Pe parcursul vietii, toti oamenii sunt in mod continuu expusi radiatiilor ionizante. Sursele de iradiere pot fi naturale sau produse de om. Sursele naturale includ radiatia din spatiul cosmic si radiatia de la pamant si de la substantele inhalate sau ingerate. Calatoriile cu mijloace aeriene si mineritul cresc expunerea, amandoua, la radiatiile de fond. Spre exemplu, calatoria cu avionul la aproximativ 9.000 m expune individul la doze echivalente cu 0,5 mrem/h. Iradierea cu originea in corpul uman provine, in principal, de la
potasiul radioactiv, care emite raze beta si gamma. Plamanii sunt expusi la iradiere din aerul inhalat, care contine mici cantitati de radon radioactiv. Expunerea cosmica contribuie cu aproximativ 28 mrem pe an. Sursele terestre si interne contribuie cu aproximativ 26 si respectiv 27 mrem pe an. Cele mai importante surse radioacti produse de om includ echipamentul emitator de raze X, armele nucleare si medicatia radioactiva.
TERMINOLOGIE SI DEFINITII
Prima unitate majora de masurare a expunerii la radiatii a fost roentgenul (R), care reprezinta cantitatea de raze X sau gamma care produc o cantitate specifica de ionizare intr-o unitate de aer, la o temperatura si presiune standard (elul 396-l); aceasta cantitate poate fi masurata direct intr-o camera de ionizare. Radul (radiation absorbeddose) reprezinta depozitarea neta a energiei intr-un spatiu tridimensional, deoarece razele X se atenueaza pe masura ce trarseaza un tesut. Un rad corespunde absorbtiei unei energii de 100 ergi de catre 1 g de tesut. Radul a fost inlocuit cu Gray-ui (Gy) in Sistemul International de unitati (SI), care reprezinta 100 rad. Roentgen-ul si rad-ul pot fi conrtite cu ajutorul diferitelor ele; relatia dintre ele depinde de energia fotonica.
Definitiile de mai sus reflecta variabile fizice. Unitatea care reflecta raspunsul biologic si care poate fi utilizata pentru a a efectele diferitelor tipuri de radiatii este cea a dozei echivalente, rem-ul (roentgen equivalent in man). in SI, rem-ul a fost inlocuit cu siert (Sv). Aceste unitati reflecta doza expunerii sau absorbtiei inmultita cu un factor biologic care reprezinta efectul biologic al unui tip specific de radiatie ( mai jos).
TIPURI DE RADIATII IONIZANTE
Absorbtia energiei de iradiere de catre tesuturi adesea duce la excitare sau ionizare. Excitarea presupune trecerea unui electron dintr-un atom sau o molecula intr-o stare caracterizata de o energie mai inalta, fara emisia propriu-zisa a electronului. Ionizarea presupune emisia efectiva a unuia sau mai multor electroni din atom. Radiatiile ionizante se clasifica in electromagnetice (fotonice) si cu particule (elul 396-2). Razele X si gamma sunt exemple de radiatii electromagnetice. Ele difera doar prin modul de producere: razele X se produc mecanic, prin ciocnirea electronilor cu o tinta, ceea ce face ca electronii sa elibereze energia cinetica ca raze X, in timp ce razele gamma sunt produse prin dezintegrarea nucleara a izotopilor radioactivi. Relatia dintre lungimea de unda X a radiatiei electromagnetice si frecnta v este Xv = c, unde c reprezinta viteza luminii. Astfel, lungimea de unda este inrs proportionala cu frecnta. Lungimea de unda a razelor X este de ordinul alOlom(i A).
azele X pot fi considerate ca si cuante de energie sau fotoni. Razele X nu au masa sau sarcina, calatoresc in linie dreapta si se atenueaza la trecerea prin tesuturi. Razele gamma au proprietati similare. Fiecare foton contine o cantitate de energie egala cu hv, unde h este constanta lui ck. Diferenta critica dintre radiatiile neionizante si cele ionizante este energia fotonilor individuali si nu energia intregii doze. Energia exprimata in keV a unei raze X sau gamma particulare poate fi calculata impartind 12,4 la lungimea de unda exprimata in angstromi.
Radiatiile de tip particula includ electroni, protoni, particule alfa, neutroni, mezoni pi negativi si ioni grei; acestea au mase si
sarcini discrete (cu exceptia neutronilor, care nu au sarcina) ( elul 396-2). Electronii, sau particulele beta, sunt mici si au
sarcina negativa, putand fi accelerati pana aproape de viteza luminii. Ei decelereaza foarte rapid in tesut si il penetreaza doar la o adancime limitata. Astfel, jeturile de electroni sunt folosite adesea pentru a trata probleme superficiale. Protonii sunt incarcati pozitiv si au o masa de aproape 2.000 de ori mai mare decat cea a unui electron. Protonii se opresc brusc, in functie de energia lor; in procesul decelerarii bruste, majoritatea energiei lor este cedata, ceea ce tinde sa produca ionizarea chiar inainte de oprirea protonului. Aceasta regiune de ionizare crescuta , numita uneori maxim Bragg, arata ca emisiile de protoni isi manifesta efectele intr-o regiune relativ compacta. Particulele alfa sunt nuclee de heliu, alcatuite din doi protoni si doi neutroni. Au masa si sarcina destul de mari, astfel incat aceste particule nu patrund mult prin materie decat daca au o energie gigantica; chiar si o bucata de hartie este suficienta pentru protectia impotriva majoritatii particulelor alfa. intrucat aceste particule sunt incarcate electric, pot fi accelerate in campuri electrice.
Neutronii au aceeasi masa cu protonii (avand masa atomica 1), dar nu sunt incarcati electric si deci nu pot fi accelerati intr-un camp electric. Fasciculele de neutroni sunt produse de ciocnirea particulelor incarcate electric de o tinta adecvata sau sunt emise ca produs de fisiune al atomilor radioactivi grei. Ionii grei sunt nuclee ale elementelor mai grele ce au o sarcina pozitiva datorita indepartarii partiale sau totale a electronilor de pe orbite.
Doze egale din diferite tipuri de radiatii nu produc in mod necesar efecte biologice identice. Un gray (Gy) de neutroni produce un efect biologic mai mare decat 1 Gy de raze X. Efectele biologice produse de o anumita doza de radiatii pot fi cuantificate prin valoarea eficacitatii biologice relati (EBR), care le a cu efectele produse de 250 kV radiatie fotonica luata ca reper. Valoarea EBR va fi mai mare pentru radiatia ionizanta mai densa, cum ar fi cea de neutroni. In general, valoarea EBR depinde de transferul liniar de energie ( mai jos), de doza, de rata dozei si de natura sistemului biologic.
Razele gamma si X au in general un EBR de aproximativ 1. Radiatia beta (electronii) are, de asemenea, un EBR de aproximativ 1. Valoarea exacta a EBR depinde de energia specifica. Razele X de energie inalta sunt asociate unei valori EBR ceva mai scazute. Neutronii si particulele alfa au EBR-uri apropiate de valoarea 3 pentru majoritatea sistemelor biologice.
Transferul liniar de energie (TLE) este cantitatea de ionizare produsa pe unitatea de lungime a traseului de iradiere. Se exprima de obicei in kilowati pe micron si creste cu patratul sarcinii particulei incidente. Radiatia cu TLE crescut este diferita din punct de dere biologic de cea cu TLE redus (conntional). Celulele hipoxice si oxigenate raspund la fel la iradierea cu TLE crescut, in timp ce in cazul radiatiei cu TLE scazut este necesara o cantitate de 3 ori mai mare pentru a produce acelasi efect letal in celulele hipoxice fata de cele oxigenate. Se considera ca radiatia cu TLE scazut trebuie sa produca multiple socuri asupra ADN-ului pentru a distruge o celula, in timp ce radiatia cu TLE ridicat trebuie sa produca un singur soc asupra ADN-ului pentru a ucide o celula. Valorile reprezentati ale TLE si EBR sunt date in elul 396-3.
Exista trei modalitati majore prin care radiatia, si in special razele X, este absorbita si produce ionizatie: efectulfotoelectric, efectul Compton si formarea uneiperechi electron-pozitron. La energii joase (30-l00 keV), ca in radiologia diagnostica, este important efectul fotoelectric. In acest proces, fotonul de incidenta interactioneaza cu un electron intr-unui dintre straturile extern de valenta ale unui atom (de obicei K, L sau M). Daca energia fotonului este mai mare decat energia de legatura a electronului, electronul este scos de pe orbita cu o energie cinetica egala cu diferenta dintre energia fotonului de incidenta si energia de legatura. Efectul fotoelectric variaza cu puterea a treia a numarului atomic al materialului expus (Z3); acest lucru explica de ce oasele se vad pe radiografii mult mai bine decat tesuturile moi.
La energii mai inalte, cum sunt cele folosite in radiologia terapeutica, domina efectul Compton. in acest proces, fotonul de incidenta interactioneaza cu un electron intr-un strat orbital. O parte din energia fotonului de incidenta apare ca energie cinetica a electronilor, iar energia reziduala ramane sub forma unui foton deviat cu energie mai redusa.
Pe nile energetice de peste 1.02 MeV, fotonii pot fi absorbiti prin formarea de perechi electron-pozitron. in acest proces, in materialul de absorbtie sunt produsi atat un pozitron, cat si un electron. Un pozitron are aceeasi masa ca si un electron, dar are o sarcina pozitiva in loc de una negativa. Pozitronul parcurge o distanta foarte mica in mediul de absorbtie inainte de a interactiona cu un alt electron. Cand se petrece aceasta, intreaga masa a ambelor particule este conrtita in energie, cu emisia a doi fotoni in directii exact opuse.
