Медична радіологія - Лазар А.П. 2008

Променеве терапія
Дозиметрія іонізуючих випромінювань

У зв’язку з практичною потребою отримувати кількісну та якісну характеристику іонізуючих випромінювань виникла дозиметрія. Дозиметрія - це визначення кількості та якості іонізуючих випромінювань.

За допомогою дозиметрії вирішують такі основні питання:

1. Пошук джерела випромінювання, визначення виду, кількості та енергії випромінювання.

2. Визначення ступеню впливу опромінення на об’єкт, що опромінюється.

3. Контроль захисних засобів і пристроїв, що застосовуються для забезпечення радіаційної безпеки обслуговуючого персоналу та хворих.

В дозиметрії розрізняють експозиційну дозу, поглинуту дозу, еквівалентну дозу, шкірну дозу, глибинну дозу, інтегральну дозу, ізодозу та деякі інші.

Як правило, експозиційна доза замірюється біля джерела випромінювання в повітрі іонізаційної камери, за допомогою якої вимірюється дане випромінювання. Експозиційні доза може бути визначена на будь-якій відстані від джерела випромінювання, наприклад, у суміжних приміщеннях, або за захисними екранами. Із збільшенням відстані від джерела випромінювання доза в повітрі зменшується згідно закону освітленості, тобто її зменшення пропорційне квадрату відстані.

Табл. 1. Основні дозиметричні одиниці та їх позначення.

Одиницею експозиційної дози є 1 Р (Рентген - позасистемна одиниця) та 1 Кл/кг (Кулон на кілограм - міжнародна системна одиниця СІ) (табл.1). Експозиційну дозу визначають за величиною заряду утворюваних іонів в одиниці маси.

Потужністю експозиційної дози випромінювання зветься експозиційна доза, отримана за одиницю часу. Одиницями потужності дози є: 1 Рентген за секунду (Р/с - позасистемна одиниця) та 1 Ампер на кілограм (А/кг - системна одиниця).

Поглинена доза (абсорбована доза) - енергія іонізуючого випромінювання, яка поглинена речовиною, що опромінюється (повітря, Тканини організму), в перерахунку на одиницю маси (D = E/M).

Одиницею поглиненої дози є 1 Гр, що дорівнює 1 Дж/кг, тобто 1 грей - це енергія в 1 джоуль, передана тілу масою в 1 кілограм. Позасистемна одиниця - 1 рад «radiation absorbed dose» - енергія в 1 ерг поглинута в масі 1 г (1 Гр = 100 рад).

Еквівалентна доза (Н). Для оцінки можливої шкоди здоров’ю людини в умовах хронічного опромінення існує поняття еквівалентної дози Н, рівної множенню поглиненої дози Dr в органі чи тканині, створеної опроміненням r, на вагової коефіцієнт для даного виду випромінювання Wr: H = DrxWr.

Одиницею виміру еквівалентної дози є Джоуль на кілограм. Вона має спеціальне найменування Зіверт (Зв). Одиниця названа на честь шведського вченого Рольфа Зіверта , який займався проблемою захисту від радіаційного випромінювання. Несистемною одиницею еквівалентної дози є бер. Бер означає (акронім) «біологічний еквівалент рада». Тому для фотонного проміння з середньою та високою енергією для практичних потреб радіаційного захисту можна прийняти, що наступні величини приблизно рівні (1рад = 1 бер = 1Р, 1Зв = 1Гр). Таким чином, 1 рад = 1 сГр, 1 бер = 1 сЗв, 1Зв = 100 бер.

Шкірна доза замірюється безпосередньо на поверхні шкіри. Слід мати на увазі, що вона трохи більша, ніж над шкірою, бо складається з енергії, поглиненої шкірою, і енергії вторинного випромінювання від збуджених атомів шкіри. При збільшенні поля опромінення кількість вторинного розсіяного випромінювання від самої шкіри зростає, оскільки від більшого об’єму тканини вторинне випромінювання потрапляє до зони вимірювання дози. Від величини шкірної дози залежить вираженість реакції шкіри на променеву терапію.

Глибинна доза - це доза у глибині об’єкта, що опромінюється. Оскільки при проходженні через тканини частина енергії іонізуючого випромінювання витрачається на збудження атомів, іонізацію і розсіяння, то з глибиною доза випромінювання зменшується. Ступінь зменшення дози у товщі тіла людини залежить, головним чином, від двох причин: від енергії іонізуючого випромінювання і від щільності тканин та органів, через які воно проходить. Чим більша енергія іонізуючого випромінювання, тим меншою мірою знижується глибинна доза. Так, наприклад, при енергії гамма-випромінювання у 160 кеВ доза на глибині 10 см від поверхні становитиме близько 30% шкірної дози, а при енергії гамма-випромінення у 2 МеВ глибинна доза на тій же відстані дорівнюватиме вже близько 70% шкірної дози. Залежність глибинної дози від щільності тканин можна співставити з величиною денситометричної щільності на комп’ютерній томограмі, яка залежить від ступеню проникності через тканини рентгенівського випромінювання.

Відносною глибинною дозою називають відношення дози в глибині тіла до дози на шкірі, її зазвичай виражають у відсотках. Під час променевої терапії глибоко розміщених патологічних процесів важливо, щоб відносна глибинна доза була якомога більшою. Відносна глибинна доза залежить, в основному, від енергії випромінювання. У пучку випромінювання є м’яка (з малою енергією) і жорстка (з великою енергією) складова, що знаходиться у довгохвильовій та короткохвильовій частині спектра електромагнітного випромінювання відповідно. Тому вживають заходів для зменшення «м’якої частини» випромінювання, яке тільки збільшує ступінь нетерапевтичного променевого навантаження на хворого. Відсіювання м ’ якого випромінювання досягається, по-перше, збільшенням відстані від джерела до поверхні шкіри (відстань джерело - поверхня шкіри позначається як і ще шкірно-фокусною відстанню). При цьому найм’якша частина випромінювання втрачає свою енергію на збудження атомів повітря та його іонізацію і, таким чином, не доходить до шкірної поверхні. Крім того, застосовують алюмінієві і мідні фільтри (пластини) різної товщини, які також вбирають м’яке випромінювання. Відносну глибинну дозу можна підвищити також зменшенням розмірів поля опромінення, бо при цьому зменшується шкірна доза.

Величина поглиненої променевої енергії в патологічному вогнищі (напр. у пухлині) під час проведення променевої терапії називається вогнищевою дозою. Величина вогнищевої дози залежить від кількох чинників: 1) від глибини залягання патологічного вогнища ураження; 2) від ВДП; 3) від атомного номера і товщини застосовуваного відсіювального фільтра; 4) від енергії випромінювання; 5) від величини поля опромінювання (на шкірі).

Під час променевої терапії опромінюється не тільки вогнище ураження, але й навколишні органи і тканини на всій глибині проходження променю. Тому для оцінки його впливу на Організм визначається інтегральна доза, яка характеризує кількість енергії, поглиненої усім опроміненим організмом. Одиницею інтегральної дози є Грей-кілограм (або грам-рад).

В медичних закладах при використанні радіоактивних елементів з діагностичною і лікувальною метою користуються не тільки одиницею енергії, поглиненої речовиною, а й одиницею активності. Активність (радіоактивність) - це здатність атомів до самочинного перетворення. Розрізняють активність абсолютну, відносну і питому. Абсолютна активність радіоактивного елемента - це кількість ядер, що розпадаються в ньому за одиницю часу. За одиницю абсолютної активності прийнято 1 кюрі (Ku, Ci, скорочено - С). Кюрі - така кількість радіоактивної речовини, в якій за 1 сек розпадається 3,7х10¹⁰ атомів. Для практичного застосування ця одиниця активності надто велика, тому користуються похідними одиницями від кюрі - мілікюрі (мкюрі) і мікрокюрі (мккюрі). Під відносною активністю розуміють швидкість рахування імпульсів випромінювання джерела, реєстрованих вимірювальним приладом за одиницю часу. Питома активність - активність 1 г радіоактивної речовини, виражена в кюрі/г.

Іонізуючі випромінювання не сприймаються органами чуттів людини, тому для їх виявлення і вимірювання користуються спеціально сконструйованими приладами. Методи виявлення і вимірювання іонізуючих випромінювань залежать від основних властивостей останніх - їх фізичної, біологічної та фотохімічної дії. Тому основними методами дозиметрії є фізичний, біологічний та фотохімічний.

Найпоширенішими фізичними методами дозиметрії є іонізаційний, сцинтиляційний та термолюмінесцентний.

Іонізаційний метод дозиметрії набув значного поширення в практичній медицині, бо він дає змогу з великою точністю виміряти дозу будь-якого виду іонізуючого випромінювання, витрачену на утворення іонних пар. Незалежно від виду випромінювання, на утворення однієї пари іонів витрачається енергія, яка дорівнює в середньому 34 еВ. Іонізаційний метод дає можливість точно виміряти енергію утворюваних під впливом випромінювання іонних пар і, отже, підрахувати їх кількість. Для цього методу застосовуються спеціальні іонізаційні камери або газорозрядні лічильники, а для реєстрації енергії іонних пар при цьому використовуються гальванометри або міліамперметри, проградуйовані у рентгенах.

У багатьох сучасних приладах, які реєструють іонізуюче випромінювання, замість іонізаційних камер застосовуються газорозрядні лічильники Гейгера-Мюллера. Лічильники Гейгера-Мюллера являють собою конденсатор, оформлений у вигляді герметично закритого циліндра, але замість повітря його порожнина заповнена газом, парами спирту або ефіру. Стінки лічильника виготовляють зі скла, або з тонкого шару металу. По центру циліндра натягнуто металеву нитку, яка є одним з електродів конденсатора із зовнішнім виводом. Другим електродом лічильника є дуже тонка металева пластинка, розміщена на внутрішній поверхні скляного циліндра, або сама стінка лічильника, якщо вона металева.

Під дією іонізуючого випромінювання в лічильнику виникає іонізація наявного газу. Оскільки напруга електричного струму на електродах лічильника значна, то утворені іони з дуже великою швидкістю летять до електродів і на своєму шляху викликають вторинну іонізацію. Вторинні іони під впливом тяжіння сильного електричного поля також рухаються з більшою кінетичною енергією і викликають третинну іонізацію і так далі, внаслідок чого виникає лавина іонів, або ударна іонізація. В результаті цього настає замикання електричного кола через лічильник і відбувається газовий розряд (тому й називаються ці лічильники газорозрядними). Газовий розряд у порожнині лічильника приводить до моментальної появи струму в електричному колі і реєструється вимірювальним приладом.

Газорозрядні лічильники придатні для вимірювань будь-якого виду іонізуючого випромінювання, але для кожного з них вони мають деякі особливості. Так, для вимірювань рентгенівського або гамма-випромінювання внутрішня стінка скляного лічильника вкрита тонким шаром міді, для бета-часток - шаром алюмінію, а стінки металевих лічильників складаються зі сплаву цих металів. Для альфа-часток є торцеві лічильники. Торець цього лічильника закрито тонким шаром слюди, яка пропускає альфа-частки.

Сцинтиляційний (від лат. scintillatio - мерехтіння) метод дозиметрії грунтується на властивості іонізуючих випромінювань викликати світіння деяких солей. Цей метод відзначається великою точністю вимірювання, тому що реєструє кожну частинку корпускулярного або квант хвильового іонізуючого випромінювання. Як сцинтиляційні матеріали використовуються кристали (йодистий натрій, йодистий калій), спеціальні пластмаси, сцинтиляційні рідини.

У зв’язку з тим, що спалах світла від окремих альфа- або бета- частинок дуже малий, і неозброєним оком побачити його неможливо, до кристалів приєднують фотоелектричні помножувачі (ФЕП). Світлові спалахи з кристалів, потрапляючи на катод фотопомножувача, вибивають з нього електрони, які, вдаряючись в електроди (емітери), вибивають з їх атомів ще більшу кількість електронів. Так кількість електронів збільшується від каскаду до каскаду, досягаючи анода фотопомножувача. Звідси електрони потрапляють на електронні (лампові або напівпровідникові) підсилювачі, а з них - на вимірювальні і реєструючі прилади.

Сцинтиляційний метод дозиметрії можна застосувати, скориставшись сцинтилятором (кристалом) з фотопомножувачем, оформленим у вигляді приставки до будь-якої лічильної установки. Сцинтиляційна стаціонарна установка (гамма-топограф, або сканер) дозволяє визначити накопичення радіоактивної речовини в окремих органах людини.

Термолюмінесцентна дозиметрія близька за принципом до сцинтиляційної дозиметрії. Метод нині широко застосовується для оцінки рівня опромінення персоналу, калібрування радіаційного виходу терапевтичних джерел, вимірювання розподілу дози опромінення тіла тощо. Детектором для цієї дозиметрії служить маленька таблетка чи стовпчик (діаметром 3-10 мм) з монокристалу фториду літію (LiF) або іншого термолюмінесцентного матеріалу (CaF₂, AlO₂, CaSO₄ та ін.), здатного накопичувати енергію іонізуючого випромінювання на електронних оболонках, а потім віддавати її у вигляді світлового спалаху при нагріванні. Такі дозиметри дозволяють вимірювати дози у великому (до 8 порядків) діапазоні.

Біологічний метод дозиметрії в практичній медицині не застосовується і має лише історичне значення. Він грунтується на виявленні змін, що відбуваються в усьому організмі, в окремих тканинах та органах людини під впливом іонізуючого випромінювання - появи еритеми, розладу обміну речовин, зміни складу периферійної крові та ін.

Фотохімічний метод дозиметрії оснований на здатності іонізуючого випромінювання викликати розклад (дисоціацію) солей світлочутливого шару фотоплівки. В результаті опромінювання в місцях ДИСОЦІАЦІЇ при проявленні відбувається відновлення срібла з галоїдного в металеве, що призводить до почорніння плівки. За ступенем почорніння фотоплівок, порівняно зі стандартами, роблять висновок про величину випромінювання.