第4章 对人体危害

1第四章电离辐射对人体危害天然辐射是人类的主要辐射来源4.2辐射生物效应4.12天然辐射宇宙射线宇生放射性核素原生放射性核素一般场所：天然本底为2.4mSv/year,

多为内照射(222Rn,60%)一、天然本底照射(宇宙射线与大气原子核相互作用而产生的)3

宇宙射线（Cosmicrays）是一种来自于宇宙中的、具有相当大能量的带电粒子流。宇宙射线的组成粒子中，98%是质子和重原子核，剩下的2%为电子和其他物质。在星际中的宇宙射线，我们称之为初级宇宙射线。初级宇宙射线进入地球大气层后，会与大气中的N,O作用，转变为次级宇宙射线。（1）宇宙射线4（1）宇宙射线初级宇宙射线来自外层空间，由重带电粒子组成，其中质子（氢核）85.9%;

粒子（氦核）N，O，Ne，C，Si，Mg，Fe核1.4%。能量高达10GeV。

次级宇宙射线主要由介子，中子及高能

组成。

5背景：地磁场

地磁场，即把地球视为一个磁偶极子（magneticdipole），其中一极位在地理北极附近，另一极位在地理南极附近，这两极所产生的球体磁场即为地磁场。通过这两个磁极的假想直线（磁轴）与地球的自转轴大约成11.3度的倾斜。

地球的磁场向太空伸出数万公里形成地球磁圈ImageCredit:EPA（1）宇宙射线6地磁场、空气浓度&宇宙射线

众所周知，地球的地磁场是地球上生物赖以生存的高能粒子护甲。

地球的磁场强度和空气浓度的变化，对宇宙辐射剂量产生的效应：高度效应：宇宙射线的电离强度主要受海拨高度的影响，海拔高度0.6一22km之间，宇宙辐射强度随高度增加而成倍增加。如美国俄亥俄市(海拔高度约0.4km)，宇宙辐射剂量为0.04μSv/h；而在该市上空12km,则为8μSv/h，相差200倍。纬度效应：宇宙辐射剂量与纬度成正比。即纬度越高，剂量越大。在北极上空12km，宇宙辐射剂量率为9μSv/h，而在赤道上空同一高度则仅为4一5μSv，相差一倍。7

大量的证据表明，宇宙射线粒子是造成航天器电子学元器件失灵的主要原因之一，特别是近年来，随着半导体制作工艺水平的不断提高，半导体器件特征尺寸越来越小，集成度不断提高，宇宙高能粒子引起的单粒子效应越来越严重，导致卫星失常现象的发生。

另外，在航空领域，民航 ImageCredit:NASA机组人员（尤其是在10km以上高空飞行的机组人员）的电离辐射暴露问题日益引起人们的广泛关注。（1）宇宙射线8（1）宇宙射线小结：

初级宇宙射线：质子（87％）、α粒子（10％）、重带电粒子、电子、中子等。平均能量1010eV，最高能量可达1019eV。

在纬度高于45度的海平面，宇宙射线平均注量率1/cm2·min。

次级宇宙射线：初级宇宙射线与大气作用的产物。

随高度变化，海平面为1，则海拔2km为3，海拔12km为20～30。910（2）宇生放射性核素：对公众剂量有明显贡献的核素，14C、3H、22Na、7Be。（3

）原生放射性核素：以238U、232Th和235U为起始核素的三个天然放射系，以及独立的长寿命放射性核素如40K等。(宇宙射线与大气原子核相互作用而产生的)11放射系的中间产物有一种叫氡射气（222Rn），成为环境放射性的重要来源。大理石。来自地球本身的放射性地球年龄约为10亿年(即109年)。目前还能存在于地球上的放射性核素(原生放射性)主要维系在长期平衡状态的放射系中。主要是铀系（238U放射系）和钍系（232Th放射系）两个系的一些核素。另一类是无衰变系列的长寿命放射性核素如40K、87Rb等。原生放射性核素，广泛存在于地球的岩石、土壤和水系中。这些元素的活度浓度和分布随着岩石构造的类型不同而变化。花岗岩中的活度浓度较高。12人工放射源：由反应堆燃料的废物中提取的放射源，如137Cs等；在反应堆或加速器中辐照生成的放射源，例如60Co，就是将金属钴（59Co，丰度

=100%）在反应堆中活化，发生59Co(n,

)60Co而生成。广泛应用于科研、产业等方面。（4）人为放射性反应堆和加速器运行产生的放射性：

包括通过大气、排水等渠道排放的放射性和燃料废料。核武器爆炸及试验遗留的放射性。

由上述两个因素的造成的辐射剂量基本上仍保持在天然放射性的本底水平。131415外照射

即放射性核素在人体外，使人体受到来自外部的射线照射称为外照射。例如：室内γ射线照射主要来自于建筑物的建材，如水泥、石砖、木材等。内照射放射性核素还可以随空气、水和食物进入人体，核素在衰变时发射辐射造成内照射。16我国居民所受正常本底辐射年有效剂量17我国人群平均每天食入的放射性及体内放射性物质的含量估计值从饮水摄入226Ra约0.01Bq放射性核素

每天食入量(Bq/d)体内含量(Bq/70kg)3H14C40K210Pb226Ra232Th238U

0.592-2.2244.4-66.659.2-88.80.037-0.2590.0185-0.06660.01110.02229.25-3.785×103(2.96-44.4)×10327.81.11-1.480.0741.85-3.3318天然辐射源照射世界平均辐射剂量值辐射源年有效剂量mSv平均值典型范围值外照射宇宙辐射直接电离辐射和光子中子成分宇生核素宇宙射线与宇生核素小计陆地外照射室外室内陆地外照射小计外照射

合计0.28（0.30）a0.10（0.08）0.01（0.01）

0.390.07（0.07）0.41（0.39）

0.480.87

0.3—1.0b

0.3―0.6c0.6―1.619内照射吸入内照射铀、钍系列氡（222Rn）钍（220Rn）吸入内照射小计食入内照射40K

铀和钍系食入内照射小计内照射合计0.006（0.01）1.15（1.2）0.10（0.07）

1.260.17（0.17）0.12（0.06）

0.291.55

0.2―1.0d

0.2—0.8e0.4—1.8总计

2.4

1—10

辐射源

年有效剂量mSv平均值

典型范围值

天然辐射源照射世界平均辐射剂量值（续）20正常本底地区天然辐射源

致人体的年有效剂量辐射来源年有效剂量,mSv宇宙射线0.38宇生核素0.01陆地g外照射0.48陆地放射性核素内照射

(不包括氡)0.29氡及其子体1.25总计2.421部分国家的天然本底水平22天然辐射高本底地区国家

地

区

区

域

特

证

近似人口

空气吸收剂量率a（nGy•h-1）

巴西

GuarapariMineasGeraisandGoiasPocosdeCaldasAraxa

独居石砂，沿海地区

火山侵入岩

73000

35090～170（街道）90～90000（海滩）110～1300平均340中国

广东阳江

独居石微粒

80000平均370埃及

尼罗河三角洲

独居石砂

20400法国

中央区西南

花岗岩、片磨岩、铀矿

700000020～40010～10000a包括宇宙辐射和陆地辐射23地区年剂量（mGy）印度Kerrala邦28伊朗Ramsar市6至360巴西EspiritoSanto0.9至35广东阳江6福建鬼头山区平均3.8最高120部分高本底地区24生活中的辐射来源组成25——医疗辐射二、人工辐射放射诊断放射治疗核医学医疗辐射是最大的人工辐射来源；各种人工放射性核素，大约80％用于医学目的。26全世界医用X射线检查的频率、有效剂量和集体剂量（1991-1996）

检查每1000人口检查次数每次检查的有效剂量，mSv年集体剂量，人Sv胸部X射线摄影870.1471200胸部X射线透视371.1234700腰椎151.8159000胸椎4.11.433400骨盆和腹部110.8353300上胃肠道133.727400027全世界医用X射线检查的频率、有效剂量和集体剂量（1991-1996）（续）

检查每1000人口检查次数每次检查的有效剂量，mSv年集体剂量，人Sv下胃肠道3.46.4127000尿路造影3.83.781300CT168.6785000血管造影2.112143000介入程序0.842098000总计330233000028检查类别人数（人/千人)一次检查的剂量（mSv）皮肤剂量骨髓性腺有效剂量胸透64.310.40.27<0.010.29群检25.55.20.14<0.010.15腹透（女性）11.38.50.170.170.13消化道6.051.66.060.667.53腰椎片4.032.51.822.982.67胸片11.91.10.04<0.010.07骨盆片1.311.01.043.051.63腹部平片1.422.11.630.101.371989在中国的医学检查所致的当量剂量29——核爆炸放射性落下灰局部沉降带状沉降全球性沉降（含200多种放射性物质）外照射：137Cs、95Zr、106Ru、140Ba等；内照射：14C、137Cs、3H、131I、239Pu、240Pu、241Pu等。食物链转移问题303132地点有效剂量,mSv贡献途径,％

食入外照射吸入北温带4.571245南温带3.19082全世界3.8791831981年底以前进行的大气层核爆炸造成的有效剂量负担及其贡献途径

333435我国研制的核武器（原子弹模型模型）36我国第一个核武器研制基地旧址青海省海北藏族自治州首府西海镇37我国第一个核武器研制基地旧址38原子城换新颜39我国第一个核武器研究基地展览厅里展出的科研工具（文物）40可以携带核弹头的导弹（资料图）41导弹发射资料图42中国导弹核潜艇43核动力航母比常规航母拥有航程上的优越性，一般核动力航母三十年内不用更换核燃料中国航母-辽宁号44——核电站反应堆运行：大气，Kr、Xe、I、3H、14C、16N、35S、41Ar；水中，3H和裂变产物。长寿命核素，3H、14C、85Kr、90Sr等，以及超铀元素的同位素。后处理：核能生产所致居民人均年剂量当量，美国、加拿大为310-8Sv，英国为2.510-6Sv在核能生产过程的各个环节中难免会有放射性物质排放到环境中45项目年份1980200021002500年核发电预计值[GW(e)]8010001000010000年集体有效剂量(人·Sv)5001000200000250000世界人口(109)4101010年人均当量剂量(mSv)0.112025占天然辐射源平均暴露量的百分数(％)0.0050.0511核电力生产持续到2500年时的年人均当量剂量预计值46燃煤的放射性污染问题燃煤对环境的影响化学物质污染放射性物质污染煤散逸飞灰中放射性核素的平均含量：40K为265Bq/kg，238U为200Bq/kg，210Pb为930Bq/kg，210Po为1700Bq/kg，232Th为70Bq/kg，228Th为为110Bq/kg，228Ra为130Bq/kg燃煤电站导致的居民辐射剂量是核电站的3倍！47484.2辐射生物效应一、辐射作用的过程二、辐射生物效应的影响因素三、剂量与效应的关系49基础：电离和激发，改变原子或分子的状态，从而导致细胞功能或遗传结构的变化。辐射的生物效应的特点：（1）很低的吸收能量就能引起高的生物效应；（2）短暂作用引起长期效应。1.辐射的初始作用一、辐射作用的过程4.2辐射生物效应50（1）低吸收能量引起高生物效应

以6Gy剂量的急性照射为例，它可以致人死亡，但是此时吸收的能量如果全部转换为热能，却只能使组织的温度升高0.00l4℃。

（2）短暂作用引起长期效应物理阶段：从10-18秒～10-12秒，此时电离粒子穿过原子，同原子的轨道电子相互作用，通过电离和激发发生能量沉积。4.2辐射生物效应51b.物理化学阶段：从10-12秒～10-9秒，从原子的激发和电离引起分子的激发和电离，分子变得很不稳定，极易发生反应形成自由基。

c.化学阶段：从10-9秒～1秒，此时自由基扩散并与关键的生物分子相作用，形成分子损伤。

d.生物阶段：从秒延续到年，分子损伤逐渐发展表现为细胞效应，如染色体畸变、细胞死亡、细胞突变等，最终可能造成机体死亡、远期癌变以及后代的遗传改变等。

4.2辐射生物效应522.1作用途径直接作用：辐射粒子与生物大分子，如DNAandRNA,直接发生作用，导致细胞的损伤。间接作用：辐射粒子与细胞内环境成份（主要是水）发生作用，产生自由基和过氧化物，导致细胞的损伤。自由基：是指具有一个或多个不配对电子的原子或分子，它能够与其它具有不配对电子的原子或分子形成化学键，因此化学性质很活泼、不稳定。

2.辐射对细胞的作用4.2辐射生物效应534.2辐射生物效应54单链断裂：

DNA损伤（分子水平）双链断裂：错误修复C可以实现无差错修复4.2辐射生物效应55InductionofDNAchanges

56DNAMutationp

aDCellsurvivesbutmutatedStoch.eff.MutationrepairedUnviableCellViableCell

Celldeath57水的辐射产物：其中羟自由基和水合电子是两种最重要的水辐解自由基，前者具有强氧化作用，后者具有强还原作用

辐射粒子与细胞内环境成份-----水发生作用，产生自由基和过氧化物，导致细胞的损伤。58影响因素：剂量大小、细胞的增殖能力作用：一类是对细胞的杀伤作用，即使受照射细胞死亡或受伤，细胞数目减少或功能减低，结果影响了受照组织或器官的功能，表现为确定性效应，如急性放射病，造血功能障碍。

一类是对细胞的诱变作用

主要表现为诱发细胞发生癌变(致癌)，诱发基因突变

(致突)和先天性畸形(致畸)。2.2作用的效果4.2辐射生物效应59辐射对细胞的损伤作用4.2辐射生物效应60世界卫生组织国际癌症研究中心特别工作组报告：人类癌症约有90％与环境中的化学致癌物质有关。（一）肯定致癌物：苯、石棉、联苯胺、芥子气、砷和某些砷化合物、烟炱和焦油等共十七种；（二）可能致癌物：黄曲霉毒素类、四氯化碳、环氧乙烷、镉和某些镉的化合物等共十七种；（三）可疑致癌物：氯霉素、苯乙烯、六六六、滴滴涕、三氯乙烯、利血平、苯巴比妥、铅和某些铅化合物等共十七种。4.2辐射生物效应61突变（Mutation）是细胞的遗传特征以不连续的跳跃形式发生了突然变异，其化学本质是DNA结构的变化。体细胞突变可诱发癌症，性细胞突变可导致遗传效应。电离辐射是人类首先证实的致突剂。1927年，MüllerH．J．用x射线照射果蝇诱发了基因突变。1942年才证实化学物质有致突变作用。辐射的致突作用4.2辐射生物效应62Intheabsenceofhumandatatheestimationofhereditaryeffectsisbasedonanimalstudies.4.2辐射生物效应63人体淋巴细胞离体照射X射线后的突变频率4.2辐射生物效应64分子水平细胞死亡细胞变异体细胞生殖细胞体细胞生殖细胞功能障碍不孕肿瘤遗传效应确定性效应多细胞死亡导致随机性效应单一细胞变异导致DNA损伤细胞水平临床症状效应65二、影响辐射生物学作用的因素1.物理因素2.生物因素与辐射有关的因素与机体有关的因素；不同种系、不同个体及不同组织和细胞对放射性射线敏感度有差别。66二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素1.物理因素（1）辐射品质：不同种类的射线其电离密度和穿透力各不相同，引起生物效应也不同。高LET辐射（highLETradiation）：直接产生的或通过次级带电粒子产生的各电离事件之间的距离以细胞核的尺度衡量比较小的辐射。一般指快中子、质子和粒子等。67低LET辐射（lowLETradiation）：直接产生的或通过次级带电粒子产生的各电离事件之间的距离以细胞核的尺度衡量比较大的辐射。一般指X、、辐射等。一般说来，高LET辐射的生物效应比低LET辐射的更为明显或严重。

二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素68辐射类型和能量范围WR所有能量的光子1所有能量的电子、子1中子（能量＜10keV）5（能量10－100keV）10（能量100keV－2MeV）20（能量2－20MeV）10

（能量＞20MeV5质子（能量＞2MeV）5

粒子20辐射权重因子（WR）:二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素69（1）辐射类型

外照射:g＞b＞a(危害程度)

内照射:a＞b＞g

(危害程度)

α射线电离本领大，射程较短，外照射意义不大，仅能损伤表皮。但当释放α射线的核素进入体内时，其危害性最大。X、γ射线其电离密度小而穿透力大，主要是外照射的危害。二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素70(2)辐射剂量：剂量－效应关系中的决定因素。

二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素71全身急性照射效应二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素72(2)剂量率：剂量率越高，辐射效应越显著。剂量率在0.1Gy/h到1Gy/min之间这种关系明显。X射线及中子辐照后的存活曲线二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素73（3）受照时间间隔

时间间隔生物效应

在辐射剂量相同的情况下，分次给予照射，其生物效应低于一次照射的效应。分次愈多，各次间隔时间愈久，则生物效应愈小。这显然与机体的修复过程有关。二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素74（4）照射部位与面积

不同部位不同的敏感度面积生物效应

机体受照射的部位对生物效应有明显的影响，目前很多实验材料证明，当照射剂量和剂量率相同时，腹部照射的后果最严重，其次为盆腔、头颈、胸部及四肢。当照射的其它条件相同时，受照射面积愈大，生物效应愈明显。因此，在临床放射治疗中，一般都将照射缩至尽可能小的范围，并且采用分次照射以减少每次剂量。这样就可降低正常组织的放射损伤效应。二、影响辐射生物学作用的因素--物理因素75生物种系人猴大鼠鸡龟大肠杆菌病毒LD50（Gy）

4.06.07.07.1515.056.021042.生物因素（1）不同生物种系对辐射的敏感性不同二、影响辐射生物学作用的因素--生物因素X、γ射线所致不同生物半致死剂量(LD50)值半致死剂量是指一半数量个体在30天内死亡所需的剂量随着种系进化程度越高，机体组织结构越复杂，则其放射敏感性越高76胚胎不同发育阶段，2GyX射线照射下死胎或畸形的发生率（2）不同年龄对辐射的敏感性不同二、影响辐射生物学作用的因素--生物因素77不同的生物个体

同一种系中的不同个体其放射敏感性不同。总的规律是：胚胎期>胎儿期>幼儿期>青少年期>成人期<老年期。由于老年各种功能的衰退，机体代偿、修复能力以及耐受能力的下降，其敏感性较健康成人高。二、影响辐射生物学作用的因素--生物因素（2）不同年龄对辐射的敏感性不同78（3）不同组织或器官对辐射的敏感性不同

高度敏感:

淋巴组织、胸腺、骨髓、性腺、胚胎肠胃上皮中度敏感:

感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮、唾液腺、肾、肝等

轻度敏感:

中枢神经系统、内分泌腺、心脏不敏感:

肌肉组织、软骨组织、结缔组织二、影响辐射生物学作用的因素--生物因素79(1)外照射：是指辐射源位于人体外对人体造成的辐射照射，包括均匀全身照射、局部受照。(2)内照射：存在于人体内的放射性核素对人体造成的辐射照射称为内照射。(3)放射性核素的体表沾染：是指放射性核素沾染于人体表面(皮肤或粘膜)。沾染的放射性核素对沾染局部构成外照射源，同时尚可经过体表吸收进入血液构成体内照射。辐射作用人体的方式：80辐射效应的分类81随机性效应(Stochasticeffect)：是指辐射效应的发生几率(而非其严重程度)与剂量相关的效应，不存在剂量的阂值。主要指致癌效应和遗传效应。确定性效应(Deterministiceffect)：是指辐射效应的严重程度取决于所受剂量的大小。这种效应有一个明确的剂量阈值，在阈值以下不会见到有害效应，如放射性皮肤损伤、生育障碍。

辐射效应按剂量—效应关系

可分为随机性效应和确定性效应：三、剂量与效应的关系82确定性效应：在较大剂量照射机体或局部组织情况下，大量的细胞被杀死，而这些细胞又不能由活细胞的增殖来补偿，这种照射引起的效应即为确定性效应。由此引起的细胞丢失可在组织和器官中产生临床上严重的功能性损伤，所观察到的效应的严重程度与剂量有关，因而存在剂量阈值。低于此阈值剂量时，因细胞丢失不多，不会引起组织或器官可检查到的功能性损伤。即：辐射效应的严重程度取决于所受剂量的大小。这种效应有一个明确的剂量阈值，在阈值以下不会见到有害效应。

三、剂量与效应的关系83a.随机效应特点:(1)发生概率与剂量有关.

(2)线性比例、无阈1.随机性效应和确定性效应三、剂量与效应的关系b.确定性效应特点:(1)有阈.

(2)严重程度与剂量有关8485一些确定性效应阈值三、剂量与效应的关系86三、剂量与效应的关系8788+1d+2d89+4d+5d90+9d91+20d+39d92+39d93+27d+27d94+2d+5d95+15d+22d96CoronaryAngioplasty6’1”230lbs;63minFTTIPSplacement5’11”250lb;13-16hPTRadiofrequencyAblation17yo;~90–120minFTCoronaryangioplasty350lb;50minFTCoronaryangioplasty75yowoman;42minFTUterineEmbolization270lb,5’2”;~34cmthickLongfluoroscopytimesand/orthickbodymasses971.血液和造血器官的辐射效应1.1急性大剂量照射，血液和造血器官的效应>1.0Gy时，骨髓遭到破坏；2.0~4.0Gy时，骨髓的破坏就相当明显，淋巴细胞受到大量破坏；（1）造血器官的效应1.血液和造血器官的辐射效应98骨髓型急性放射病病程：（1）初期反应期：乏力、恶心、呕吐、白细胞数；（2）假愈期：症状消失、白细胞数、脱发；（3）极期：这是关键病期，造血功能严重障碍、感染、体温、出血、消化道症状；（4）恢复期：造血功能恢复，受照后4周造血功能开始再生。原则上说，造血型急性放射病经适当抢救和治疗，都是可以治愈的。1.血液和造血器官的辐射效应99受照2～4Gy人员白细胞数变化示意图（2）外周血象的变化受照1～2Gy的人员，最初1～2天白细胞数增高，然后逐渐下降，可能到正常值，也可能很低。约5周后恢复。白细胞：1.血液和造血器官的辐射效应100淋巴细胞：（淋巴细胞计数随时间变化与吸收剂量的关系）1—正常值；2—<1.0Gy；3—1.0~2.0Gy；4—2.0~5.0Gy；5—>5.0~6.0Gy1.血液和