辐射对人体健康的影响

第五章辐射对人体健康的影响1辐射生物学效应基础1.1人体生理学基础与进入人体的放射性物质的行为最有关系的系统是循环系统、呼吸系统和消化系统。1.1.1循环系统循环系统是血管的一种闭合回路，在心脏的作用下血液沿着血管抽吸。血液是人体的运输机器，它几乎循环到每一种部位，给细胞带来了食物和氧气。它还带走了废物和二氧化碳，并将它们传送到排泄器官。心脏事实上是两个泵。左边的泵通过动脉将血液送到组织中。养料是通过组织液从组织输送到细胞中。血液通过组织后来经由静脉回到右边的心脏。然后右边的泵将血液送到肺，在肺中氧化之后重新回到左边的心脏。1.1.1循环系统动脉血含有诸多氧气，并呈鲜红色，而从组织返回的血液含有极少的氧气并呈暗红色。人体内约有5升血液，平均每分钟循环一次。血液中有三种血液细胞，各自都执行着重要的功效：红细胞（红血球）给人体输送所需要的养料和氧气；白细胞（白血球+淋巴）抵抗微生物对人体的感染；血小板（凝血细胞）在损伤部位凝固血液。1.1.2 呼吸系统用呼吸这种办法将氧气(O2)吸进肺并把二氧化碳（CO2）排出。当血液流过肺时吸取O2并按照上述办法把它输送给各组织。血液又把组织产生的CO2废气带回肺并呼出。每天呼吸的空气体积约20m3，普通认为其中二分之一的空气是在8小时工作期间内呼吸的，因此，工作时可按每小时呼吸1.2m3计算。1.1.2 呼吸系统人在呼吸过程中吸进大量的外界物质，有的是气体，有的是微粒（即气载粉尘）。气体自由地进入肺，而后又进入血液，进入血液的量在某种程度上取决于溶解度。而被吸入的微粒物质只有一小部分沉积在肺里，其它部分不是被呼出就是沉积在上呼吸道而后又被咽下。沉积在肺中的物质的行为重要取决于它的溶解度。溶解度很高的物质能很快（大都是在几小时内）被血液吸取，但是不溶性微粒能够被滞留在肺里好几个月，进入血液的放射性物质被血液传送到人体的其它部分。显然，呼吸系统为放射性物质进入人体提供了一条途径。1.1.3 消化系统消化系统由食管、胃、十二指肠和小肠构成，小肠又与大肠相连。由口吃进去的食物转化成适合于产生热量和能量的形式以及组织生长和恢复所需要的分子。食物中的大分子被血液吸取之前先在消化道内被酶所打碎，然后经由肝被输送到各个组织中去。未被吸取的食物和细菌以及从小肠壁上脱落下来的细胞一起作为固体废物（粪便）排泄出去。液体废物（溶解于水中的废细胞）通过肾和膀胱作为尿从人体排泄出去。1.1.3 消化系统咽下可溶的放射性污染物时，可通过消化道然后被血液吸取，血液又将它们带到身体的各个部位。不溶性放射污染物通过消化道然后从粪便中排泄出去。当这些放射性物质通过人体时将使消化道和大肠受到照射。图4.1简朴的人体生理学图解

1.2细胞生物学1.2.1 细胞的构造和功效一切有生命的生物和有机体都是由称之为细胞的微细构造构成。细胞的基本成分是细胞核、细胞核的周边是称之为细胞质的液体和一层膜，它形成细胞壁。人体的多个器官和组织都是由细胞构成的。1.2.1 细胞的构造和功效图4.2人体的典型细胞构造1.2.1 细胞的构造和功效细胞的最简朴图象是，细胞质是细胞的“工厂”，而细胞核包含着细胞为执行自己的功效和进行本身繁殖所需要的全部信息。细胞质分解食物并将它转化为能量和小分子。随即这些小分子又转化成供细胞自己维持生存和繁衍所需要的复杂分子。细胞核包含有染色体。染色体是由基因构成的细小线状构造。人类的细胞普通含有46个染色体，基因由脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质分子构成，并且带有决定子体细胞特性的信息。1.2.2 细胞的繁殖细胞是能够繁殖的，这是为了赔偿死去的细胞。人体不同类型细胞的寿命，在几个小时到很数年之间变化。细胞以两种办法进行繁殖，称之为有丝分裂和减数分裂。有丝分裂细胞是人体的普通细胞，而在有丝分裂中通过纵向分裂生殖染色体。然后，原来的细胞分裂成两个新细胞，它们都和原来的细胞相似。1.2.2 细胞的繁殖减数分裂是一种特殊的分裂，产生于卵子。这种分裂在细胞的生命周期中只能有一次，并只能发生在生殖细胞中。在生殖细胞期间，新细胞含有从每个母体那里带来的遗传物质（即基因）。胚胎以及随即的后裔就是由这种单细胞受精卵发育起来的。1.3电离辐射生物学效应的机理核辐射与普通的辐射（如热和光）之间的基本区别在于，核辐射含有足够的能量引发电离。细胞重要由水构成的。在水中的电离将使分子发生变化并会形成一种对染色体有害的化学物质。这种损伤使细胞的构造和功效发生变化。人们发现辐射生物效应有2个特点：第一种是机体吸取的能量不大，生物效应却很大，例如6.0Gy的X射线可使人或高等动物发生致死效应，若将这些能量转换为热能，才可使体温升高0.002度。若以热辐射替代电离辐射，需大1~10万倍的能量才干引发机体死亡；第二个是短暂的作用引发长久效应，射线穿过受照机体只是瞬间完毕，而它引发的生物效应却能持续很长时间1.3电离辐射生物学效应的机理辐射引发的生物效应是一种非常复杂的过程，生物机体吸取辐射能量到生物效应发生，乃至机体损伤或死亡要经历许多性质不同的变化，有机体物质分子的变化，细胞功效、代谢和构造的变化，以及完整机体各个构成部分之间互有关系的变化。在人体内，这些变化可能显示出临床症状，如放射性病、白内障或在后来较长时期内出现的癌。可分为：物理阶段，物理—化学阶段，化学阶段，生物学阶段。从变化时间来看，有些变化瞬间即逝，有些需时较久，甚至延迟数年。可归纳于图2-1。1.3电离辐射生物学效应的机理1.3电离辐射生物学效应的机理1最初的物理阶段只持续很短的时间（~10-16秒），在这一瞬间能量沉积在细胞内并引发电离。在水中这个过程能够写作为：H2OH2O+e1.3电离辐射生物学效应的机理2物理-化学阶段大概持续10-6秒，在这段时间，离子在水中将产生多个反映产物，其中的两种产物H和OH，称之为自由基，它们在化学上是很活泼的。尚有一种反映产物是强氧化剂过氧化氢（H2O2）：OH+OHH2O21.3电离辐射生物学效应的机理3化学阶段持续几秒钟，在此期间，反映产物与细胞的重要有机分子互相作用。自由基和氧化剂可能破坏构成染色体的复杂分子。例如，它们可能附着于分子上并破坏长分子链中的键。1.3电离辐射生物学效应的机理4生物阶段在这个阶段，时间长短可从几十分钟到几十年，这要看特定的症状而定。1.3电离辐射生物学效应的机理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生物效应产生的过程和机理1.3电离辐射生物学效应的机理尽管电离辐射引发生物学效应的机理十分复杂，现在已得初步成果，普通将辐射生物效应的发展过程分为原发作用和继发作用两个方面。（1）原发作用1）直接作用（directeffects）是指电离辐射直接作用于含有生物活性的大分子，如核酸、蛋白质（涉及酶）等。使它们发生电离和激发或化学键的断裂等变化，，从而引发其正常功效和代谢作用的障碍。如DNA的断裂，酶的活性减少或丧失，膜系分子构造的破坏等1.3电离辐射生物学效应的机理2）间接作用（indirecteffects）间接作用是指溶质分子与辐射引发的溶剂分子的反映产物之间的互相作用。在生物体中，间接作用重要是指辐射通过水的原发辐解产物（•H、•OH、e-aq、H2O2、•HO2等）对生物大分子的作用，引发生物大分子的损伤。生物体内普通含水量高于70%，细胞内的生物大分子存在于含大量水的环境中，因此间接作用对生物大分子的损伤作用有重要意义。辐射作用于水分子形成化学性质非常活泼的一系列产物，以下图：1.3电离辐射生物学效应的机理（2）继发作用辐射作用中原发作用和继发作用的划分至尽并无确切界限。普通将原发作用视为从辐射能被吸取后，通过直接和间接作用，造成生物大分子的损伤和细胞微细构造的损伤及破坏，造成细胞的代谢、生理功效以及构造和形态变化，甚至引发细胞死亡。而继发作用是在细胞损伤的基础上，引发各组织器官和系统的损伤，造成临床症状的出现，甚至机体的死亡。放射损伤中的继发作用可能是多因素综合作用的成果1.3电离辐射生物学效应的机理2.几个电离辐射的相对危害性核电厂常见的辐射为α辐射、β辐射、γ辐射和中子辐射。电离辐射对人体的危害，重要在于辐射的能量造成构成人体组织的细胞受到损伤。由于电离辐射的类型不同，因此它们对人体的危害状况也不同。相对而言，有的辐射产生外照射的危害性大某些，而有的辐射产生内照射的危害性大某些。所谓外照射和内照射就是辐射源分别在人体外和人体内对人体形成的照射。2.1α粒子的相对危害性α粒子质量大，电荷多，在物质中的射程很短。能量最大的α粒子在空气中的射程只有几厘米，但难以穿透人体皮肤外表的角质层。由于角质层是一层无生命组织，α粒子几乎不存在外照射危害的问题。2.1α粒子的相对危害性α粒子一旦进入人体，其射程短这一特点就显得非常重要了。此时，α辐射源被人体活组织所包围，损伤几乎都集中在α粒子源点的附近。若α粒子沉积在人体内的某个器官，α粒子的能量就会被该器官全部吸取。这样，该器官就会受到严重的损害。因此，α粒子的内照射危害是很值得重视的。2.2β粒子的相对危害性与α粒子相比，β粒子在空气中的射程较远。能量较高的β粒子才干穿透人体皮肤进入浅表组织几毫米。因此，β粒子含有外照射的危害。但是，它只能造成人体皮肤和浅表组织的受照，是一种轻微的外照射源。β粒子同样也有内照射的危害，但与α粒子相比，其危害性要小些。由于β粒子在组织中射程较远，在组织的某个小体积内放出的能量较α粒子小，因此，这个小体积内组织的损伤也较小。2.3γ射线（涉及Ｘ射线）的相对危害性Ｘ射线和γ射线在空气和其它物质中射程很远，穿透力强，即使离辐射源很远，也可能对人体造成外照射的危害。当人体处在Ｘ射线或γ射线辐射场中时，可能会使全部的器官和组织均受到照射。因此，就外照射而言，Ｘ、γ射线与α、β粒子相比含有更大的危害性。由于Ｘ、γ射线在人体组织中的射程很远，甚至贯穿人体，因而交给组织中某一小体积内的能量较少，损伤也较小。可见，就内照射而言，Ｘ、γ射线对人体的危害要比α、β粒子小得多。2.4中子的相对危害性中子不带电，无论在空气中还是在其它物质中，它都有很远的射程。因此，与Ｘ射线和γ射线同样，中子对人体的影响重要是外照射的危害。但由于中子的品质因子是Ｘ射线和γ射线的20倍，因此，同样的吸取剂量，中子对人体的相对危害性要比Ｘ射线和γ射线大得多。中子几乎不存在内照射的问题，由于中子源进入人体的机会是极为罕有的。总而言之，核电站常见的几个辐射，就其相对危害性而言，α辐射和β辐射的潜在危害重要在内照射，而ｒ辐射(涉及χ射线)和中子辐射的潜在危害重要在外照射，这些相对不同的危害性也是辐射防护关注的重点。3．辐射的生物效应1）躯体效应（somaticeffects)指出现在受照者本身的效应。涉及全身效应和局部效应。躯体效应是由于人体普通细胞受到损伤引发的，并且只影响受照人本身。躯体效应根据其显现时间可分为早期效应和晚期效应。（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应躯体的早期效应躯体的早期效应是指受照之后几个小时到几周内就会出现的那种效应，涉及造血组织、消化系统及中枢神经系统等的效应。根据效应发生的急缓又可分为急性效应（acuteeffects),涉及急性放射病和急性放射性皮肤损伤；和慢性效应（chroniceffects),涉及慢性放射病和慢性放射性皮肤损伤。（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应普通只有在急性大量照射后，才有可能出现。如急剧地受照1Gy以上，可能在几小时之后出现恶心和呕吐，还可能引发白血球、血小板减少等；如一次受照5Gy以上，皮肤会出现线斑和脱毛；只有在受照数十Gy以上才会引发中枢神经的损伤。（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应普通状况下，全身受照0.5~1Gy照射时，普通反映较少，个别人有恶心，呕吐反映。正常人群受到小剂量的γ射线照射后，重要出现以植物神经系统功效紊乱为主的早期临床症状，在受照后1~2天内可自行消失。（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应核能工业引发的工作人员和公众的照射水平远远低于产生早期效应的水平，只有在发生几率极小的重大核事故中才有可能急剧地受到大剂量的照射。辐射防护关注的重点是长久小剂量照射的累加可能对人体产生的有害效应。远期效应（long--termeffects)把经历潜伏期较长的躯体效应称为晚期效应，重要指受照6个月后来出现的机体变化。晚期效应的体现重要有多个癌症、白内障、不育症、寿命缩短等。由于晚期效应的潜伏期较长，很容易同其它的因素，如工业污染、化学药品或长久不良的生活习惯所引发的效应相混，故不能确切地判明引发效应的因素。（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应同时由于核工业只有几十年的历史，尚未积累许多可靠的资料和足够的实验数据，特别是在较小剂量和剂量率条件下，更缺少令人信服的资料。因此不可能给出有关晚期效应与剂量当量的严格的对应关系。在这样的状况下，不要一提到癌症、白内障和不育症等就认为是电离辐射引发的，其实，通过对现有资料的分析研究，电离辐射只是增加了某些晚期效应的发生几率。有关近期效应日本核临界事故（99.09.30）事故发生时的位置图S氏（10Gy）20分钟后感觉麻木、呕吐、腹泻O氏（17Gy）：意识丧失、呕吐、腹泻、淋巴细胞数有关远期效应的潜伏期日本原爆受害者肿瘤发生率随时间的变化010年20年30年40年白血病白血病之外的肿瘤2年（1）按效应出现的对象分为躯体效应和遗传效应2)遗传效应(geneticeffects)指出现在受照者后裔的效应。遗传效应则是由于生殖细胞受到损伤引发的，将影响受照者的子孙后裔，重要是指畸形、低智、白痴等。与晚期效应同样，遗传基因的变化或突变既可由电离辐射诱发，也可由非电离辐射因素诱发，电离辐射也只是增加了遗传效应的发生几率而已。１）随机性效应（stochasticeffects)发生几率与剂量成正比，而严重程度与剂量无关的辐射效应。在辐射防护感爱好的低剂量范畴内，能够假定随机性效应的发生几率与受照剂量之间存在着线性无阈的关系。根据这个假定，就可把一种器官或组织若干次受照剂量简朴地相加，用以评价该器官或组织受到的总的辐射影响。随机性效应涉及躯体晚期效应中的多个癌症和遗传效应。(2)按效应发生的规律分类２）拟定性效应(deterministiceffects)普通状况下存在剂量阈值的一种辐射效应，超出阈值时，剂量愈高则效应的严重程度愈大。辐射造成的眼晶体混浊、放射性白内障、皮肤放射损伤、造血功效障碍、生育能力减退和免疫功效下降等都属于拟定性效应。不仅其严重程度，其发生频率也随剂量而变化。是大量细胞杀伤的综合效果拟定的。(2)按效应发生的规律分类拟定性效应与随机性效应剂量剂量几率严重程度阈值随机性效应拟定性效应？拟定性效应（deterministiceffects）

随机性效应(stochasticeffects)有剂量阈值无剂量阈值效应的严重程度与剂量成正比发生几率与剂量成正比严重程度与剂量无关(2)按效应发生的规律分类(2)按效应发生的规律分类(3)辐射的多个生物效应之间的关系(4)核动力工业辐照因素致癌的几率很小1)美国分析数据表明，核工业辐照致癌与全部致癌因素相比较，所占比例还不到十万分之一(4)核动力工业辐照因素致癌的几率很小2）苏联分析数据表明，火电站附近居民的致癌率比核电站附近居民的致癌率高30倍。3）受照0.01mSv剂量的致癌几率为千万分之一点五，吸一支烟的致癌几率为千万分之八。因此，吸一支烟的致癌几率大概相称受照0.05mSv的剂量。(1)与辐射有关的因素1）射线种类不同射线产生的生物效应不同。高LET辐射的生物效应不不大于底LET的辐射。射线为高LET辐射，受摄影似的剂量，射线的相对生物效应为X或射线的10倍。4影响电离辐射生物学效应的因素2）受照剂量总的规律是剂量愈大，效应愈明显，但并不完全是呈直线关系，最少有指数及S型两种关系。指数曲线可反映病毒、细菌、某些低等原生物的规律；而S型曲线则符合于多细胞生物和高等动物的规律。可见下图。4影响电离辐射生物学效应的因素3）受照剂量率普通状况下剂量率越大，生物效应越明显，但当剂量率达成一定的程度时，生物效应与剂量率之间则失去比例关系。同时，要引发急性放射损伤必须要有一定的剂量阈值。4）分次照射由于机体有代偿修复的能力，当机体受到同一剂量的照射时，在分次予以的状况下，其生物效应低于一次予以的效应，见表5-5。4影响电离辐射生物学效应的因素5）照射的面积和部位当其它照射条件相似时，受照面积越大，效应越明显。机体不同部位对射线的敏感性也不同。当照射剂量和剂量率相似时，各部位的敏感次序大致为：腹部盆腔头部胸部及四肢。4影响电离辐射生物学效应的因素6）照射方式可分为内照射和外照射。不管内照射和外照射，其对机体的作用规律原则上是一致的，但也有其特性。内照射的生物效应受放射性核素的理化性质、侵入途径、分布、代谢、排出特点以及有效半衰期等因素影响。外照射受辐射源强度、源与受部位距离及受照时间等，这些因素直接影响机体受照剂量。同时受单向和多向照射影响。4影响电离辐射生物学效应的因素总之，生物效应除与吸取剂量有关外，还受上述多个条件的影响，即辐射的传能线密度（LET）越大、剂量率越高、照射面积越大，生物效应越明显，单次均匀照射较多次间隔照射生物效应要强。4影响电离辐射生物学效应的因素（2）与机体有关的因素当辐射的多个照射条件相似时，机体及其不同的组织细胞的放射敏感性不同。1）生物种系的放射敏感性总的趋势是种系演化越高，机体组织构造越复杂，其放射敏感性越高。单细胞生物<多细胞生物<鱼类、两栖类及爬行类、鸟类<哺乳类。即使高等哺乳类动物中，其放射敏感性也并不完全一致。4影响电离辐射生物学效应的因素2）生物个体的放射敏感性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。由于老年多个功效的衰退，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。4影响电离辐射生物学效应的因素3）不同器官组织和细胞的放射敏感性同一种体的不同组织和细胞其放射敏感性有很大差别。普通认为淋巴组织（脾、淋巴结、胸腺和扁桃体等）、骨髓、胃肠上皮（特别小肠隐窝上皮细胞）、性腺和胚胎组织为高度敏感的组织；肌肉、软骨、骨组织、结缔组织和脂肪对射线耐受性较高，其它组织介于中度或轻度敏感之间。4影响电离辐射生物学效应的因素4）亚细胞和分子水平的放射敏感性同一细胞的不同亚细胞构造的放射敏感性存在着很大的差别，其放射敏感性的次序为：DNA>mRNA>rRNA和tRNA>蛋白质。4影响电离辐射生物学效应的因素（3）与环境有关的因素1）温度机体受照时减少温度或处在冰冻状态可使辐射损伤减轻，称为温度效应。可能由于低温状态自由基扩散受阻；新陈代谢水平减少，影响细胞敏感性；动物体内氧状态变化等因素。4影响电离辐射生物学效应的因素2）氧受照的组织、细胞其辐射效应随周边介质中氧浓度的增加而增加，称氧效应。氧能够与自由基•R作用而产生有机的过氧化物自由基•RO2，致使生物大分子的化学成分发生变化，并处在不可修复的状态。4影响电离辐射生物学效应的因素3）化学物质某些激素和化学制剂的存在，能够减少机体的辐射敏感性，对机体起保护作用，称抗放药品；某些化学物质的存在增强电离辐射的生物效应，称为辐射敏感剂，可提高乏氧细胞对射线的敏感性。4影响电离辐射生物学效应的因素(1)外照射急性放射病在战时、和平时都有可能发生。如核武器实验和核爆炸；核事故；医疗照射；应急照射等状况下都有可能发生。重要由、X射线和中子引发。根据受照剂量大小、病理变化和临床特点可分为三型，及骨髓型（bonemarrowform）、肠型（intestinalform）和脑型（cerebralform）见表。

5放射损伤表各型外照射急性放射病剂量范畴

分型剂量范畴（Gy）骨髓型1——10肠型10——50脑型50————————————————5放射损伤最常见的是骨髓型急性放射病，重要的病理变化是造血组织损伤，体现为造血功效障碍、出血和感染。临床分为：1）轻度放射病（1—2Gy）2）中度放射病（2—4Gy）3）重度放射病（4—6Gy）4）极重度放射病（6—10Gy）5放射损伤骨髓型急性放射病普通有四期，即早期、假愈期、极期和恢复期。一切的治疗必须赶在假愈期迈进行，否则预后不良。肠型普通病程10天左右，短则3-4天死亡，现在还无法救治。脑型临床重要体现为以中枢神经系统障碍为主的综合症，病程更短。5放射损伤（2）外照射慢性放射病指放射性工作人员在较长时间内持续或间断受到超剂量当量限制的外照射，达成一定累积剂量后引发的以造血组织损伤为主并有其它系统变化的全身性疾病。5放射损伤（3）内照射放射病比较少见，临床见到的多为放射性核素内污染，即指体内放射性核素超出其自然存在量。内污染可见于从事开放型放射性工作的职业人员；医源性的内污染；放射事故和停留在核爆炸落下灰区域的人员等。可通过呼吸道、消化道、正常皮肤、粘膜和伤口进入，其吸取、分布、代谢和排出，对机体的损伤，均受放射性核素理化性质的影响。5放射损伤（4）放射性皮肤损伤当皮肤长久超剂量的职业照射；局部受到医源性照射，见于放疗或皮肤敷贴等治疗不当；放射性核素沾染表皮等状况时，可发生放射性皮肤损伤。1）急性放射性皮肤损伤涉及急性放射性皮炎和放射性皮肤粘膜溃疡等。是指局部一次