Mint a bioszféra élőlényei általában, az ember is állandóan ki van téve a különböző természetes vagy mesterséges eredetű ionizáló sugárzások hatásának.

Az emberi szervezetet érő sugárterhelés

származhat.

A külső sugárterhelés a külső forrásokból közvetlenül származó sugárterhelés.

A belső sugárterhelés a táplálékláncon keresztül, vagy belégzéssel az ember szervezetébe bejutott (inkorporált) radioaktív izotópok sugárzásából származó sugárterhelés.

A szervezetet érő sugárzásból származó károsodás egy folyamat eredménye.

A sugárzás a sejtekben először fizikai változásokat okoz (a sugárzásból történő energia elnyelés). Ezt bonyolult kémiai és biokémiai változások követik, és ezek következményeként kialakul a szervezet biológiai elváltozása.

Az ionizáló sugárzások várható biológiai hatásának jellemzésére ismerni kell a testszövetekben elnyelt energia mennyiséget. A várható sugárbiológiai hatás jellemzésére alkalmazzák a dózismennyiségeket, amely alatt általánosságban valamely anyagban elnyelt sugárzási energiát kell érteni.

Az elnyelt dózis meghatározásához ismerni kell a közölt energiát, amely alatt az ionizáló sugárzás által egy adott térfogatban lévő anyaggal közölt energiát kell érteni a következő képen

W e = E be − E ki + ∑ Q MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGxbWaaSbaaSqaaiaadwgaaeqaaOGaeyypa0JaamyramaaBaaaleaacaWGIbGaamyzaaqabaGccqGHsislcaWGfbWaaSbaaSqaaiaadUgacaWGPbaabeaakiabgUcaRmaaqaeabaGaamyuaaWcbeqab0GaeyyeIuoaaaa@4392@

ahol:

E_be és E_ki – a térfogatba belépő ill. kilépő sugárzási energia

∑Q – a térfogatban lejátszódó kölcsönhatásokban résztvevő magok és elemi részecskék nyugalmi energia megváltozásainak összege

Tekintettel arra, hogy az ionizáló (radioaktív) sugárzás biológiai hatását az élő szervezet által elnyelt energia okozza, a sugárhatást az egységnyi szövetben elnyelt energiával jellemezzük. Ezt nevezik elnyelt dózisnak (D), és a sugárzásból a dm tömegű anyagban elnyelt dW_e elnyelt energiával definiálható

D= d W e dm . MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGebGaeyypa0ZaaSaaaeaacaWGKbGaam4vamaaBaaaleaacaWGLbaabeaaaOqaaiaadsgacaWGTbaaaiaac6caaaa@3D79@

Az elnyelt dózis egysége a gray (Gy) = 1 joule kg_–1.

A dózisegyenérték (H) az emberi szervezet esetében alkalmazott ún. biológiai dózis, amely a testszövetben elnyelt dózis (D_tsz) és egy minőségi tényező (Q) szorzata.

H = D_tsz · Q

A Q minőségi tényező az emberi szervezet eltérő érzékenységét fejezi ki a különböző ionizáló sugárzásokkal szemben.

Így a béta és a gamma sugárzás esetében a Q = 1, a neutron sugárzásra az energia fajtától függően Q = 2,5…10,5, az alfa sugárzásra Q = 20. A minőségi tényező értékeiből kitűnik, hogy a különböző sugárzások biológiai hatása jelentősen eltér.

A dózisegyenérték egysége a sievert (Sv), amely a testszövetben elnyelt 1 Gy energia értéke Q = 1 minőségi tényezőjű sugárzás esetén.

A sugárvédelemben a dózis határértékeket Sv-ben adják meg.

Az effektív dózisegyenérték (H_E) az emberi szervezet egy részbesugárzásakor (pl. a radioaktív anyag egy szervbe történő beépülésekor) az egész szervezet kockázatát kifejező dózis mennyiség.:

H E = ∑ w T ⋅ H T MathType@MTEF@5@5@+=feaafiart1ev1aqatCvAUfeBSjuyZL2yd9gzLbvyNv2CaerbuLwBLnhiov2DGi1BTfMBaeXatLxBI9gBaerbd9wDYLwzYbItLDharqqtubsr4rNCHbGeaGqik8vrps0lbbf9q8WrFfeuY=Hhbbf9v8qqaqFr0xc9pk0xbba9q8WqFfea0=yr0RYxir=Jbba9q8aq0=yq=He9q8qqQ8frFve9Fve9Ff0dmeaabaqaciGacaGaaeqabaWaaeaaeaaakeaacaWGibWaaSbaaSqaaiaadweaaeqaaOGaeyypa0ZaaabqaeaacaWG3bWaaSbaaSqaaiaadsfaaeqaaOGaeyyXICTaamisamaaBaaaleaacaWGubaabeaaaeqabeqdcqGHris5aaaa@412B@

ahol:

H_T – a T szervben az átlagos dózis egyenérték,Sv,

w_T – a testszövettől függő súlyozó tényező (7.10. táblázat).

Forrás: Koltay, 1994

Az emberi szervezetet érő sugárterhelés természetes és mesterséges forrásokból származhat. Az embert érő sugárterhelés forrásait szemlélteti a 7.5 ábra.

7-5. ábra - Az emberi szervezetet érő sugárhatások (Forrás: Takács 1994.)

Az emberi szervezetet érő természetes külső forrásból származó sugárterhelés legjelentősebb komponense a talaj és az épületek gamma-sugárzása. Az épületekben a kapott dózis mértéke a házak szerkezetétől, és anyagától is függ, ugyanis az épületek egyrészt védik az embert a külső sugárzástól (a földi és kisebb mértékben a kozmikus sugárzástól) másrészt az épületek belső terének radioaktivitását az építőanyagok ²²²Rn- és ²³²Th-tartalma határozza meg. Jelentős sugárterhelést okozhat zárt, rosszul szellőztetett épületekben az a-sugárzó ²²²Rn és a ²²⁰Rn. Koncentrációja többszöröse lehet a jól szellőztetett épületek koncentrációjának.

A külső természetes sugárterhelés jelentős komponense a kozmikus sugárzás melynek intenzitása a Föld felületén közel azonos, tehát nem függ a geológiai viszonyoktól, de jelentős mértékben – exponenciálisan – függ a tengerszint feletti magasságtól. E vonatkozásban nem hanyagolható el az a dózis többlet, amelyet a repülőgépek személyzete kap. Ez 1000 repülési órát feltételezve 10 000 m magasságban egy év alatt 1,9 mSv többlet dózisegyenértéket jelent.

A mesterséges eredetű külső forrásokból származó sugárterhelés gyakran (kisérleti robbantások, nukleáris balesetek) meghaladja a természetes radioaktivitás mértékét. Jelentős lehet az ún. medicinális jellegű sugárterhelés, amely a lakosság nagy részénél diagnosztikai, kisebb részénél terápiás jellegű sugárterhelést jelent. Irodalmi adatok szerint az emberi szervezetet érő mesterséges eredetű sugárterhelés 90%-a medicinális eredetű, ami a teljes sugárterhelésnek kb. 35%-a. Természetesen ezek az arányok nem állják meg a helyüket pl. a nukleáris balesetek közvetlen környezetében élő lakosság esetében.

A jelenlegi kontaminációs viszonyok mellett (nukleáris robbantás, és nukleáris baleset mentes időszakban) a mesterséges forrásból származó sugárterhelés kisebb, mint a természetes háttérsugárzásból kapott dózis és kisebb mint 0,1 mSv·év^–1. Ugyanakkor az 1986. évi csernobili nukleáris erőmű balesetét követően a becslések szerint mintegy 24 ezer ember átlagosan 0,43 Sv (430 mSv) dózis egyenérték besugárzást kapott.

Meg kell azt is jegyezni, hogy a lakosság egyre része foglalkozik hivatásszerűen radioaktív készítményekkel, dolgozik sugárzás veszélynek kitett munkahelyeken. Ezeken a munkahelyeken szigorú előírás a rendszer orvosi ellenőrzés.

A külső mesterséges sugárforrások összetevői között említésre méltó, hogy a tv-nézés (főleg a színes tv) is jelent egy bizonyos sugárterhelést, azonban ez a többi dózis komponens mellett elhanyagolható, ha a néző és a képernyő között legalább 3 m a távolság.

A külső sugárterhelés mellett az emberi szervezetet érő terhelésben jelentős szerepet játszik az a dózis ami a szervezetben lévő inkorporált természetes eredetű radioaktív izotópok hatásából származik.

Az egész testre vonatkoztatva a legnagyobb dózist a ₄₀K, valamint a ₂₂₂ Rn és leányelemei aktivitása jelenti. A többi természetes eredetű radioaktív izotóp (pl. a ⁸⁷Rb, a ¹⁴C stb.) együttes sugárterhelése ennél kisebb. Ezek a megállapítások a teljes testre vonatkoznak, és átlagos sugárterhelést jelentenek, az egyes szervek ill. szövetek ennél nagyobb vagy kisebb sugárdózist kaphatnak. Így pl a ²²⁶Ra jelentős része a csontokban akkumulálódik, és a csontozatot érő ettől az izotóptól eredő sugárterhelés nagyobb, átlagosan 0,5 mSv.

A kálium mint esszenciális makroelem meghatározott koncentráció határok között fordul elő. A koncentráció a nemtől és a kortól függ. A férfiak szervezetében nagyobb a koncentráció (1,7–2,73 g · kg^–1), mint a nőkében (1,33–2,28 g · kg^–1), és 10 éves kor körül éri el maximumát.

A ¹⁴C, mint a természetes alkotórésze ugyancsak jelen van a szervezetben.

A ²¹⁰Pb felvételét illetően alapvető forrás az inhaláció és az élelmiszerekkel inkorporálodás. A felvett ²¹⁰Pb mintegy 70%-a csontozatban akkumulálódik, de a dohányzás ezt erősen befolyásolja. A dohányzás hatására egyébként a tüdőszövetek is jelentős sugárdózist kapnak, ami napi 40 db cigaretta elszívásával évi kb. 15 mSv dózist jelent.

A mesterséges eredetű belső sugárterhelés részben a környezetszennyező radioaktív izotópoknak (³H, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs) a szervezetbe jutásából, részben a radiofarmakonokból (olyan radioaktív izotópok, amelyek szervezeten belüli útját szervezeten kívüli detektálással követik az orvosi diagnosztikában ill. terápiában) származik. A diagnosztikai célra sok-féle radioaktív izotópot (pl. ⁸⁵Sr, ¹⁹⁷Hg, ⁷⁵Se, ¹⁸F, ⁵¹Cr) alkalmaznak, a terápiában leggyakrabban a ³²P, a ¹³¹I, a ¹⁹⁸Au farmakonokat alkalmazzák.

A mesterséges eredetű radioaktív izotópok közül elsősorban a ⁹⁰Sr és a ¹³⁷Cs izotópokkal kell számolnunk. Az ételekből és italokból felszívódó stroncium és a ⁹⁰Sr izotópja nagyrészt a csontozatban akkumulálódik, és az izomzatba ill. a belső szervekbe lényegesen kevesebb jut.

A ¹³⁷Cs-ból a belső szervek közül legtöbbet a máj akkumulál.

A szervezetbe kerülő radionuklidok mennyiségét a táplálkozási szokások jelentős mértékben befolyásolják. A tej és tejtermékek, a hús és húskészítmények, továbbá a tojás és a lisztből készül ételek radiostroncium tartalma alacsony, ugyanakkor a főzelékfélék, a zöldségek és gyümölcsök szennyezettsége az előbbieknek többszöröse.

A jelenlegi kontaminációs viszonyok mellett az egész testre vonatkoztatott mesterséges eredetű belső effektív sugárdózis évi mintegy 0,1 mSv értékre tehető.

A szervezetbe kerülő radioaktív anyagok egy része viszonylag gyorsan ürül, a másik része a szervezetbe beépülve csak a biológiai felezési időnek megfelelően távozik a szervezetből.

Az ionizáló sugárzó anyagok környezetünkben jelen vannak, mind az élettelen mind az élő anyagokban, így az emberben is (7.11. táblázat).

Az ENSZ Atomsugárzásokat Vizsgáló Tudományos Bizottság (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation ; UNSCEAR) 1988. évi felmérése szerint a Föld népességének átlagos sugárterhelése 2,8 mSv · a^–1. Ennek nagyobb része (2,4 mSv · a^–1) a természetes háttérsugárzásból származik, amelynek 2/3 része belső, 1/3 része külső forrásokból ered (7.6. ábra).

7-6. ábra - Az emberiséget érő sugárzások megoszlása (Forrás: Koltay 1994.)

A gyakorlati sugárvédelem szempontjai figyelembe véve az ionizáló sugárzások biológiai hatása

A determinisztikus sugárhatás esetén a biológiai hatás egy bizonyos (általában 1 Gy) küszöbdózis alatt nem, fölötte a dózis növekedésével egyre súlyosabb formában jelentkezik minden besugárzást elszenvedett személynél.

A sztochasztikus sugárhatás esetén nem a biológiai hatás súlyossága, hanem annak kialakulási valószínűsége függ a dózistól. Ebben az esetben nem határozható meg, hogy a sugárhatás mely személynél, és mikor jelentkezik, fellépése minden egyénre nézve valószínűségi jellegű. Ezek a biológiai hatások már kis dózisoknál is kialakulhatnak, így ebben az esetben nincs küszöbdózis. Elfogadott feltételezés, hogy a hatás kialakulási valószínűsége a dózissal lineárisan nő. Ilyen hatás pl. a fehérvérűség, vagy egy rosszindulatú daganat kialakulása. Ezeket a hatásokat vette figyelembe a Nemzetközi Sugárvédelmi Bizottság az effektív dózisegyenérték számításánál szereplő súlytényezők megállapításánál.

A táblázatból kitűnik, hogy valamely szerv, vagy szövet annál érzékenyebb a sugárzásokra, minél gyorsabban osztódó és kevésbé differenciált sejtek alkotják.

A determinisztikus sugárhatás elnyelt dózistól és a sztochasztikus sugárhatás dózisegyenértéktől való függését a 7.7. ábra a jellemző számértékeket a 7.8. ábra mutatja be. A különböző testrészeket érő átlagos természetes sugárterheléseket a 7.9. ábrán mutatjuk be.

7-7. ábra - A determinisztikus sugárhatás az elnyelt dózistól és a sztochasztikus sugárhatás dózisegyenértéktől való függése (Forrás: Koltay 1994.)

7-8. ábra - Az elnyelt dózis és a dózisegyenérték számszerű értéke (Forrás: Koltay 1994.)

7-9. ábra - A különböző testrészeket érő természetes sugárhatások (Forrás: Förstner 1993.)

Az ionizáló sugarak biológiai hatását befolyásoló tényezők a következők:

A szervezettel való érintkezésnél a sugár minősége és a behatolás mélysége játszik szerepet. Az alfa sugarak a test felülettel történő érintkezéskor már a bőr szarú-rétegében elnyelődnek és alig váltanak ki biológiai hatást. A béta sugár a bőr alá 0,5–2,0 cm mélységig behatol és a bőrre, ill. a bőr alatti rétegekre hat. A röntgen, a gamma és a neutron sugarak nagy áthatoló képességűek és a belső szervekben is kifejthetik hatásukat.

A szervezetben való eloszlás, ill. sugárhatása a beépült izotóp testszövetben történő oldhatóságától függ. Ha nem oldódik, akkor helyi hatást fejt ki (tüdő, gyomor-, ill. bélrendszer), ha oldódik, akkor az anyagok egy része egyenletesen eloszlik a szervezetben, más részük egyes szervrendszerekben halmozódik fel. A szájon át felvett oldódó anyagok változó mennyiségben, a vesén keresztül a vizelettel ürülnek. A szervezetbe beépült sugárzó anyagok hatása azok fizikai (T_fiz) és biológiai (T_biol.) felezési idejétől is függ.

Az expozíciós idő azt fejezi ki, hogy mennyi ideig tart a besugárzás, ugyanis az elnyelt energia mennyiség (dózis), ettől is függ de szerepet játszik sugárzás eloszlása is.

Az életkor is szerepet játszik az ionizáló sugarak biológiai hatásában, ugyanis a gyermekek áltatában sokkal érzékenyebbek, mint a felnőttek.

Az emberi szervezetbe kerülő radionuklidok által okozott sugárterhelés nagyságát a radionuklid mennyiségének (aktivitásának), fizikai és kémiai paramétereinek valamint egyéb fiziológiai jellemzőinek ismeretében lehet meghatározni. A számítás meglehetősen bonyolult, ezért a gyakorlatban erre illetékes nemzetközi szervek, mint pl. az ICRP (International Commission on Radiological Protection) által összeállított táblázatot használják a gyakorlatban.

A számítás a következő összefüggéssel végezhető:

D_i,j = U_i · R_i,j

ahol:

D_i,j – a j szerv vagy szövet i radionuklid okozta sugárterhelés (Sv)

U_i – az i radionuklidnak az emberi szervezetbe került mennnyisége(Bq)

R_i,j – az i radionuklid j szervre vonatkozó dózisfaktora, azaz a j szervben az i radionuklid egységnyi aktivitása által létrehozott sugárterhelés.

A dózisfaktor értéke pl. ¹³⁷Cs esetében a gonádokra 1,8 · 10^–8 Sv·Bq^–1, a csontvelőre 1,3 · 10^–8 Sv·Bq^–1, a ¹³¹I esetében 4,8 · 10^–7 Sv · Bq^–1.

Az ionizáló sugárzás az élő anyag szerkezetében és működésében igen jelentős változásokat okoz. Valamely fontos biomolekulában (pl. a DNS-ben) egyetlen ionizáció is nagy valószínűséggel képes megváltoztatni a molekula szerkezetét károsítva ezzel az egész sejt működését. Ennek alapján feltételezhető, hogy már a legkisebb dózisú sugárbehatás is ártalmas biológiai következményeket eredményezhet.

A sugárterhelés hatása a radionuklid relatív radiotoxicitásától is függ.

A radiotoxicitás alapján a radionuklidokat a következő négy csoportba soroljuk:

A sugárzás által okozott ártalom egyrészt az egyéni élet fennmaradását biztosító sejtek károsodásában nyilvánulhat meg, ezt nevezzük szomatikus hatásnak. Megnyilvánulhat a káros sugárártalom a fajfenntartás és az öröklés folyamatosságát biztosító sejtek károsodásában. Ez a genetikus hatás.

A biológia károsodás súlyossága az elnyelt dózistól, a sugárzás típusától, és energiájától, az expozició időtartamától, intenzitásától, a besugárzott testrész nagyságától, az érintet szervek ill. szövetek létfontosságától, sugárérzékenységétől, regenerálódó képességétől függ.

A szomatikus hatás lehet szomatikus korai (prompt) és késői hatás.

A korai (prompt) szomatikus hatás következményei órákon vagy napokon belül jelentkeznek és valamely ismert ill. konkrét sugárbehatással egy meghatározott dózis, a küszöbdózis felett biztosan fellépnek. A károsodás súlyossága és az elnyelt dózis közötti összefüggést a dózishatásgörbe írja le (7.10. ábra).

7-10. ábra - Az egyszeri egésztest besugárzás hatására bekövetkező elhalálozás valószínűsége (dózis hatásgörbe) (Forrás: Thyll 1996.)

A dózishatásgörbe jellegzetes pontja a küszöbdózis (KD), melynek értéke 2 Sv, és ezalatt a dózis egyenérték alatt nem kell halállal számolni. A 7 Sv dózisegyenérték fe-lett a halál bekövetkezésének valószínűsége 100%. A görbe inflexiós pontja az LD_50/30 érték amelyet félhalálos dózisnak is neveznek, mert ilyen mértékű besugárzás (≈5 Sv) hatására az emberek 50%-a 30 napon belül meghal.

A szomatikus késői hatások többségében nem lehet egyszerű és közvetlen összefüggést kimutatni az egyes esetek súlyossága, és a sugárdózis között. Előfordulásuk gyakorisága széles dózistartományban lineárisan nő a populációt ért átlagos sugárdózissal. A késői sugárártalom kifejlődhet korábban lezajlott heveny sugárreakció, egyszeri vagy ismételt kis dózisú besugárzás, illetve hosszantartó kis dózisú besugárzás következményeként. A betegség lehet halálos, (leukémia, rosszindulatú daganat), a beteg élettartamának egyéb okból történő megrövidülése, vagy valamely szövetre, szervre korlátozódó elváltozás (idült bőrgyulladás, szemlencse károsodás). A rák kialakulásának várható idejét a sugárzást követően a 7.11. ábra mutatja be.

7-11. ábra - A rák kialakulása a sugárzás elszenvedése után (Forrás: Sántha 1996.)

A genetikai sugárártalom az öröklődés alapvető elemeire a génekre és a kromoszómákra gyakorolt hatáson alapszik. Ez megnyilvánulhat spontán vetélésben, vagy az utódok öröklött betegségében.

A sugárzás genetikai hatásának megítélésében fontos paraméter az ún. kétszerező dózis, vagyis az a dózis érték, amely az öröklődő betegségek természetes előfordulását megkétszerezi. A különböző szerzők a kétszerező dózis értékét 0,3–2,0 Sv közéteszik.

A sugárterhelés csökkentési lehetőségeinek vizsgálatánál külön kell választani a külső sugárterhelést és a szervezetben inkorporált radioaktív izotópok sugárzását.

Az emberi szervezetet érő sugárterhelés jelentős része a levegő ²²²Rn tartalmából származik amely elsősorban a tüdőszöveteket éri. Beltérben a falakban lévő ²²⁶Ra bomlásából származó ²²²Rn jelentős mértékben felszaporodhat, ezért gyakori szellőztetéssel csökkenthető a zárt légtér radioaktivitása.

Általában törekedni kell arra, hogy a medicinális jellegű, diagnosztikai célú sugárterhelés lehetőleg minimális legyen. Természetesen itt figyelembe kell venni, hogy a különböző szervek, ill. testrészek sugárérzékenysége eltérő.

A munkájuk alapján a radioaktív anyagokkal dolgozók esetében a sugárvédelmi előírások betartása, a minimális sugárexpozició érdekében szigorúan megkövetelendő, és a sugárkárosodások elkerülése érdekében gyakori ellenőrzés szükséges.

Az emberi szervezetbe bejutó és ott akkumulálódó radioizotópok okozzák a belső sugárterhelést.

A szervezetbe kerülő és ott akkumulálódó radioaktív anyagok mennyiségét elsősorban az elfogyasztott élelmiszerek, italok radioaktivitása határozza meg. Ez általában a táplálkozási szokásokkal, ill. a terület földrajzi elhelyezkedésével van összefüggésben.

Így pl. a sarkvidéki területeken élő emberek testszövetében a ¹³⁷Cs-aktivitás 1–2 nagyságrenddel nagyobb, mint a mérsékeltöv területen élő populációk kontaminációs szintje.

A táplálkozási szokások különbsége mutatkozik meg a csontozat radio-stroncium tartalmában. Mivel az állati szervezetek nagyon jól diszkriminálnak a stronciumra, az elsősorban állati eredetű élelmiszereket fogyasztók csontjaiban lényegesen kevesebb ⁹⁰Sr akkumulálódik, mint a vegetáriánusok, vagy a főleg növényi élelmiszereket fogyasztók csontjaiban.

Az állati szervezetek, élelmiszerek radioaktivitása speciális védőanyagokkal csökkenthető.

Kelátképző anyagok adagolásával a már felszívódott radionuklidok kiürülése segíthető elő.

Általánosságban a külső radioaktív sugárzással szembeni védekezési lehetőségek a következők lehetnek: