辐射生物学效应与防护

1《航空航天生理学》教案首页第13次课授课时间2009-03-16教案完成时间：2009-03-04课程名称航空航天生理学年级2005年级专业、层次空军临床医学专业、5年制本科教员姓名马进专业技术职务教授授课方式（大、小班）大班学时2授课题目（章、节）第六章辐射环境与防护第三节辐射的生物效应第四节航空航天活动的辐射防护基本教材或主要参考书《航空航天生理学》余志斌主编，第四军医大学出版社，2008教学目的与要求：目的：1．掌握电离辐射与非电离辐射的生物学效应，了解作用机制2．掌握电离辐射与非电离辐射的防护重点：辐射生物学效应航空航天活动中辐射防护方法大体内容与时间安排，教学方法：方法：理论讲解、教学幻灯、板书时间安排第一节课：第三节辐射的生物效应第二节课：第四节航空航天活动的辐射防护总结复习：5min教研室审阅意见：（教学组长签名）年月日（教研室主任签名）年月日2基本内容辅助手段和时间分配第三节辐射的生物效应故事引出辐射生物学效应辐射与生物体发生作用后，发生生物体吸收能量、引起细胞损伤，直至导致放射病死亡的多种生物效应。对其的认识，是付出生命的代价后逐步获得的，尤其是二次世界大战后（两次原子弹爆炸，长崎与广岛），引起了世界各国的重视，今天对辐射生物效应已经有了较全面的认识。一．辐射生物效应的分类（一）按效应出现的范围分为躯体效应（somaticeffects）与遗传效应（geneticeffects）。躯体效应指出现在受照者本身的效应，遗传效应指影响受照者后代的效应。（二）按效应出现的时间分为近期效应(short-termeffects）与远期效应（long-termeffects）。近期效应又分为急性效应（acuteeffects）与慢性效应（chroniceffects）。急性效应如急性放射病与急性皮肤放射损伤，慢性效应如慢性放射病与慢性皮肤放射损伤。远期效应一般发生在受照射后几年到几十年之间，如辐射所致肿瘤、白内障，以及辐射遗传效应等。（三）按效应发生规律的性质分为随机效应（stochasticeffects）与非随机效应（non-stochasticeffects）。随机效应是指效应的发生几率与受照射的剂量大小相关，而效应的严重程度与剂量大小无关的一类辐射效应，一般认为它不存在剂量的阈值，但接受的剂量愈低，发生该效应的几率也愈小，如辐射遗传效应与辐射致癌效应。非随机效应是指效应的严重程度与剂量大小相关的效应，它存在剂量阈限，受照射量在阈值剂量以整体结构采用板书显示内容全部采用PowerPoint幻灯部分强调处板书第一节课开始0-5min3下时，效应不会出现。如辐射致白内障、辐射致不孕症和皮肤放射损伤。二．电离辐射生物效应（一）电离辐射生物效应的机理辐射的生物效应是一个非常复杂的过程。即物理阶段、物理化学阶段、化学阶段、生物阶段。其过程极为复杂，目前尚未完全明了。目前认为，机体吸收辐射能量以后，首先发生分子水平的变化，特别是生物大分子的损伤。在其损伤作用机理中，包括直接作用和间接作用。直接作用是指辐射直接作用于具有生物活性的大分子，如核酸、蛋白质（包括酶类）等，使其发生激发、电离或化学键的断裂而造成分子结构和性质的改变，从而导致组织细胞发生一系列的生理功能障碍，进而导致机体正常功能与代谢作用的障碍。间接作用是指辐射作用于体液中的水分子，引起水分子的电离与激发，形成化学性质非常活泼的一系列产物，如自由基和水化电子，然后再通过这些产物间接作用造成生物分子损伤。自由基及水化电子具有很强的氧化还原能力。通过上述两种作用机理，可以使生物大分子发生多种改变，如分子构型发生变化或某一基团被破坏等。在离体条件下照射生物大分子，如酶和脱氧核糖核酸（DNA）等，通过直接作用或间接作用，都可以产生有机自由基。对酶分子来说，可能导致分子构型变化，或破坏某一氨基酸的残基，或使疏基氧化，或使酶的活性中心破坏；对DNA分子来说，可能引起单链或双链断裂、交联，或破坏某种硷基。由于DNA分子在细胞辐射损伤中的重要性，所以有人把DNA看作是电离辐射对细胞作用的“靶”物质。DNA的分子损伤和代谢障碍可以导致细胞分裂延迟、染色体变化和结构的破坏。在生物大分子损伤的基础上，细胞代谢发生变化，细胞功能5-10min4及其基本结构遭到破坏，从而引起亚细胞及细胞水平的损伤效应，导致组织器官损伤和个体损伤。机体的细胞、组织和器官一方面受到辐射能的损伤和破坏，并通过神经体液的作用引起继发损伤；另一方面，生物分子和细胞也有修复、再生和代偿能力。损伤和修复斗争的结果决定机体的预后。在损伤修复后，还可能在生物大分子DNA中存在突变的基因，可能出现远期效应，如致癌效应或遗传效应等。（二）电离辐射对人体健康的危害人体受电离辐射作用后，可发生急性与慢性放射病或受到远期的影响。1．急性放射病它是由于短期内受到大剂量照射所致，如核武器爆炸、原子反应堆意外事故等即可遇到这种情况。根据受照剂量的大小可引起轻度（100～200rad）、中度（200～400rad）、重度（400～600rad）和极重度（数千拉德）急性放射病。临床上可区分为造血型、肠型和脑型放射病。造血型放射病的主要症状为全血细胞减少症、感染和出血：肠型放射病的主要症状为严重的呕吐和腹泻；脑型放射病的主要症状为定向障碍、共济失调、谵妄及昏迷等。2．慢性放射病在较长时间内、多次受到超过容许剂量的照射所致。因不遵守防护规则，受放射治疗不当而发生，也可由急性放射病转变而成。它的表现有局部与全身性损害：①局部损害最为常见，可有皮肤发红、萎缩、毛发脱落甚至溃烂导致恶性肿瘤；部分患者还可出现视力减退、视物模糊、眼睑干燥等现象，少数亦可有晶体混浊即白内障等疾患。②全身损害主要表现为神经系统机能与器质性的改变，如反射机能减退、感觉障碍及神经衰弱等症状；由于内分泌障10-28min5碍，可出现性欲减退、阳萎、精子生成异常、肾上腺皮质和甲状腺功能减低等表现；血象的改变可出现骨髓性与淋巴性白血病，血小板减少性紫癫与再生障碍性贫血，并具有明显的出血倾向，易出现继发性感染，还可能出现消化系统与呼吸系统的病变。3．远期影响主要表现为致癌作用和对遗传的影响。①电离辐射暴露所引起的肿瘤约占5％。电离辐射引起的肿瘤有皮肤癌、骨肉瘤、肺癌、白血病、甲状腺癌和恶性淋巴瘤等。②电离辐射对遗传的影响，主要是指对受照者生育力与后代的影响，如男性的阳萎、精子变性，女性闭经、妊娠中断和胎儿畸形等。（三）辐射与其他应激因素的复合效应在航空航天活动中，人体受到的是多种因素的复合作用，因此，在研究电离辐射的生物效应时，应该考虑到其他因素的相互影响，综合衡量其生物学效应。复合因素在作用效果上可有显著差异，而且不同因素采取不同的组合，其作用效果也不一致，可有增强、协同和拮抗等效果。1．辐射与气体条件的相互作用动物暴露于低氧环境时，由于低氧刺激使机体造血功能增强，故可提高动物对辐射的耐力。机体受到辐射后，再暴露于低氧环境中，机体对低氧的耐力也会有短暂提高。在放射病的急性期暴露于低氧环境，可以提高存活率。但在放射病的潜伏期暴露于低氧环境，则存活率下降。总之，辐射与低氧基本上是对抗作用，氧分压低于正常可提高辐射耐力，氧分压高于正常则导致辐射耐力降低。2．辐射与温度条件的相互作用寒冷与高温均可导致辐射病加剧，降低机体对辐射的耐力。如动物在高温或低温环境中受到半数致死剂量的辐射时，其存活率降低、寿命缩短。但机体已适应寒冷环境后再受到辐射时，机体对辐射的耐力有轻度提高。3．辐射与重力条件的相互作用短时超重对辐射耐力的影响效果不确定，与个体有关；但长时间的超重则导致辐射耐力降低。失重可增强辐射的生物效应。振动对辐射效应的影响与振动作用的6方式、时间及振动的频率有关。三．非电离辐射的生物医学效应非电离辐射能量较低，它们作用于人体也会产生不同程度的损伤作用。航空航天活动中，较重要的非电离辐射是紫外光、短波辐射与微波辐射，前者来源于太阳辐射，后者主要来源于飞行器的通讯与遥测设备。（一）紫外辐射效应紫外线被物体吸收后可以产生光化学反应，其生物效应主要是由于其光化学反应所致。紫外辐射在人体组织中的贯穿能力很低，外照射引起的生物效应局限于皮肤与眼睛。1．皮肤效应红斑是最常见的紫外照射的皮肤效应。皮肤在受到紫外线照射后1～8小时内会发生红斑，红斑效应出现的快慢与程度的轻重与照射量的大小、被照者的敏感程度有关。根据紫外照射后红斑反应的严重程度可分为四级：一级红斑：刚刚能观察到的红斑，24小时后皮肤可完全复原，其对应的照射剂量称作最小红斑剂量。二级红斑：与中等的晒斑类似，3～4小时后减退。但留下色素沉着。三级红斑：伴有水肿和触痛的严重红斑反应，红斑持续数日，色素沉着明显，有鳞片状脱皮。四级红斑：水肿较三级更严重，有水疱形成。能产生红斑效应的紫外线波长范围约在290～330nm之间，长波紫外线产生的红斑更严重些，这可能是由于长波紫外线在表皮中的贯穿较深。皮肤着色、晒黑或角质层加厚，可使最小红斑剂量至少增加一个数量级。长期受紫外线照射会加速皮肤老化，使皮肤干燥、粗糙、松弛和出现黑色素沉着。长期暴露于波长小于320nm的紫外辐射会增加发生皮肤癌的危险。扁平细胞癌是最常见的光致皮肤癌类型，大部分发生在手部和后颈部等局部受照部位。2．眼部效应过量的紫外照射可导致眼角膜结膜炎，但很少引起持久性的视觉损伤。角膜炎的发生通常在受照射后6～12小时内，28－34min7潜伏期长短与照射的严重程度呈反比。结膜炎的发生较角膜炎缓慢，可在眼睑周围的面部皮肤伴随出现红斑。动物实验表明，大剂量的紫外照射亦可导致动物发生白内障。红外线也有此效应，可使眼晶状体浑浊，引起白内障。3．灭菌作用细菌受紫外照射后，由于体内蛋白质分子受到光化学作用的破坏而死亡。紫外杀菌效率最高的波长约在250nm左右。4．抗佝偻作用紫外线的抗佝偻作用是由于紫外线可以使皮肤中的7-去氢胆固醇分子转化为维生素D3，后者可促进骨骼的钙化。抗佝偻作用的最有效紫外线波长范围约为290～330nm。（二）微波与短波辐射效应事例引出微波与短波辐射对人体的效应1．效应发生的机理微波与短波辐射作用于生物机体时，由于其电场与组织内分子原有的电场之间的相互作用，可使组织内分子的动能和势能改变并进行能量交换。由此引起各种生物学效应。（1）致热效应机体组织吸收辐射能量后，可使组织温度升高，继而引起机体的功能改变。它是由于微波与短波辐射可激励细胞内液及细胞外液中的电解质、极化的蛋白质和水的分子，使它们发生旋转、振动、扭曲等运动，并使分子间摩擦而转化为热能。因为生物机体的含水组织能强烈地吸收辐射能量，所以含水多的组织，如肌肉、皮肤、内脏等，受致热效应的影响也更加明显。（2）非致热效应机体被暴露于不致引起体温升高的辐射强度下，亦可出现某些功能改变，特别是诱发心血管和神经系统的功能紊乱。关于引起非致热效应的机理曾提出过各种假说，如场致力效应、光化学效应、电磁共振效应等，但尚处于理论设想阶段。由于引起致热效应所需的辐射功率通常较非致热效应为高，故不排除在有致热效应的同时，也有非致热效应的存在。一般认为，功率大于1mW/cm2即可引起致热与非致热的复合34－40min8效应，功率低于1mW/cm2只引起非致热效应。2．对人体健康的影响对人体的影响取决于辐射与人体间相互作用的情况。若被完全透射或反射，则对受辐射机体无影响，只有当辐射通过组织并被吸收时，才能对机体产生影响。微波与短波辐射穿透组织的深度与波长及频率有关，频率越高、波长越短，穿透的深度也越浅。以微波为例，20000～30000MHz的毫米波均为皮肤表层吸收，1000～3000MHz的厘米波可透入组织约1cm被吸收；1000MHz以下的分米波则可透入深部组织达10多厘米被吸收；150MHz以下者能透过人体。根搪辐射的强度、频率和作用部位，可将微波与短波辐射对人体的损害分为局部损害和全身性损害。（1）局部性损害主要指微波对皮肤、眼和睾丸的损害。微波首先作用于人体表面，使皮肤温度升高，产生热感和痛感。功率密度为10～60mW/cm2、频率为3