Radioactivitatea naturala si artificiala

1. Introducere:

Pornind de la structura substantei si luând drept criteriu de clasificare partile ei componente, fizica se împarte în:

fizica moleculara, atomica, nucleara, electronica, fizica particulelor elementare.

Materia se compune din elemente chimice. Pâna în prezent au fost identificate 111 elemente.

Dintre acestea, elementele care predomina sunt oxigenul (46,1%), siliciul (28,2%), aluminiul 212h77c (8,23%), fierul (5,63%), calciul (4,15%), sodiul (2,36%), magneziul (2,33%), potasiul (2,09%).

Elementele → atomi caracteristici (contin un nucleu constituit din protoni, cu sarcina pozitiva si neutroni care sunt fara sarcina electrica, si electroni cu sarcina negativa, care se misca în jurul nucleului, pe orbite discrete, care pot fi parcurse cu o anumita probabilitate)

→ Atomul contine un numar egal de protoni si electroni si în consecinta va fi neutru din punct de vedere electric.

→ Numarul atomic Z reprezinta numarul protonilor si totodata al electronilor din atom, iar numarul de masa A reprezinta totalitatea protonilor si neutronilor dintr-un atom.

→ Speciile unui element care au numar diferit de neutroni se numesc izotopi ai acestui element.

→ Atomii diferitelor elemente pot avea acelasi numar de masa. Nuclizii acestor elemente sunt nuclizi izobari. Nuclizii cu acelasi numar de neutroni, dar cu numar diferit de protoni se numesc izotoni.

Obs.

Raportul dintre numarul de neutroni (N) si numarul de protoni (Z), N/Z, creste o data cu numarul de masa A. S-a dovedit ca nucleele sunt stabile numai în cazul în care raportul N/Z este apropiat de o valoare bine determinata, care este functie de numarul de masa A.

Obs.

O dezmembrare a nucleului necesita învingerea fortelor nucleare si pentru aceasta trebuie sa fie cheltuita o energie, si invers, pentru alcatuirea nucleului din nucleoni liberi trebuie pusa în libertate aceeasi energie. Aceasta energie se numeste energie de legatura.

Tipuri de radiatii:

Def.

Prin radiatie se întelege un proces în care o sursa emite energie si aceasta se propaga în mediul care înconjoara sursa, sau pur si simplu, radiatia defineste energia implicata în acest proces.

Dupa natura lor, radiatiile pot fi corpusculare sau electromagnetice.

Radiatiile corpusculare sunt formate din particule de substanta având o anumita energie cinetica.

Ele pot fi încarcate electric sau pot sa fie neutre:

→ Radiatiile corpusculare încarcate electric sunt de exemplu:

particulele a (nuclee de heliu) rezulta din dezintegrarea radioactiva de tip alfa (contin doua sarcini elementare pozitive iar masa lor este egala cu patru unitati atomice de masa si datorita sarcinii lor electrice pozitive, ele sunt deviate în câmp electric si magnetic).

particulele b (electroni) rezultând din dezintegrarea radioactiva de tip b minus (poarta o sarcina elementara negativa si numar de masa zero, masa lor fiind egala cu 1/1840 unitati atomice de masa si datorita sarcinii electrice negative sunt deviate în câmp electric si magnetic în sens opus directiei de deviere a radiatiei α).

Particulele b (pozitroni) si rezulta din dezintegrarea radioactiva de tip beta plus sau prin generare de perechi.

Protonii (nuclee de hidrogen)

→ Radiatii corpusculare neutre din punct de vedere electric:

neutronii (particule elementare nucleare cu numar de masa 1). Neutronii pot fi eliberati spontan doar de un numar foarte mic de nuclizi. În majoritatea cazurilor provin din procesele de fisiune ale U-235, U-238, Pu-239 etc.

Radiatiile electromagnetice sunt emise si absorbite în natura sub forma de cuante (fotoni).

Fotonii sunt particule fara masa de repaus, ce transporta, fiecare, o cantitate de energie E = h ν, unde h este constanta lui Planck, iar ν este frecventa radiatiei. Masa de miscare a fotonilor se leaga de energie prin formula lui Einstein E = m c², c fiind viteza luminii în vid.

Spectrul radiatiilor electromagnetice:

Radiatia γ este o radiatie electromagnetica de natura nucleara, caracterizata prin lungime de unda foarte scurta. Ea nu este deviata în câmp electric sau magnetic si apare de obicei împreuna cu radiatia α sau β.

Obs.

Radiatiile amintite prezinta unele proprietati comune: sunt invizibile, se deplaseaza cu viteza foarte mare si pot patrunde în materiale la adâncimi diferite, în functie de natura si energia radiatiei.

Radioactivitatea:

→ Din cei aproximativ 2000 de nuclizi cunoscuti pâna în prezent doar 290 sunt stabili, ceilalti sunt instabili si se transforma spontan, fara vreo interventie exterioara în nuclee stabile.

→Trecerea spre un nucleu stabil se poate face printr-o singura transformare sau prin mai multe transformari trecând prin stari intermediare instabile pâna la starea finala stabila, sirul lor formând o serie de dezintegrare.

→Un nuclid instabil se transforma în mod spontan într-un nuclid mai stabil, cu emisie de radiatie.

Def.

Prin radioactivitate se întelege capacitatea nucleelor instabile de a emite radiatii ionizante.

Acest fenomen se numeste dezintegrare radioactiva, în urma careia nucleul sufera o modificare bine determinata.

Obs.

În majoritatea cazurilor, nucleele radioactive naturale sunt cele grele, cu Z cuprins între 81 si 94. Exista însa si nuclee relativ usoare, natural radioactive, cum sunt ¹⁴C sau ⁴⁰K.

De exemplu, radioactiv stabil + β^-

Iradierea este actiunea de expunere la radiatii a unui corp, iar interactiunea dintre radiatie si substanta provoaca, în general, transformari în acel corp.

Transformarile din organismele vii sunt cunoscute sub numele de "efecte la iradiere". Daca sursa de radiatii este exterioara corpului iradiat se foloseste termenul de "iradiere externa", daca sursa de radiatii este încorporata sau distribuita în masa corpului, se foloseste termenul de "iradiere interna".

Dupa natura surselor de radiatii, aflate în mediul înconjurator independent de vointa omului, sau "realizate" de "om", distingem iradierea naturala si artificiala sau antropica.

Iradierea organismului datorata surselor naturale de radiatii se numeste iradiere naturala.

Obs.

Populatia umana, ca de altfel toata biosfera, a fost si continua sa fie expusa inevitabil la doze mici de radiatii ionizante provenind din surse naturale.

Comisia Internationala pentru Protectie Radiologica (CIPR) considera ca se poate accepta pentru umanitate o valoare limita de expunere la radiatii ionizante corespunzând la dublul dozei medii la care omul este expus în conditii naturale, ceea ce presupune ca specia umana este adaptata la iradierea existenta în prezent în mediul sau de viata. Cu toate acestea, riscurile pe care le comporta chiar nivelele scazute de radiatii nu trebuie sa fie neglijate, ele constituind în ultimul timp obiectul unor studii efectuate în cadrul unor programe de cercetare internationale.

Pe lânga iradierea naturala (92%) trebuie considerata iradierea artificiala (8%) suplimentara, care poate fi medicala, profesionala sau accidentala.

Iradierea medicala în scop diagnostic sau terapeutic reprezinta, dupa iradierea naturala, sursa majora de expunere a populatiei. Fie ca se utilizeaza fascicule externe sau radiatii provenite de la surse introduse în corp, procedurile diagnostice si terapeutice aplicate în medicina nucleara conduc la o iradiere suplimentara. Pentru o evaluare cât mai buna a riscurilor generate de iradierea efectuata, se impune estimarea cât mai precisa a dozelor de radiatie. Distrugerea tesuturilor maligne prin iradiere este o aplicatie utila a afectelor distructive ale radiatiei ionizante.

3.1. Descoperirea radioactivitatii. Radioactivitatea naturala

→ 1896 Henri Becqueral a descoperit radioactivitatea naturala. A demonstrat ca uraniul si sarurile sale emit spontan radiatii care pot traversa corpurile si impresioneaza placa fotografica.

→ Proprietatea nucleelor de-a emite radiatii a fost numita de catre Marie si Pierre Curie radioactivitate.

→ 1898 Marie si Pierre Curie au descoperit radioactivitatea thoriului, poloniului, radiului. Uraniul si thoriul au o activitate mai putin intensa decât poloniul si radiul.

→Radiatiile emise de substantele radioactive au o serie de proprietati caracteristice, ca ionizarea gazelor, impresionarea emulsiei fotografice, provocarea luminiscentei unor substante, degajarea de energie.

→ 1934 Irčne si Frédéric Jolliot-Curie au descoperit radioactivitatea artificiala.

Prin iradiere, în special cu neutroni, unele elemente care în mod natural sunt stabile, devin radioactive. (În urma proceselor radioactive sunt emise radiatii a b si g

Din punct de vedere al puterii de patrundere si al puterii de ionizare:

razele a au putere mica de patrundere si o mare putere de ionizare

razele b au putere mare patrundere si o mai mica putere de ionizare

razele g au cea mai mare putere de patrundere si cea mai mica putere de ionizare.

Radioactivitatea a fost descoperita initial la elementele grele care se întâlnesc în natura: U, Ra, Ac, Th.

Dezintegrarea acestor elemente prin emisia de particule a si b nu duce la formarea unui nucleu stabil, ci aceasta se realizeaza prin formarea unor radioelemente intermediare care deriva unul din altul.

Obs.

Studiul elementelor radioactive întâlnite în natura a aratat ca acestea pot fi înglobate în trei lanturi succesive, numite serii (familii) radioactive:

seria thoriului,

seria uraniului,

seria actiniului.

În anul 1940 a fost descoperita seria neptuniului, care este o serie radioactiva artificiala.

3.2. Radioactivitatea artificiala. Reactii nucleare

Daca un nucleu este bombardat cu o particula neutra sau cu una încarcata electric cu energie destul de mare pentru a patrunde în câmpul central al nucleului, se produce transformarea nucleului dat într-unul nou, cu eliberarea unei alte particule.

Obs.

Izotopii radioactivi rezultati, spre deosebire de cei naturali, pot da nastere la mai multe tipuri de dezintegrari (a b b , n, însotiti de emisie g), dupa cum nuclidul respectiv are un exces de protoni sau neutroni.

Izotopii radioactivi artificiali sunt mult mai numerosi decât cei naturali, se obtin în reactoarele nucleare si în acceleratorii de particule.

Au multe aplicatii practice, inclusiv ca trasori în chimie si biologie.

În proba ale carei proprietati se urmaresc, se încorporeaza o cantitate mica dintr-un radioizotop al unuia din elementele constituente ale probei, urmarind traseul lui cu ajutorul detectorului de radiatie.

Trebuie însa ca trasorul sa nu modifice proprietatile fizico-chimice ale substantei si sa aiba un timp de înjumatatire mic, de acelasi ordin de marime cu timpul observatiei.

Reactiile nucleare provocate sunt de mai multe tipuri:

Reactia de împrastiere elastica: particula incidenta loveste nucleul fara pierdere de energie, schimbându-si doar directia.

Daca nucleul-tinta este usor, sufera si el o deplasare, în cazul unui nucleu mai greu, deplasarea este neînsemnata. Reactia este simbolizata x(a,a)x.

Reactia de împrastiere neelastica: particula pierde o parte din energie în momentul interactiunii. Nucleul trece într-o stare excitata, de unde revine în starea fundamentala prin emisia unei cuante g. Reactia este reprezentata x(a,ag)X.

Captura simpla: particula incidenta este absorbita de nucleu si se formeaza un nou nucleu care are un surplus de energie si emite una sau mai multe cuante g. De exemplu:

Dezintegrare: nucleul absoarbe particula incidenta si expulzeaza o particula noua. De exemplu:

Fotodezintegrare: dezintegrarea este produsa de fotoni g cu energie suficient de mare. De exemplu:

Legea dezintegrarii radioactive

Între radioactivitatea naturala spontana si cea artificiala nu exista nici o deosebire principala. Toate transformarile radioactive observate fie la radionuclizii naturali, fie la cei artificiali, se desfasoara dupa aceeasi lege de dezintegrare.

Dezintegrarea nucleelor radioactive este un proces statistic. Fiecare specie de nuclee este caracterizata de constanta radioactiva l (constanta de dezintegrare) care reprezinta probabilitatea dezintegrarii unui nucleu în unitatea de timp.

Consideram N numarul de nuclee nedezintegrate la un moment t, dN numarul de nuclee care se dezintegreaza în intervalul de timp dt si N_o numarul de nuclee nedezintegrate la momentul t_o=0.

S-a stabilit experimental ca în timpul dt se dezintegreaza

dN = -λNdt

nuclee

De unde, prin împartire cu N se obtine

Integrând între limitele N_o si N, respectiv 0 si t, rezulta , de unde obtinem pentru numarul de nuclee radioactive N la momentul t:

N(t) = N_o

Viata medie a tuturor celor N_o nuclee radioactive existente la momentul t_o=0 este definita ca intervalul de timp τ dupa care numarul initial de radionuclizi scade de e ori:

N(τ) = =, de unde rezulta ca si legea dezintegrarii radioactive se poate scrie:

N(t) = N_o

Timpul de înjumatatire (T_1/2) reprezinta intervalul de timp în care numarul initial de nuclee N_o se reduce la jumatate:

Dupa logaritmarea expresiei de mai sus se obtine:

ln2 = λT_1/2

sau . Înlocuind în legea dezintegrarii radioactive obtinem

Activitatea L a unei substante radioactive reprezinta numarul actelor de dezintegrare din unitatea de timp, adica viteza absoluta de dezintegrare:

Introducând activitatea în expresia legii de dezintegrare, aceasta devine:

Unitatea de masura pentru activitate este 1/s (s^-1), numita în sistemul international Becquerel (Bq). O alta unitate de masura utilizata în fizica nucleara este Curie (Ci).

1Ci = 3,7·10¹⁰s^-1

Un preparat radioactiv este cu atât mai puternic cu cât sunt mai numeroase procesele de dezintegrare în unitatea de timp.

Radiopreparatele artificiale pot avea activitati foarte ridicate, chiar daca au un continut redus de substanta radioactiva, deoarece constanta lor de dezintegrare este mult mai mare decât cea a radionuclizilor naturali.

3.3. Interactiunea radiatiilor nucleare cu substanta

La trecerea radiatiilor printr-o substanta, acestea pot interactiona diferentiat cu atomii care o alcatuiesc, formati la rândul lor din nucleu si învelis electronic.

În timpul strabaterii substantei de catre radiatii are loc cedarea energiei radiatiilor atomilor substantei cu care interactioneaza.

De regula, energia unei radiatii este cedata electronilor unui atom, acest act elementar de transfer de energie se poate repeta de un numar mare de ori de catre aceeasi radiatie.

Actul elementar de interactiune a unei radiatii incidente cu electronul unui atom, prin care electronul încarcat negativ preia energie de la radiatia incidenta, putând fi expulzat din atom, lasa atomul cu o sarcina electrica pozitiva. Daca atomul face parte dintr-o molecula, atunci prin smulgerea unui electron, molecula respectiva ramâne încarcata pozitiv.

Procesul prin care un atom neutru sau o molecula devin încarcate pozitiv, se numeste ionizare, iar entitatea rezultata se numeste ion pozitiv.

Electronul expulzat poate, la rândul sau, sa ionizeze alti atomi sau molecule.

Pentru acest motiv, radiatiile a b g, X si se mai numesc radiatii ionizante.

a. Interactiunea radiatiilor X si g cu substanta

Radiatiile Roentgen (X) si gama fac parte din doua familii de radiatii, dupa punctul de vedere din care se face clasificarea. Pe de o parte în cadrul radiatiilor electromagnetice, ele reprezinta limita superioara a spectrului de energie, de aceea radiatiile X si g sunt radiatii electromagnetice penetrante. Pe de alta parte, radiatiile Roentgen si gama au proprietate comuna cu radiatiile corpusculare de a produce, prin interactiune cu atomii substantelor strabatute sau iradiate, fenomenul de ionizare. Ele fac astfel parte si din familia radiatiilor ionizante.

Radiatiile X de frânare (Bremsstrahlung) au un spectru continuu în timp ce radiatiile X caracteristice caracteristice au un spectru discret de linii, numit spectru caracteristic.

Radiatiile g sunt determinate de dezexcitarea nucleelor excitate.

Radiatiile X si g la limita de energie înalta a spectrului radiatiilor electromagnetice, au frecvente foarte ridicate si corespunzator, lungimii de unda foarte scurte. Daca toti fotonii au aceeasi energie rezulta un fascicol monocromatic.

Împrastierea si absorbtia

Datorita fenomenelor de interactiune cu substanta, un fascicol de radiatii X si g, alcatuit din fotoni, se atenueaza din ce în ce mai mult, pe masura ce patrunde în substanta.

Atenuarea fascicolului de fotoni se datoreaza faptului ca fotonii dispar din fascicul prin doua tipuri de procese: de împrastiere si de absorbtie.

Spre deosebire de alte tipuri de radiatii, de exemplu electroni, procesele de interactiune a fotonilor sunt "catastrofice". Într-o singura interactiune, fotonul îsi poate modifica considerabil energia sau directia, si aceasta cu o probabilitate relativ mare.

Fotonii împrastiati pornesc sub diferite unghiuri formând radiatii împrastiate. Energia fotonului împrastiat poate fi egala sau mai mica decât aceea a fotonului initial. Împrastierea se împarte în doua tipuri: elastica si neelastica.

Desi sunt mai multe tipuri de interactiuni care reduc intensitatea fascicolelor de radiatii X si g, de importanta practica sunt trei: efectul fotoelectric, efectul Compton si generarea de perechi.

Efectul fotoelectric se manifesta prin absorbtia integrala a energiei unui foton de catre un electron al unui atom. Energia lui se distribuie integral între energia necesara extractiei din atom si energia cinetica a electronului expulzat (fotoelectronul). În acest caz, efectele ionizante se datoreaza fotoelectronilor, care se comporta similar radiatiei β. Energia lor va fi absorbita în mediul strabatut.

Efectul fotoelectric este important în cazul fotonilor de energii reduse care strabat materiale ce contin elemente grele.

Efectul Compton apare la ciocnirea dintre un foton si un electron (considerat liber sau slab legat). Rezulta un electron de recul, care primeste energia fotonului incident si un foton difuzat, cu energie mai mica decât a celui incident. Acest efect este semnificativ ca importanta când energiile de legatura a electronilor în atom pot fi considerate neglijabile fata de energiile fotonilor incidenti. În urma ciocnirii, energia fotonului incident se regaseste în energia transferata electronului de recul si energia fotonului difuzat. Electronii de recul au energii suficiente pentru a produce ionizari similare radiatiilor β, iar fotonii difuzati, în functie de energia pe care o mai au, pot produce fie alte efecte Compton, fie efecte fotoelectrice.

Daca în cazul efectului fotoelectric aproape toata energia fotonului incident este transferata substantei absorbante, în cazul efectului Compton o parte este emisa de substanta traversata sub forma de radiatie împrastiata sub unghiuri mari fata de unghiul de incidenta.

Generarea de perechi are loc atunci când un foton de energie înalta traverseaza câmpul electrostatic al unui nucleu. Daca acest câmp este suficient de intens, energia fotonului se pune în evidenta prin aparitia unui electron si a unui pozitron. Aceasta "materializare" a energiei nu poate avea loc decât daca energia fotonului depaseste de doua ori energia de repaus a unui electron. Diferenta dintre energia fotonului si cea necesara materializarii este regasita ca energie cinetica a electronului si pozitronului. Aceasta energie este absorbita de mediu prin ionizari similare celor produse de radiatia β. Spre deosebire de electron, viata pozitronului este scurta. Dupa încetinirea datorata ionizarilor, la întâlnirea unui electron, perechea pozitron-electron sufera reactia de anihilare, energia particulelor transformându-se în cuante γ. Fotonii de anihilare pot produce, în alte zone decât cea supusa iradierii primare, efecte fotoelectrice sau, mai ales, efect Compton.

b. Interactiunea electronilor cu substanta

Electronii interactioneaza cu materia asemanator particulelor grele încarcate, dar deosebirile care apar se datoreaza masei foarte mici a electronilor. Pierderea de energie a electronilor se produce prin doua mecanisme: ionizare (excitare) si radiatii de frânare.

La ciocnirea cu electronii atomici, electronul de masa foarte mica va fi puternic deviat. Parcursul lui nu va mai fi o linie dreapta, ci una frânta. Un fascicol initial monoenergetic de electroni, dupa trecerea prin substanta va prezenta un spectru larg de energie.

Prin unele interactiuni, fotonii radiatiilor electromagnetice penetrante elibereaza un flux de electroni secundari, care devin astfel purtatorii prin care energia radiatiilor electromagnetice primare este absorbita în substanta.

Electronii secundari interactioneaza cu substanta iradiata, cedând energia prin mai multe mecanisme sau tipuri de interactiune: ciocnirea inelastica în care are loc cu unul din electronii orbitali ai atomilor substantei, având ca rezultat excitarea sau ionizarea atomilor, generarea de radiatii electromagnetice prin efectul Cerenkov sau prin anihilarea unui electron negativ cu un electron pozitiv, generarea de radiatii electromagnetice de frânare (Bremsstrahlung), împrastierea elastica (coulombiana) pe nucleele atomilor si reactia nucleara initiata de electroni (electrodezintegrare nucleara).

Ca urmare a interactiunilor, energia unui electron scade treptat pe masura ce distanta strabatuta în substanta creste.

Excitarea si ionizarea atomilor

Principala interactiune a electronilor secundari cu mediul iradiat este interactiunea coulombiana cu electronii orbitali ai atomilor substantei, în urma careia au loc doua procese: transferarea unui electron orbital pe un nivel de energie superior, proces numit excitarea atomilor si separarea unui electron orbital de atom, proces denumit ionizarea atomilor.

În urma ionizarii, atomul încarcat pozitiv devine un ion pozitiv, iar împreuna cu electronul ejectat constituie o pereche de ioni.

c. Interactiunea radiatiei cu materia vie

Actiunea radiatiilor asupra tesutului si organelor

Ţesuturile si organele sunt complexe structurale formate din mai multe clase de celule, fiecare cu caracteristici proprii.

Momentul în care pot fi detectate leziunile functionale dupa iradiere, depinde de intervalul de timp în care intervine moartea celulara.

Ţesuturile sunt formate din celule parenchimatoase (cu rol functional) si o retea conjunctiva vasculara (care asigura suportul metabolic necesar activitatii lor).

Raspunsul la iradiere este rezultatul distrugerii definitive a celulelor parenchimatoase, care daca nu pot fi înlocuite duc la atrofia tesutului cu compromiterea, pâna la distrugerea functiei acestuia.

Modificarile tisulare dupa iradiere nu sunt specifice si au un caracter progresiv, devenind tot mai pregnante pe masura trecerii timpului. De aceea, aprecierea raspunsului la iradiere a unui tesut sau organ se face în mod arbitrar, pe baza gradului maxim de hipoplazie observat pâna la doua luni dupa iradiere.

În radioterapie, reactiile sau sechelele tardive sunt mai importante decât cele acute, ele fiind astazi principalul factor care determina toleranta si limiteaza doza de radiatie. Între intensitatea reactiilor acute si gravitatea sechelelor tardive nu exista, în general, nici o corespondenta si disocierea lor este favorizata de modul clasic de fractionare, respectiv 1,8 - 2 Gy de 5 - 6 ori pe saptamâna.

Raspunsul la iradiere poate fi însa mult influentat prin utilizarea altor scheme de fractionare, diferite de cele clasice.

Diferenta dintre panta curbelor de supravietuire pentru efectele acute si tardive poate fi influentata astfel prin modificarea fractionarii clasice. Efectele tardive pot fi reduse la minim prin cresterea numarului de fractiuni, care pot fi administrate cu o etalonare conventionala clasica, de 6 - 8 saptamâni sau redusa la jumatate, constituind asa numita hiperfractionare, respectiv fractionare accelerata.

Parametrii mai importanti care determina magnitudinea efectelor tardive sunt marirea dozei de fractionare si numarul total de fractiuni.

Actiunea radiatiilor asupra tumorilor

Tumorile sunt populatii celulare neechilibrate, proliferative, în care proliferarea depaseste pierderile celulare.

Ele respecta structura generala de organizare a tesuturilor normale si sunt formate din celule tumorale propriu-zise.

Celulele tumorale la rândul lor sunt clonogenice, aranjate în diviziune sau în afara ciclului celular, incapabile de reproducere sau sterile si sunt eliminate sau mor rezultând pierderea celulara.

Tumorile raspund la iradiere prin reducerea progresiva a volumului lor, care în functie de doza poate fi mai mult sau mai putin completa.

Intervalul de timp în care are loc aceasta regresiune difera foarte mult în functie de histologie; limfovanulele regreseaza progresiv, în câteva ore; carcimvanulele nediferentiate regreseaza în zile, în timp ce sarcvanulele sau adenocarcinvanulele necesita saptamâni sau luni.

Ritmul de regresiune depinde de natura constituentilor tumorali care trebuie resorbiti si de timpul în care are loc moartea celulara.

Când proliferarea celulara este oprita prin iradiere, tumorile cu pierderi celulare mari vor regresa rapid, în timp ce tumorile cu pierderi celulare reduse vor avea o regresiune lenta, raspunsul la iradiere fiind determinat si în cazul tumorilor de caracteristicile lor cinetice.

Iradierea tumorilor induce leziuni identice cu cele ale tesuturilor normale, dar interventia prompta si mai eficace a mecanismelor de aparare, în al doilea caz, explica diferentele care fac posibila aplicarea cu succes a radioterapiei în tratamentul cancerului.

Absorbtia de radiatie

Unele aspecte ale procesului de absorbtie de radiatie, legate de fenomenele care conduc la tranzitie între nivele energetice mai sarace în energie si nivele mai bogate în energie, au fost studiate cu ocazia studiului spectrelor atomice si moleculare.

Fie un strat de substanta de grosime dx pe care cade un fascicul de radiatii monocromatic alcatuit din fotoni, de intensitate I_o. Intensitatea fascicolului emergent este I.

Fig. I.1.

În cazul multor substante, micsorarea intensitatii datorita absorbtiei, verifica relatia:

unde k reprezinta coeficientul de absorbtie al substantei (caracterizeaza atenuarea relativa a fluxului de radiatie, pe unitatea de lungime de strat absorbant).

Dupa separarea variabilelor si integrare între limitele I_o si I, respectiv 0 si x, se obtine:

I = I_o e^-kx

relatie care exprima legea lui Lambert. Aceasta relatie mai poate fi scrisa pentru logaritm zecimal:

I = I₀ 10^-kx

Când stratul absorbant reprezinta o solutie a unei substante absorbante într-un mediu transparent pentru radiatii incidente, k este proportional cu concentratia solutiei, ceea ce înseamna ca E = ecx, unde e se numeste coeficient de extinctie al substantei si reprezinta inversul grosimii acelui strat absorbant pentru care .

Legea absorbtiei devine:

I = I₀ ^ecx

unde e(0) = h(0) lg e = 0,43 k si se numeste Legea lui Beer. Aceasta lege se poate scrie si sub forma: I = I₀ e^-ecx , în cazul logaritmului natural.

Raportul si se numeste transmisie sau transmitanta. Extinctia sau absorbanta E se defineste ca fiind logaritmul cu semn schimbat din transmisie, adica:

E = - ln T = - ln = ln = εcl

Spectrul de absorbtie al unei substante este deseori reprezentat prin curbe e = f(ν) sau e = f(l Cunoasterea spectrelor de absorbtie permite identificarea substantei absorbante si dozarea ei într-un amestec în care se pot gasi si componenti care nu absorb în acelasi domeniu de lungimi de unda ca si substantele largi raspândite.

I.5. Efectele biologice ale radiatiilor si protectia împotriva lor

Interactiunea radiatiilor nucleare cu sistemele materiale conduc la excitarea si ionizarea atomilor si moleculelor în urma absorbtiei energiei radiatiilor de catre substanta traversata.

Radiatiile încarcate electric (a b, ) produc ionizarea directa, pe când radiatiile X, g, produc ionizare indirecta prin electroni Compton, fotoelectroni, nuclee de recul. Interactiunile de baza ale radiatiilor ionizante cu tesutul viu sunt aceleasi ca si în oricare alta substanta, rolul important jucându-l fenomenul de ionizare si excitare a moleculelor din celule urmat de disocierea acestora. Întreaga energie cedata substantei de catre radiatie este disipata în final sub forma de caldura.

Unitatea de baza a tesutului viu este celula. Fiecare celula are un nucleu, centrul ei de control.

De o importanta cu totul particulara este compusul numit acid dezoxiribonucleic ADN în nucleul celulei. ADN-ul controleaza structura si functionarea celulei. Radiatia afecteaza celula, în mod indirect ADN-ul.

Radiatia poate actiona în doua moduri: o molecula de ADN se poate ioniza, rezultând o modificare chimica directa sau molecula poate fi modificata indirect prin intermediul unui radical liber din lichidul celulei.

În unele cazuri modificarea chimica poate sta la baza unui efect biologic daunator, datorat fie unui defect puternic localizat, fie unui defect global al cromozomului, asa cum se poate observa la microscop.

Ambele feluri de defecte au fost implicate în tarele genetice si în dezvoltarea cancerului.

Radiatiile care patrund în organism sunt mai mult sau mai putin absorbite. În cazul tesuturilor vii, interactiunea radiatiilor cu acestea produce aceleasi fenomene. Ionii produsi în urma ionizarii reactioneaza chimic cu acizii nucleici din nucleele celulelor vii dând nastere unor produsi toxici. Ţesuturile cele mai sensibile sunt organele hematopaltice, mucoasele, organele interne, tesuturile musculare, tesuturile osoase, tesutul nervos.

Iradierea în doze bine determinate poate avea efecte pozitive (în radioterapie, distrugerea celulelor tumorale).

Iradierea necontrolata poate duce la accidente acute imediate si accidente cronice.

Mecanismele absorbtiei radiatiilor variaza în functie de natura acestora. În cazul radiatiei a, acestea sunt complet absorbite de organismele vegetale si animale pe o adâncime de 0,1 mm iar radionuclizii nu sunt periculosi. Radiatiile b pot patrunde în organism circa 1 cm, iar radionuclizii care le produc sunt periculosi pentru tesuturile superficiale. Radiatiile x, g si neutronii trec prin organe umane iar radionuclizii care le produc sunt periculosi.

Boala de iradiere poarta numele de boala actinica.

În locurile în care apar doze de radiatii mai mari decât cele maxime admise, se impune luarea unor masuri de protectie prin ecranarea surselor radioactive. Împotriva fluxului de radiatii g se utilizeaza ecrane din material cu Z mare (Pb), împotriva fluxului de radiatii a se utilizeaza ecrane din material cu Z mic (Al) iar împotriva fluxului de radiatii se foloseste ca moderator apa grea si grafitul iar ca absorbant cadmiul si borul.

Marimi si unitati dozimetrice

Pentru a caracteriza efectele produse la iradierea diferitelor materiale inclusiv a corpurilor vii, este necesar sa studiem schimbarile de proprietati (mecanice, termice, electrice, magnetice etc.) produse în urma iradierii, precizând efectele produse.

Efectele produse depind de mai multi factori: natura, energia si distributia radiatiilor si natura, forma de agregare, combinatia chimica si structura corpului iradiat.

Efectele biologice ale radiatiilor depind de cantitatea de energie absorbita de la aceste radiatii de catre materia vie.

1) Marimea care a fost introdusa pentru a caracteriza energia absorbita de unitatea de masa este doza energetica absorbita (D).

D reprezinta raportul dintre energia absorbita si masa substantei care a absorbit aceasta cantitate de energie.

Doza absorbita în unitatea de timp se numeste doza debit.

Unitatea de masura:

1 Gy este doza care transfera unei mase omogene de 1 kg o energie de 1 J.

Alta unitate de masura este rad (roentgen de doza absorbita).

1 Gy = 100 rad

1 rad reprezinta cantitatea de radiatie care cedeaza într-un kg de substanta energia de 10^-2 J.

Transferând aceluiasi material o cantitate egala de energie, dar de la diferite radiatii, actiunea acestora este diferita. De exemplu, radiatia a este mai eficace decât b

2) Pentru a aprecia efectele iradierii s-a introdus ca marime caracteristica interactiunii radiatie - substanta, doza de ionizare (termenul a fost introdus mai întâi în radioterapie, ca echivalent pentru "doza de medicamente administrata").

Doza de ioni reprezinta sarcina electrica produsa prin ionizare si reprezinta raportul dintre sarcina electrica Q a ionilor produsi de radiatiile nucleare într-un volum de aer si masa m a acelui volum.

Debitul dozei de ioni este dat de relatia:

si are ca unitatea de masura: (Roentgen)

1 R reprezinta doza de radiatie X sau g care produce în conditii normale o sarcina într-un volum de aer uscat si este echivalent cu doza energetica de 1,293 Gy.

3) Doza biologica (B)

Pentru a putea compara diferite radiatii cu aceeasi energie, dupa efectele lor, s-a introdus factorul de eficacitate biologica relativa h

Doza biologica se foloseste pentru organismele vii:

B = doza energetica · h

Eficacitatea biologica relativa reprezinta raportul dintre energia absorbita de tesut la iradierea cu o radiatie data si energia absorbita de tesut la o iradiere cu o radiatie standard pentru a produce efecte biologice identice.

Doza biologica B este doza de energie preluata de la radiatia incidenta care produce, în conditii identice, aceleasi efecte biologice ca si doza de 1 Gy a radiatiilor standard (x, g la 200 keV).

Unitatea de masura este B = 1 rem(roentgen echivalent men), iar în SI = 100 rem.

Pentru radiatii x, g b, factorul de eficacitate biologica relativa este h = 1, pentru neutroni termici h = 10, iar pentru neutroni rapizi h

Debitul dozei biologice este

si se exprima în mod uzual în ,

iar în sistemul international

Limita anuala de încorporare, LAI, este activitatea minima, exprimata în becquereli, rezultata de la un radionuclid încorporat timp de un an, de catre omul de referinta definit de CIPR, încorporare care antreneaza fie o valoare a echivalentului dozei angajat de 50 mSv, fie o valoare a echivalentului dozei angajat de 150 mSv pentru cristalin, sau de 500 mSv pentru celelalte organe sau tesuturi.

Sticlele folosite în radioterapie sticle radioterapeutice

Sticle activate cu neutroni emit radiatii b sau g (utilizate în tratamentul tumorilor)

Iradierea externa = metoda de baza în radioterapie

radiatia g inconveniente

doza de iradiere mare iradiere nedorita a tesutului sanatos (daunatoare)

doza de iradiere mica ineficienta

radiatia b distanta de actiune mica

pt. iradierea eficienta a tumorilor radiatie b "livrata" din interiorul tumorii

Iradierea interna folosirea materialelor oxidice (sticle radioactive)

doza administrata tumorii este mare (>10.000 rad)

creste eficienta iradierii tumorii

nu afecteaza tesuturile vecine sanatoase ("localizare" a tratamentului)

Sticlele radioactive = "vehicul de livrare" al radiatiilor direct în tumora in vivo

Sticlele radioterapeutice criterii:

sa fie biocompatibile si netoxice

sa fie insolubile atâta timp cât sunt radioactive

sa aiba puritate chimica mare

Sticlele alumino-silicate (AS) = X₂O₃ Al₂O₃ SiO₂

X = pamânturilor rare (RE = Rare Earth) sticle REAS

Y sticle YAS forma  sferica (20-40 mm)= microsfere!

Dy sticle DyAS cilindrica (5/0,8 mm)= "seminte"

Sm sticle SmAS fibre

Ho sticle HoAS

în alegerea elementului component (X) se iau în considerare:

capacitatea de a forma sticle

proprietatile nucleare (T_1/2, tipul, energia si gama de radiatie emisa)

activarea microsferelor

o    Y-90 are T ˝ de 64 zile

o    Si, Al, O - sunt stabili în urma activarii

Iradierea tumorilor maligne hepato-celulare

microsferele YAS cu diametru de 20-30μm

doze neobisnuit de mari, pâna la 15.000 rad (2,5-10 milioane microsferele)

fara a se observa piederi detectabile de radiatie

injectate în artera hepatica a pacientilor utilizând un cateter

se blocheaza în patul capilar al tumorii

supravietuirea pacientilor = >4 ani (fara tratament = < 4 luni)

sunt optimi radionuclizii de ⁹⁰Y rezultati, cu T_1/2 mare

tesutul hepatic normal este mai rezistent la iradierea b interna fata de cea externa

doza receptata

tumora hepatica = 32.000 rad

tesutul hepatic normal = 2.200 rad

Utilizarea microsferelor radioactive în tratamentul altor tumori decât cele hepatice

iradierea rinichilor cu cancer înaintea extirparii chirurgicale

injectarea directa în lichidul sinovial din cavitatea articulara a articulatiilor atinse de artrita reumatoida

sunt în curs studii de administrare în cancerul ovarian si prostatic

Pâna în prezent, toate aplicatiile au dus la rezultate foarte bune !!!

Importanta terapeutica a sticlelor REAS activate (concluzii

permit administrarea unor doze terapeutice de radiatie b (> 15.000 rad), doze mult mai mari decât cele utilizate în radioterapia externa

se injecteaza direct în vasul nutritiv al tumorii

timpul de iradiere este adecvat (radioactivitatea ⁹⁰Y scade la nivel neglijabil dupa 21 zile)

sunt stabile (nu pierd radionuclidul)

dupa pierderea radioactivitatii nu sunt nocive pentru tesuturi

sunt relativ usor de preparat, cu o multitudine de forme si dimensiuni

gama larga de tipuri si cantitati de oxizi de Y si PR încorporate variatiuni nelimitate de dimensiuni si doze

se activeaza cu ¹₀n în ultima etapa de fabricare reducerea costurilor, riscurilor si precautiunilor

durabilitate foarte buna eficienta iradierii si evitarea iradierii tesutului sanatos

studiile in vivo (animale, oameni) de pâna acum au oferit rezultate foarte bune.