Radiatii ionizante

La scurt timp dupa descoperirea razelor X in 1895 si a radioactivitatii naturale in 1896, date clinice provenite mai ales de la efectele asupra pielii, au indicat faptul ca radiatia ionizanta este vatamatoare pentru tesuturile umane. Ulterior s-a realizat ca radiatia ionizanta nu este vatamatoare numai pentru majoritatea tesuturilor ci are, de asemenea, efecte si asupra descendentilor. Timp de un secol de explorari ale utilizarii radiatiei ionizante s-au efectuat studii extensive despre efectele radiatiilor asupra speciilor vii. Este evident faptul ca oamenii trebuie sa studieze efectele biologice ale radiatiei ionizante pentru a se proteja pe ei si pe alte specii de efectele vatamatoare ale acesteia dar, in acelasi timp, maximizand avantajele ei.

Sursele de poluare radioactiva a mediului sunt atat artificiale, cat si naturale. Contaminarea artificiala se poate face prin radiatiile provenite de la explo-ziile experimentale nucleare sau din defectarea instalatiilor nucleare, aceste radiatii ajungand in atmosfera, apa si sol afecteaza lanturile trofice. Astfel, omul poate ingera ⁹⁰Sr cu T_1/2= 28 ani (care se fixeaza in oase cu efect nociv asupra hematopoezei), ³⁷Cs cu T_1/2= 30 ani (care se fixeaza in muschi) prin vegetalele si carnea cu care se hraneste.

Radiatia cosmica este o sursa naturala de radiatie secundara, prin inte-ractia cu aerul. Alta sursa naturala este radiatia substantelor din scoarta terestra si din apa.

Alta sursa de iradiere artificiala o constituie procedurile medicale de diagnostic si terapie cu radiatii ionizante.

Cunoasterea aprofundata a efectelor biologice generate de radiatia ioni-zanta a creat posibilitatea de a elabora metode de diagnostic si terapie performante.

Interactiunea radiatiilor ionizante cu materia

Fenomenul important care sta la baza proceselor de interactiune a radiatiilor cu materia vie este transferul de energie. Indiferent de tipul radiatiei, transferul de energie se face prin ionizarea sau excitarea atomilor constitutivi ai materiei iradiat. Atomii sau moleculele afectate capata o reactivitate chimica deosebita.

Ceea ce diferentiaza actiunea primara a diferitelor tipuri de radiatii este modul de repartitie spatiala in interiorul tesuturilor sau celulelor a leziunilor atomice sau moleculare.

Radiatiile rntgen si gama ionizeaza atomii mediului prin care trec.

Cand electronii astfel obtinuti au energie suficienta ei produc, la randul lor, ionizarea atomilor mediului, transferul de energie continuand printr-o serie de procese secundare, ceea ce face ca ionizarea produsa sa fie repartizata mai uniform in volumul iradiat, acest lucru favorizand actiunea lor sau a produsilor

chimici care apar, asupra constituentilor celulari.

Neutronii actioneaza in acelasi mod, cu deosebire ca neutronii rapizi cedeaza atomilor de hidrogen din tesuturi, prin ciocniri elastice, cea mai mare parte a energiei, dand nastere la protoni de recul. Neutronii lenti sunt captati de nucleele de hidrogen sau azot, dand nastere la atomii radioactivi.

Radiatiile corpusculare incarcate electric (α, β, γ) produc ionizarea in mod indirect prin ciocniri neelastice. Ionii formati sunt dispusi de-a lungul traiectoriei realizandu-se o concentratie crescuta de produsi activi, care favorizeaza recombinarile locale. Densitatea liniara de ionizare, depinde de mo-dul de interactiune a radiatiilor cu substanta, de fapt, de mecanismele de actiune.

Efectele radiatiilor ionizante

Mecanisme de actiune

Radiatiile ionizante pot actiona asupra organismului in trei moduri: prin actiune directa, prin actiune indirecta si prin actiune la distanta.

In urma actiunii directe sunt lezate macromoleculele de importanta vitala (proteine, acizi nucleici) care sufera transformari datorita ionizarii sau excitarii directe.

Actiunea indirecta este declansata de elementele ce apar in urma proceselor radiochimice. Mediul principal in care se desfasoara procesele biologice fiind apa, efectele apar ca rezultat al ionizarii acesteia. Produsii de descompunere ai apei (ionii sau radicalii) actioneaza ca agenti oxidanti si reducatori asupra unor componente esentiale celulare perturband buna desfasu-rare a proceselor biologice din aceste celule.

Actiunea la distanta se produce in urma iradierii locale. Prin raspandirea in organism a toxinelor care apar in organul iradiat si prin reactiile sistemului neuro - endocrin apar anumite efecte biologice asupra celorlalte organe iradiate.

Efecte daunatoare

Vatamarea si repararea ADN. Structuri biologice importante pot fi modificate fie direct prin scindari provocate de ionizare, fie indirect prin schimbari ulterioare (asa ca inducerea de radicali liberi) puse in miscare prin transferuri de energie catre mediu. Distributia la intamplare a evenimentelor de absorbtie de energie produse de radiatie poate vatama in mai multe moduri partile vitale ale moleculei dublu elicoidale de ADN.

Efectele directe apar in ADN sub forma rupturilor in molecula cu o singura spirala sau cu dubla spirala.

Alte efecte includ o varietate de schimbari prin recombinare, modificari in fractiunile de glucide si de baze, substitutii de baze, distrugeri, etc. Multe din efectele acute observate in organismul intact sunt mediate prin moartea celulelor atunci cand acestea incearca sa se divida si nu se mai pot multiplica.

Pentru a reactiona la vatamarea initiala a moleculei de ADN, care da nastere la aceste schimbari, celulele au elaborat sisteme complexe de reparare care sunt mediate de enzime.

Procesele de reparare pot fi predispuse la erori, rezultand mutatii punctiforme sau chiar distrugeri sau rearanjari de gene. In aceste cazuri se poate ajunge la moartea capacitatii de reproducere sau la schimbari genetice stabile la celulele supravietuitoare.

Distrugerea celulei. Distrugerea celulelor somatice, ce rezulta din vata-marea ireparabila a structurilor celulare vitale cum ar fi cromozomii, devine manifesta in cateva ore sau cateva zile dupa expunerea la radiatii pentru celulele care se divid rapid. Moartea, la populatiile de celule care se divid cu viteza mica , poate sa nu apara luni sau chiar ani de zile. Gradul de distrugere a celulelor intr-o populatie creste cu doza. In cazul in care suficient de multe celule dintr-un organ sau dintr-un tesut sunt distruse, functia acestui organ sau tesut se deterioreaza si uneori organismul poate muri. Pe langa distrugerea celulelor, expunerea la radiatii ionizante produce alterarea directa a unor procese celulare asa cum ar fi permeabilitatea de membrana si comunicarea de la o celula la alta.

Modificarea celulara. Modificarea unei celule normale poate fi indusa prin actiunea radiatiilor ionizante. Este un proces care are loc intr-un timp mult mai lung, probabil ca rezultat al unor modificari specifice in ADN-ul molecular printr-un proces cunoscut ca transformare neoplastica. Un rezultat caracteristic al acestei modificari este capacitatea potentiala a celulelor transformate pentru proliferarea celulara nelimitata.

Celula modificata de radiatiile ionizante inainte de a devenii o celula cu potential malign, trebuie sa fie supusa mai departe unor schimbari, care au loc de obicei dupa un timp lung si posibil in urma unei stimulari cu o substanta care le favorizeaza. Intervalul de timp intre expunere si detectarea unui cancer indus de radiatie este numit perioada de latenta. Aceasta perioada variaza in functie de tipul tesutului afectat si cu varsta la timpul expunerii. Majoritatea transformarilor celulare neoplastice nu progreseaza catre un cancer.

In celulele germinare ale tesuturilor de reproducere pot avea loc modificari in genom compatibile cu diviziunea celulara continua. Aceste modificari rezulta intr-o varietate de leziuni transmisibile care se pot manifesta ca tulburari ereditare la generatiile urmatoare.

Efecte deterministice. Aceste efecte pot rezulta din iradierea locala sau generala a tesutului ce provoaca distrugerea unei cantitati de celule care nu mai poate fi compensata prin proliferarea celulelor viabile. Pierderea de celule rezultata poate cauza o deteriorare severa si detectabila clinic a functiei unui tesut sau organ. Deci, severitatea efectului observat poate fi apreciata ca dependenta de doza. Va exista un prag pentru care pierderea de celule este prea mica pentru a deteriora detectabil functia organului sau tesutului.

Radiatia poate vatama tesuturile si in alte moduri: prin interferare cu o varietate de functii tisulare care include reglarea componentelor celulare, prin reactii inflamatorii care implica schimbari in permeabilitatea celulelor si tesuturilor, prin migrarea naturala a celulelor in organele in curs de dezvoltare si indirect prin efecte functionale.

Efecte stocastice. Absorbtia energiei radiatiei ionizante de catre mediu este un proces intamplator. De aceea, chiar si la doze foarte mici este posibil sa se depuna energie intr-un volum critic din interiorul celulei conducand la modificarea sau chiar moartea ei. De cele mai multe ori moartea unei celule sau a unui numar mic de celule nu are consecinte in tesut, insa modificari in celulele individuale, asa ca cele genetice sau transformari care conduc finalmente la malignitate pot avea consecinte serioase. Aceste efecte au fost denumite stocastice. Exista o probabilitate finita pentru aparitia unor astfel de evenimente stocastice chiar la doze foarte mici, astfel incat nu poate sa existe nici un prag de doza. Frecventa unor astfel de evenimente creste in masura cresterii dozei.

In urma unor studii experimentale s-a observat ca la radiatii cu TLE mic, expunerile prelungite (debit mic de doza) sau cele fractionate, sunt mai putin eficiente decat expunerile unice la debite mari de doza. In unele cazuri, la radiatii cu TLE mare, debite mici de doza sau expuneri fractionate pot avea efecte similare cu cele ale expunerilor unice cu debite mari de doza.

Anumiti agenti chimici pot creste rata transformarilor celulare induse de radiatii.

Marimi dozimetrice fundamentale

Activitatea unei surse

Sursele radioactive se caracterizeaza prin activitate, definita ca fiind nu-marul de dezintegrari pe secunda. Unitatea de masura in SI este Becquerel (Bq) si reprezinta o dezintegrare per secunda.

Pe masura dezintegrarii, activitatea A a sursei scade exponential.

unde, λ este constanta de dezintegrare.

Activitatea unei surse radioactive este oarecum echivalentul intensitatii unei surse de radiatii electromagnetice (I=I₀ e ^-μx , μ= coeficientul de atenuare), cu deosebire ca energia degajata la o dezintegrare depinde de tipul de radionuclid.

Pentru radiatiile ionizante se definesc o serie de marimi dozimetrice legate de efectele asupra substantei in general si asupra materialului biologic in special. Acestea depind de natura, energia si intensitatea radiatiei, cat si de atributele materialului biologic, caracterizand transferul de energie.

Expunerea

Doza incidenta, D_I, sau expunerea se refera la capacitatea de ionizare a radiatiei, prin cantitatea de sarcina produsa.

D_I = dQ / dm

Unitatea de masura in SI este C/kg si reprezinta expunerea care produce prin ionizare un numar de perechi de ioni avand o cantitate de sarcina de acelasi semn de 1 C, intr-un kg de aer, in conditii normale de temperatura si presiune. Aceasta corespunde la 6,24 10¹⁸ ionizari. Unitatea clasica folosita in mod curent este Rntgenul (R).

1 R = 2,58 10^-4 C/kg

Debitul dozei incidente

Debitul dozei incidente, definit ca variatia expunerii in raport cu timpul, corespunde vitezei de ionizare .

Transferul liniar de energie

Corpurile iradiate absorb o parte din energia radiatiei, functie de energia incidenta si de interactiunea cu substanta. Se defineste transferul liniar de energie (TLE) ca fiind energia W transferata mediului de fiecare particula incidenta, pe unitatea de lungime a traiectoriei.

TLE = dW / dx

Se exprima in general in keV/μm.

Cu cat TLE este mai mare cu atat penetrabilitatea este mai mica.

Doza absorbita

Doza absorbita reprezinta energia cedata de radiatia incidenta unitatii de masa a tesutului.

D = dW / dm

In SI se masoara in Gray (Gy). Unitatea istorica este rad-ul.

1Gy = 1 J/kg = 100 rad

Datorita atenuarii radiatiei, doza absorbita scade pe masura patrunderii in adancimea corpului.

Raportul intre marimea expunerii si doza absorbita depinde de energia incidenta si de tipul tesutului.

Se mai utilizeaza marimile:

a) Debitul dozei absorbite. Debitul dozei absorbite corespunde vitezei transferului de energie.

b) Echivalentul dozei.

In functie de mecanismele de interactiune cu tesuturile, la aceeasi doza absorbita efectele pot fi diferite. Acest lucru depinde in mare masura de TLE. Pentru a caracteriza efectele biologice se foloseste echivalentul dozei H, proportional cu doza absorbita si cu factorul de ponderare w_R dependent de tipul radiatiei.

H = w_R D

Echivalentul dozei se masoara in Sievert, in SI, iar unitatea istorica este

rem-ul.

In imagistica medicala, radiatiile frecvent utilizate (X, γ, β ) , care au un TLE mic, factorul de ponderare este egal cu 1. In acest caz echivalentul dozei este egal cu doza absorbita. Pentru radiatii corpusculare cu masa mare, diferentele sunt importante: Pentru neutroni si protoni w_R=10, iar pentru particule alfa w_R=20. Tocmai din aceasta cauza ele nu se folosesc in explorarile medicale : parcursul fiind scurt nu pot contribui la formarea imaginii, dar transfera intreaga lor energie tesutului fiind foarte daunatoare.

Detectarea si masurarea. Tipuri de detectori

Aparatele destinate masurarii marimilor dozimetrice se numesc dozi-metre, chiar daca, pe langa masurarea dozei, sau in loc de aceasta, masoara alte marimi dozimetrice (expunerea, de exemplu) precum si debitul dozei.

Un dozimetru se compune, de obicei, dintr-un detector de radiatii, o aparatura asociata si dintr-o serie de accesorii.

Detectorul de radiatii este traductorul care transforma marimea dozime-trica de intrare intr-o marime de iesire, numita si marime de raspuns. Detectarea radiatiilor ionizante se bazeaza pe masurarea cantitativa a unor efecte produse de interactiunea radiatiei cu substanta. In functie de efectele obtinute in urma iradierii s-a dezvoltat dozimetria prin ionizare, dozimetria calorimetrica, dozi-metria chimica, dozimetria cu corp solid, prin mai multe metode, dintre care: dozimetria termoluminiscenta, dozimetria radiofotoluminiscenta, dozimetria prin efecte optice in medii transparente (organice si anorganice) dozimetria prin scintilatie, dozimetria cu semiconductori etc.

Aparatura de masura asociata efectueaza un alt sir de transformari, pentru a reda in final o valoare numerica afisata pe un instrument indicator. Pentru obtinerea acestei valori numerice se aplica in primul rand o serie de factori de corectie pentru a elimina sau reduce erorile sistematice care apar si apoi se aplica factorul de calibrare care face ca rezultatul final sa fie exprimat in termenii si unitatile unei marimi dozimetrice.

Utilizarea radiatiilor ionizante

In cazul folosirii substantelor radioactive pentru diagnostic, pentru a se obtine un maxim de informatie cu un risc minim pentru operator si pacient, trebuie sa se tina seama de :

- calitatea preparatului respectiv

- conditiile de iradiere ale pacientului si ale operatorului

- calitatea aparaturii folosita la detectie si inregistrare.

Rntgendiagnosticul medical se bazeaza pe utilizarea unor proprietati ale radiatiilor legate de atenuarea diferentiata a intensitatii atunci cand acestea strabat medii diferite, de impresionarea emulsiei fotografice si de producerea luminiscentei unor anumite substante. Folosirea in diagnosticul medical a proprietatilor enumerate mai sus, impune o serie de conditii fascicolului de radiatii, materialelor si dispozitivelor de realizare a imaginii vizibile. De fapt, pentru stabilirea intensitatii fascicolului trebuie sa fie gasit un echilibru intre natura mediului iradiat, durata posibila de iradiere si natura substantei care converteste imaginea rntgen in imagine vizibila.

Trebuie mentionat ca in radiografia clasica doza este limitata si de expunerea necesara pentru impresionarea filmului. Faptul ca, datorita absorbtiei

(I = I₀ e^-μx ), distributia de energiei este neuniforma in volumul iradiat, s-au dezvoltat alte metode de diagnostic; de exemplu tomografia, unde datorita rotirii sursei distributia este mult mai uniforma.

Rntgenterapia se foloseste de proprietatile radiatiei rntgen de a modifica structural si functional mediul iradiat, efectele terapeutice expli-candu-se prin fenomenul de ionizare ce are loc in tesutul iradiat.

Astfel, prin difuzie si fluorescenta elementele corpusculare ce iau nastere genereaza o serie de reactii chimice insotite de degajare de caldura ca: oxidari,

polimerizari, sinteze, descompuneri, etc. Gradul in care se produce modificarea in celula este legat de o serie de factori ca: tipul celulei, varsta, sexul, viteza de circulatie a sangelui.

Pentru a determina gradul de modificare in celula se folosesc calcule dozimetrice precise.

Cobaltoterapia permite radioterapia de megavoltaj. Cunoasterea mecanismelor de actiune a radiatiilor in fiecare tesut si organ au creat posibilitatea de corelare a radiosensibilitatii materialului biologic cu volumul tumoral reusind sa se stabileasca rolul hiperfractionalizarii la iradierea tumorilor cu ritm rapid de crestere. Calculul dozimetric a permis elaborarea unor proceduri performante de tratare, stabilindu-se precis, doza, timpul si modalitatea de terapie cu radiatii ionizante.

In cazul terapiei cu surse radioactive determinarea dozei in mediul iradiat se face cu ajutorul a doua seturi de date:

- date referitoare la debitul fascicolului

- date asupra distributiei dozei in mediul iradiat

Debitul fascicolului sau doza/timp se masoara intr-un punct standard de referinta si are o valoare specifica pentru fiecare sursa in acel moment. Determinarea acestuia se face in aer sau in fantom ( mediu absorbant echivalent tesutului).

Distributia dozei in mediul iradiat este imposibil de masurat si se calculeaza pe baza debitului dozei de expunere, evaluandu-se doza de-a lungul axului central al fascicolului . In literatura de specialitate toate elementele necesare pentru calculul dozei sunt grupate in tabele.

Scintigrafia - pune in evidenta gradul in care un radionuclid radiofarmaceutic singur sau, cel mai adesea incorporat intr-o molecula (numita trasor) s-a fixat in tesut.

Gradul de fixare depinde de specificitatea radiofarmaceuticului pentru anumite structuri, specificitate legata de caracteristicile fiziologice si de modificarea patologica a acestora (leziuni, proliferari maligne, etc.). Evident, trasorul ca si radionuclidul trebuie alese adecvat investigarii. Sunt preferati izotopii care permit o inregistrare usoara si limiteaza iradierea pacientului: ⁹⁹Tc, ¹⁵O, ¹⁸F etc. Trasorii sunt alesi in functie de specificitatea pentru organul tinta.

Marimea ce se inregistreaza este activitatea intr-o anumita zona, propo-tionala cu concentratia izotopului. Ca detector de radiatii se foloseste camera de scintilatie sau gamma-camera. Camera de scintilatie transforma radiatia gamma in radiatie vizibila si pe urma in semnal electric; acesta este apoi preluat si transferat pe un suport : hartie, ecran sau film.

Sistemul de protectie

Sistemul de protectie radiologica se bazeaza pe urmatoarele principii generale:

- nici o practica ce implica expuneri la radiatii nu poate fi acceptata decat daca produce pentru indivizii expusi si pentru societate un beneficiu suficient incat sa compenseze detrimentul datorat radiatiei.

- procedurile de lucru cu surse de radiatii si cu generatoare de radiatii trebuie sa aplice constrangeri prin restrictionarea dozelor primite

- majoritatea procedurilor de expuneri medicale trebuie sa fie clar justificate si sa aduca un beneficiu direct individului expus.