血细胞减少等症状。3据1964年报道,1名误服7.5107Bq溴化镭的男性患者,服后第3天中午在沉睡中排出稀便,醒来后自觉剧裂头痛,并有恶心、呕吐和腹泻,白细胞数为8400/mm3,从服后的第19天起白细胞一直在2000/mm3左右,并持续延长一年的时间。,41970年,美国总结了780例226Ra内污
19、染量较大的病例,这780名226Ra内污染人员所受内照射的剂量与效应的资料汇列在表17中。由这些资料中看出,骨髓平均剂量低于7.6Gy(不包括7.6Gy)者,共有542例,估计他们体内镭最后积存量低于1.11104Bq,尚无一例发生骨恶性肿瘤和骨肉瘤。,780例226Ra内污染人员不同内照射剂量的骨骼恶性肿瘤发生率,骨骼平均剂量范围,Gy200500100200501002050平均剂量Gy23312665.929.8 骨肉瘤观察例数18233972 骨肉瘤数3121514 骨肉瘤发生率,%16.79.652.315.138.99.919.55.2骨癌观察例数18234170 骨癌数4147骨
20、癌发生率,%22.211.14.44.49.84.910.03.8,骨骼平均剂量范围,Gy10205102512 平均剂量Gy12.87.562.841.39 骨肉瘤观察例数42448083 骨肉瘤数6100 骨肉瘤发生率,%14.35.82.32.3骨癌观察例数4244骨癌数4骨癌发生率,%9.54.8,电离辐射照射的远期效应,目前,电离辐射照射所致人的远期效应的观察,最宝贵而且有价值的资料是日本广岛、长崎两城市原子弹爆炸幸存者和马绍尔群岛核装置试验放射性落下灰受照人员的长期效应观察。1976年之后,美国和日本联合成立了广岛、长崎原子弹辐射剂量重新评价工作组,于1986年提出了DS86剂量系
21、统报告书。与此同时,日本和美国合办的“放射线影响研究所”(RERF)按照DS86剂量数据对辐射效应进行了重新评价。,在DS86重新评价中,考虑到原子弹爆炸时,大部分人是在日本式的房屋内活动,因而计算了经过房屋屏蔽后的剂量(屏蔽比释动能);这次未对放射性落下灰照射做更深入的研究,但指出在广岛放射性落下灰沉降区长期停留的人员,可能接受射线外照射的最大剂量约为620mGy,长崎约为0.120.24mGy;内照射剂量的估计,由于摄入137Cs,累积40年的剂量约为0.1mGy。按照DS86重新分组分析了广岛、长崎两城市活存居民的致死性恶性疾患,其结果列于表18中。有统计学意义的恶性疾患是:白血病和胃、
22、肺、结肠、食管、女性乳腺、膀胱、卵巢等部位的癌症和多发性骨髓瘤。,马绍尔群岛受照人员的远期效应最为明显的是甲状腺病变,照后第9年(即1963年),1例12岁女孩的甲状腺有结节样变化;照后10年又有两例13岁女孩出现甲状腺结节;第11年出现了10例甲状腺结节,第12年又出现了5例;以后陆续不断有所发生。到70年代末,朗格拉普岛和艾林吉纳埃岛的86名居民中,已有31名出现了甲状腺结节,发生率为36%;乌堤里克岛158名居民中有15人出现甲状腺结节,发生率为9.5%,而对照组437人中只有29人出现甲状腺结节,发生率为6.6%。甲状腺癌在朗格拉普岛和艾林吉纳埃岛的居民中出现4例,发生率为4.7%;在
23、乌堤里克岛居民中出现3例,发生率为1.9%;对照组中有4例,发生率为0.9%。,甲状腺结节的发生与受照年龄有关,小于10岁的儿童甲状腺结节的发病率高达67%,其他年龄的人发病率为15%。有人认为,出现这种现象是由于儿童甲状腺小,同样的碘摄入量,儿童的甲状腺剂量要比大于他们的年龄组的人的剂量高,例如朗格拉普岛10岁以下儿童的甲状腺剂量估计为1042.6Gy,而成年人约在530Gy范围。但甲状腺癌的发生率与年龄关系不大。近年来进一步观察,马绍尔群岛受照人员的甲状腺功能低下还在进一步发展。在受照妇女中,于照后4年内发生流产和死胎的数目是对照组的2倍,但发生例数少,还不足以确认与电离辐射有关。此外,观
24、察到受照儿童的发育似有一些影响,这也许是与甲状腺损伤有关。,职业性照射对人体的影响,职业性电离辐射照射所产生的临床症状,一般是各种神经官能症症状。脱离射线12个月后,症状便明显减轻或消失,大多数人出现的暂时性造血功能改变,一般在停止接触射线后也可以逐渐恢复。随着累积剂量的增加,染色体畸变率也会随着增加,见表19。,表19 某铀矿工作人员的染色体畸变率与累积剂量的关系累积剂量,cGy 染色体畸变率,%0 0.145.04 0.6410.60 0.8218.25 1.12Y=0.260.05X,病案举例,例1某男性35岁,X射线诊断医生。1952年就业前白细胞为67008000/mm3,1953年
25、8月开始接触X射线(当时的辐射防护条件较差),19551956年白细胞为50005300/mm3,脱离此工作两年后恢复正常。1959年5月又接触X射线,1960年2月白细胞数降至3700/mm3,脱离射线20天后,白细胞数恢复到5300/mm3,1961年改任行政工作。1964年6月因工作需要再次接触X射线,14天后因头晕、心情烦燥、失眠、全身衰弱,白细胞数减少(2000/mm3)住院。住院3天白细胞数升至4000/mm3,7天升至5750/mm3,30天升至6350/mm3。,例2某男性46岁,医务科干部。1960年开始,因其办公室工作位置正对楼下一台漏射线严重的X射线机,受到长期小剂量慢性
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