Цели, задачи и структура биологической физики.

В наши дни на решение важных проблем биологии и медицины направлены объединенные усилия химической и биологической физики. Особое место среди биологических процессов занимают заболевания, влияние вредных воздействий физических и химических факторов окружающей среды, старение живых организмов.

Биофизика - это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являются основой физиологических актов. Возникновение биофизики произошло, как прогресс в физике, вклад внесли математика, химия и биология. Живые организмы -открытая, саморегулирующаяся, самовоспроизводящаяся и развивающаяся гетерогенная система, важнейшими функциональными веществами в которой являются биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты сложного атомно-молекулярного строения.

В наше время биологическая физика развивается широким фронтом. Принято условно разделять ее на три области.

1.Молекулярная биофизика, изучающая строение и свойства биологически функциональных веществ и построенных из них комплексов.

2.Биофизика клетки, изучающая надмолекулярные клеточные и субклеточные системы.

3.Биофизика сложных систем, развивающаяся главным образом на путях физико-математического моделирования биологических процессов в клетках, в физиологических системах организма, в организмах, в популяции, в биосфере в целом.

С последней областью связаны наиболее общие вопросы биологической термодинамики, теории информации, физической теории биологического развития.

140.Дозиметрия ионизирующего излучения .

Дозиметрией называют раздел ядерной физики и измерительной техники, в котором излучают величины, характеризующие действие ионизирующего излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения.

Вначале развитие дозиметрии было обусловлено необходимостью учета действия рентгеновских лучей на человека.

Ионизирующее излучение оказывает действие на вещество только тогда, когда оно взаимодействует с частицами, входящими в состав этого вещества. Поэтому часть излучения, которая проходит данное вещество (без поглощения) действия на него не оказывает.

Основной характеристикой действия ионизирующего излучения на вещество является энергия ионизирующего излучения, поглощенного единицей массы вещества за время облучения. Эту характеристику называют поглощенной дозой излучения Д_n.

Единицей измерения поглощенной дозы в СU является 1 Дж/кг. Внесистемная единица поглощенной дозы 1 рад(1 рад = 10^-2Дж/кг = 100 эрг/г).Поглощенная доза зависит как от природы и свойств излучения (от энергии частиц), так и от природы вещества, в котором оно поглощается.

Непосредственное измерение поглощающей дозы в веществе, в глубине тканей живого организма затруднительно. Поэтому оценивают поглощенную телом дозу по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем тело.

Вводят в связи с этим экспозиционную дозу Д_о, которая является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и g -лучами. Единицей экспозиционной дозы в СU является /Кл/кг. На практике применяют рентген.

Рентген -экспозиционная доза рентгеновского или g -излучения, при которой в результате полной ионизации в /см³ сухого воздуха (при 0⁰С и760 мм.рт.ст.) образуются ионы. Несущие заряд в одну электростатическую ед. количества электричества каждого знака.

Экспозиционная доза в 1 Рентген соответствует образованию 2,08×10⁹ пар ионов в 0,001293г сухого воздуха 1Р=2,58×10^-4Кл/кг.

141. Мощность дозы. Связь мощности дозы с активностью. Эффективная эквивалентная доза. Коллек­тивная доза.

Дозу (поглощенную и экспозиционную), отнесенную к единице времени, называют мощностью дозы.

Д_П – Поглощенная доза излучения –отношение энергии ионизирующего излучения, поглощенного облучаемой средой, к массе этой среды.

Грей – единица поглощенной и эквивалентной доз ионизирующего излучения 1 Дж/кг

Рад – внесист ед поглощенной дозы излучения, 0,01Дж/кг = 0,01Гр.

Экспозиционная и эквивалентная дозы.

Д_О – Экспозиционная доза излучения – характеристика ионизационной способности рентгеновского и g- излучения, измеряемая по ионизации воздуха. Кулон/кг (Кл/кг) Внесистемная - рентген (Р)

Рентген –внесистемная единица экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения, равная 258 мкКл/кг (

Д_ЕД – Эквивалентная доза излучения – мера биологического воздействия ионизирующего излучения на организм, характеризует степень радиоактивной опасности.

3иверт (3в) «СU» - Грей (Гр)

Внесистемная – бэр (биологический эквивалент рентгена)

1 БЭР = 0,01Гр (3в) Д_ЕД = К×Д_П, К – коэффициент качества (ОБЭ)

Интегральная доза излучения – общая доза ионизирующего излучения, поглощенная всей массой облучаемого тела или среды.

«СU» - Джоуль (Дж), Кулон (Кл)

Внесистемные – грамм·рад (г·рад), грамм·рентген (г·Р).

Р

Соответственно единицей мощности дозы является: для поглощения – Вт/кг и рад/с; для экспозиционной дозы – А/кг, Р/час или мкР/с.

Между поглощенными и экспозиционными дозами существует следующая связь: Д_n=fД_о,где f – переходный коэффициент, зависящий от облучаемого вещества и энергии фотонов. Для воздуха f=0,88 и мало зависит от энергии фотонов. Д_n=f_возд.Д_о=0,88Д_о

Для воды и мягких тканей тела человека f=1, следовательно, поглощенная доза в рядах численно равна соответствующей дозе в рентгенах. Это и обуславливает удобство и использования внесистемных единиц – рад и рентген. Биологич действ разл видов ионизирующего излуч отличается. В связи с этим в дозиметрию вводится биологич доза Д_б. Ед биологич дозы явл биологич эквивалент рада (бэр ). 1 бэр = 10^-2Дж/кг.

Биологич доза в борах численно равняется произвед поглощенной дозы в радах на коэф, наз относительной биологич эффективностью излучения (К):

Д_б(бэр)=Д_n(рад)·К

Фон за счет естественных радиоактивных источников (космические лучи, радиоактивность недр, воды, радиоактивность ядер, входящих в состав человеческого тела и др.) соответствует приблизительно дозе 125 мбэр. Предельно допустимой эквивалентной дозой при профессиональном облучении является 5 бэр за год. Летальной дозой от g -излучений считается 600 бэр.

Для изотопов, излучающих при распаде g-фотоны, активность связана с мощностью дозы определенным соотношением, т.к. при каждом распаде излучается один (или определенное число) фотон. Для источника излучения точечной формы мощность дозы в рентген/час прямо пропорциональна активности А источника, выраженной в мкюри, и обратно пропорциональна квадрату расстояния R в см от источника излучения до места определения дозы: Р=

Кюри – активность радиоактивного изотопа, в котором в/с происходит 3,7×10¹⁰ распадов.

R_g - гамма-постоянная радиоактивного изотопа.

143.Методы регистрации ионизирующих излучений, дозиметрические и радио­метрические приборы. Естественный радиационный фон. Техногенный фон.

Дозиметрическими приборами, или дозиметрами, называют устройства для измерения доз ионизирующих излучений или величин, связанных с дозами. Дозиметры состоят из детектора ядерных излучений и измерительного устройства. Обычно они проградуированы в единицах дозы или мощности дозы.

В зависимости от используемого детектора различают ионизационные, люминесцентные, полупроводниковые, фотодозиметры и другие.

Дозиметры для измерения экспозиционной дозы рентгеновского излучения или ее мощности называют рентгенометрами. В качестве детектора – ионизационная камера. Заряд, протекающий в цепи камеры, пропорционален экспозиционной дозе, а так – ее мощности.

Индивидуальные дозиметры –представляют собой миниатюрную цилиндрическую ионизационную камеру, которая предварительно заряжается. В результате ионизации происходит разрядка камеры, что фиксируется вмонтированным в нее электрометром.

Для измерения активности или концентрации радиоактивных изотопов применяют приборы, называемые радиометрами.

Авторадиография. Метод заключается в получении на фотопленке отпечатков при контактном действии каких-либо тел, содержащих радиоактивные вещества (обычно это срез органа или ткани). По степени почернения фотоэмульсии можно определить содержание и распределение радиоактивных веществ в исследуемом объекте.

Естественный радиационный фон создается космическим излучением, природными радионуклидами находящимися в биосфере Земли.В период испытания ядерного оружия естественный радиоактивный фон был изменен за счет искусственных радиоактивных изотопов выпавших на поверхность земли.В результате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения, которые сформировали техногенный фон радиоактивного воздействия на человека и всю живую природу. В связи с индустриализацией в природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды извлекаемые из глубины земли вместе с углем, газом, минеральными удобрениями, строительными материалами и др. Техногенный фон пополняют и работающие атомные электростанции и связанные с производством радиоактивного топлива предприятия, а также выбросы предприятий ядерной энергетики. Отдельно на человека воздействуют рентгеновское излучение и радиоактивные вещества используемые в медицине.

142.Связь между активностью и эквивалентной дозой внутреннегооблучения. Эквивалентная доза внутреннего облучения при инкорпарировании нуклидов пропорциональна равновесной активности нуклида во всем теле и обратно пропорциональна массе тела т.е. Д_эк∞tA/m. Принципы расчета дозы внутреннего облучения основываются на определении мощности эквивалентной дозы в критическом органе взрослого человека: где А – равновесная активность нуклида во всем теле, Бк; f –доля нуклида в критическом органе относительно общего содержания во всем теле; А f – равновесное содержание радионуклида в органе, Бк.; 1,6 10^-13 выражено в Дж/МэВ; m – масса критического органа или ткани, кг; Е_эф=SЕkn – эффективная энергия, МэВ/рас., передаваемая органу тела в каждом акте распада радионуклида с учетом биологической эффективности излучения; k – коэффициент качества излучения; n – коэффициент неоднородности распределения радионуклида в органе, который предполагается равным единице для рентгеновского и g - излучения и пяти для a, b- частиц и ядер отдачи нуклидов, отлагающихся в костях, за исключением ²²⁶Ra и ³²P. Этот коэффициент принят равным единице для всех органов кроме костнойткани 139. Физические основы радионуклидных методов диагностики и лучевой терапии. Медицинские приложения радионуклидов можно представить двумя группами. Одна группа — это методы, использующие радиоактивные индикаторы (меченые атомы) с диагностическими и исследовательскими целями. Другая группа методов основана на применении ионизирующего излучения радионуклидов для био­логического действия с лечебной целью. К этой же группе можно отнести бактерицидное действие излучения.

Метод меченых атомов заключается в том, что в организм вводят радионуклиды и определяют их местонахождение и активность в органах и тканях. Так, например, для диагностирования заболевания щитовидной железы в организм вводят радиоактивный иод или , часть которого концентрируется в этой железе. Счетчиком, расположенным поблизости от нее, фиксируют накопление иода. По скорости увеличения концентрации радиоактивного иода можно делать диагностический вывод о состоянии щитовидной железы. Рак щитовидной железы может давать метастазы в разные органы. Накопление радиоактивного иода в них может дать информацию о метастазах.

Лечебное применение радионуклидов в основном связано с использованием
g- излучения (гамма-терапия). Гамма-установка состоит из источника, обычно ⁶⁰Со, и защитного контейнера, внутри которого помещен источник; больной размещается на столе. Применение гамма-излучения высокой энергии позволяет разрушать глубоко расположенные опухоли, при этом поверхностно расположенные органы и ткани подвергаются меньшему губительному действию.

Терапевтическое применение имеют и a-частицы. Так как они обладают значительной линейной плотностью ионизации, то по­глощаются даже небольшим слоем воздуха. Поэтому использование a-частиц в терапии (альфа-терапия) возможно лишь при их непосредственном контакте с организмом, либо при введении внутрь организма.

Характерным примером является радоновая терапия: мине­ральные воды, содержащие и его дочерние продукты используются для воздействия на кожу (ванна), органы пищеварения (питье), органы дыхания (ингаляция).

Еще одно лечебное применение a-частиц связано с использова­нием потока нейтронов. В опухоль предварительно вводят элементы, ядра которых под действием нейтронов вступают в ядерную реакцию с образованием a-частиц. Облучая после этого больной орган потоком нейтронов, вызывают ядерную реакцию и, следовательно, образование a-частиц (например, реакции или ).

Т.о,a-частицы образуются прямо внутри органа, на который они должны оказать разрушительное воздействие. Можно ввести радиоактивный препарат в больной орган на острие иглы.