辐射生物学效应与防护.doc

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（somatic effects）与遗传效应（genetic effects）。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-term effects）与远期效应（long-term effects）。近期效应又分为急性效应（acute effects）与慢性效应（chronic effects）。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（stochastic effects）与非随机效应（non-stochastic effects）。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（100200rad）、中度（200400rad）、重度（400600rad）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：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。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。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。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18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，34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290330nm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612小时内，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290330nm。（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，20 00030 000MHz的毫米波均为皮肤表层吸收， 10003000MHz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1060mW/cm2、频率为300010000MHz的微波辐射，仅数秒钟的暴露即可使皮肤温度升高0.0250.06，足以引起皮肤热感和痛感，已超过微波辐射的容许标准，应引起注意。眼晶状体是对微波比较敏感的部位。长期从事雷达工作或其他接触微波辐射的工作人员，也可能有早期晶状体混浊的症状。哺乳类动物的睾丸对温度增高特别敏感，阴囊内温度即使仅增高几度亦可使 曲精细管上皮细胞受到损害。据报道，5 mW/cm2场强的微波辐射就可能损伤睾丸。睾丸受到微波的损伤后，继而可引起性欲减退、暂时性不育、精子存活数暂时性减少和精子活动能力降低。脱离接触后数月，可得到明显恢复。此外，微波与短波辐射还可以造成听觉功能障碍。（2）全身性损害 主要指微波与短波辐射所引起的神经、心血管和血液系统的暂时性功能改变。 致热剂量的辐射可影响中枢神经系统功能发生显著变化。如动物实验表明，强微波辐射可使其条件反射活动明显抑制，脑电图有慢波增多、出现尖波或梭状波、主要节律受到抑制等改变。非致热剂量的辐射对中枢神经系统的功能亦有明显影响。长期暴露于微波或短波辐射可导致神经系统功能性变化，通常表现为疲劳或兴奋性升高、记忆力减退、睡眠紊乱、情绪淡漠，对光或其他刺激敏感性增加 。如长期从事微波作业的工作人员，一般在25年以后，即可能出现慢性神经衰弱综合征，有头昏、头痛、乏力、记忆力减退、睡眠障碍（失眠、多梦）、易激动、消瘦和脱发等临床表现，其机理尚不清楚。 微波与短波作用引起心血管功能改变，一般认为系由于植物神经系统功能障碍所致，可使血液动力学失调、血管通透性发生变化，外周血管张力降低。动物实验表明，微波辐射在引起体温升高的同时，尚能引起心脏节律紊乱；当动物直肠温度达到42以上时，心率突然变慢，大部分动物出现心律失常。长期暴露于微波与短波辐射者，常表现有神经衰弱症状，以及以迷走神经活动占优势为特点的心血管功能失调，如手足多汗、心动过缓、窦性心律失常、血压波动或偏低等。有少数人较早发生冠状动脉供血不足、心前区疼痛或胸闷等。微波与短波辐射还可能引起人体多个系统的功能改变，如血液系统、内分泌系统、免疫系统和消化系统等。例如，在长期微波作业者中，有血小板和白细胞计数偏低的现象。此外，除上述局部损害和全身性损害外，微波与短波辐射与电离辐射一样，作用于人体也会产生长期效应，发生畸变、突变与癌变。第二节 航空航天活动的辐射防护一、电离辐射的防护电离辐射防护的出发点是：非随机效应是有发生阈限的，应该避免发生；而随机效应发生的概率及危害要限制到可以接受的水平。(一) 最大容许剂量国际辐射防护委员会（ICRP）1967年所规定的最大容许剂量标准如下：从事辐射职业的工作人员，5000mrem/年；一般人员，500mrem年，航空上一般规定的辐射安全限度是：机组人员与从事辐射职业的工作人员相同。旅客与一般人员相同。超音速运输机辐射剂量容许标准机组人员及旅客试 飞 员正常范围最大10mrem/h最大10mrem/h警惕范围10100mrem/h10500mrem/h需采取行动100mrem/h500mrem/h战时飞行人员辐射剂量标准1 30天内受照射剂量应当控制在0.25G以内2 60天内的累积剂量不超过0.50Gy3 120天内的累积剂量不超过0.75Gy4 180天内的累积剂量不超过1.00Gy5 总剂量不超过2.00Gy美国航天任务辐射剂量标准飞行时间剂 量 （rem）造血器官(距体表5cm处)皮肤(距体表0.1mm处)眼晶体(距体表3mm处)睾丸(距体表3cm处)日平均剂量(1年内)0.20.80.30.130天最大容许剂量25753713季度最大容许剂量351055218年最大容许剂量7522511238从事航天事业的总限值4001200600200 苏联载人航天辐射安全标准飞行时间(月)剂量当量限值(rem)剂量当量率(rem/h)飞行时间(月)剂量当量限值(rem)剂量当量率(rem/h)110.514.61873.57.1321.510.024118.56.8637.08.530140.56.51266.57.636162.56.2(二) 航空航天活动中的剂量水平在现代飞机航行的高度范围内，机组人员和旅客在航行过程中所受到的银河系宇宙线的剂量，均未超过所规定的最大容许剂量标准。现代超音速军用飞机的升限可达30Km，新式超音速客机的巡航高度近20Km。在此高度范围内，人体所受到的银河系宇宙线的剂量是比较低的，如在北纬40”地区，飞行高度为25500m、飞行速度为1800kmh、航程为16000km时，人体所受到的银河系宇宙线的剂量当量值为2788mrem，根据有关资料，乘协和号超音速客机（航行高度为1518km）往返于巴黎与华盛顿之间（属于高纬度地区），若按每月往返一次计算，则一般旅客受到的累积剂量率不超过150mrem年；若按每人每年飞行500h计算，则机组人员受到的累积剂量率为1250mrem年。上述资料表明，在现代飞机航行的高度范围内，机组人员和旅客在航行过程中所受到的银河系宇宙线的剂量，均未超过所规定的最大容许剂量标准。从航天实际测定的数据看，迄今为止的载人航天飞行中，航天员接受的辐射剂量均未达到美国或苏联为载人航天所制定的剂量限值。美国载人航天中辐射剂量最大的是1985年美国航天飞机“阿特兰蒂斯号”STS-51J的飞行与1971年“阿波罗14号”的月球轨道飞行，其日剂量分别达到1.078mGy和1.27mGy。但此水平的辐射暴露与所制定的标准相比，其影响是可以忽略的。但在现代航空航天活动中，太阳质子事件的防护却不容忽视。尽管在太阳活动周期中出现特大太阳质子事件的概率较低，然而这种事件会使宇宙辐射剂量在短时间内有极大的增强。由图69可见，在超音速飞机巡航的高度上，剂量率可达4000mrem/h，大大超过了上述容许标准。即使是一般的质子事件，超过标准者也为数不少。如1960年11月12日的太阳耀斑爆发，在24km高空，质子剂量率为420mrem/h，中子剂量率为340mrem/h，总剂量率为760mrem/h，超过了对试飞员需采取行动的标准；在18km高空，质子剂量率为75mrem/h，中子剂量率为143mrem/h，总剂量率为220mrem/h，也超过了对机组人员及旅客需采取行动的标准。又如1987年9月29日，由于太阳耀斑爆发，苏联“和平号”空间站受到的平均日辐射剂量为340mrem，高于正常平均数近20倍。据估计，在大的太阳质子事件中，航天员可能接受的辐射剂量是：上身皮肤为350800rem，眼睛为180rem，造血器官为312rem。(三) 电离辐射防护方法1 辐射剂量监测辐射剂量监测系统一般包括太阳质子事件的预报和监测系统，座舱辐射环境监测系统以及个人剂量监测系统。 太阳质子事件的预报和监测系统主要监测太阳的活动，提出长期、中期和短期太阳质子事件发生的可能性，监测太阳质子事件的到达时间及事件的有关参数。根据预测预报的结果，可适当调整飞行计划，以避开其影响。根据太阳活动具有周期性的规律特点，大体上可预测出太阳活动最强的年份，据历史资料统计，太阳耀斑爆发每年12月至1月半内几乎没有，3月中至7月上旬，只有几次小爆发，故在太阳耀斑爆发较少的月份内航行是比较安全的。由于座舱提供了辐射屏蔽作用，舱内辐射环境与舱外有所不同。座舱辐射环境监测系统可提供舱内辐射剂量的有关信息，主要是辐射成分、能量和剂量率以及舱内的剂量分布等。目前预报太阳质子事件的方法，主要是采用机载宇宙辐射预警装置，其“预警”范围为10100mrem/h，“行动”水平为100mrem/h。航行过程中如测出有特大的太阳质子事件发生，辐射剂量达到“行动”水平时，应当立即调整飞行计划，以保证飞行人员的安全。若是航空飞行，应该立即下降到安全高度，最好是停止飞行返回地面。个人剂量监测系统提供个人剂量的有关信息，包括任一时刻的累积剂量、身体不同部位的剂量等。藉此可了解个人接受的辐射剂量，提供辐射危险评价的数据。2 物理防护一定质量厚度的物质可以减弱或阻止一定能量的粒子辐射，利用此原理的防护叫做物质质量屏蔽防护，但增加座舱舱体的厚度会极大地增加航空航天飞行器的载荷，通过此途径进行防护是不现实的。在航天飞行中比较可行的方法是建立容积较小的应急屏蔽室，但即使如此也需增加不小的载荷。更合理的方案是利用飞船舱内各种仪器设备、燃料、食物和水等物质进行科学布局，使各个方向上有大体均匀的质量屏蔽厚度。另一较好的防护方案是对飞行人员的若干重要器官进行局部防护，如屏蔽骨髓、淋巴组织、肾脏、肝脏等，局部防护增加的载荷是可以接受的。进行局部防护的部位顺序应当是骨盆、胸部、头部、腹部。此外，还设想利用电磁场把带电粒子引离飞行器，以达到防护的目的。但目前尚处于研究阶段，离实际应用还有较大距离。3 药物防护人体接受电离辐射前后应用一些药物可以减轻辐射损伤。此类药物应当在小剂量时就有抗辐射能力，短时间内反复使用时毒性较低，而且不会降低人体抵抗力与工作能力。一类药物是抗辐射药，可特异性降低辐射损害，如氨硫基类化合物、色氨类化合物等；另一类药物是生物防护药，主要是通过增强机体对外界不良因素的抵抗力，从而达到减轻辐射损伤的目的，如人参等一些中药和一些维生素类药物。由于目前航空航天活动中飞行人员接受的辐射剂量水平均未达到安全容许剂量的限值，因此物理和药物防护的必要性尚未充分显示出来。二、非电离辐射的防护非电离辐射的危害程度与其强度和作用时间有关，人体接受的的辐射总剂量愈大，发病率越高，变化程度也越严重。航空航天活动中，非电离辐射剂量较小而且易于防护。对其的防护一般包括制定安全容许标准和采取防护方法使受照射量低于安全容许标准。（一） 安全容许标准1 紫外线辐射暴露容许标准制定照射容许标准时要考虑到眼睛和皮肤的急性与长期损伤两方面的危险。标准应当防止急性效应发生并降低产生远期效应的危险。紫外辐射产生损伤的阈剂量随波长的变化很大。2 微波与短波辐射暴