13.1. Пути поступления радиоактивных веществ в организм
Определение путей проникновения радионуклидов в организм имеет важное практическое значение. Для некоторых радиоактивных веществ путь введения существенно влияет на характер всасывания, распределение, выведение и биологическое действие.
Необходимо знать: какие количества могут проникнуть тем или иным путем, как быстро происходит всасывание, как изменяется скорость всасывания с течением времени.
Радиоактивные вещества могут поступать в организм через органы дыхания, пищеварительный тракт, кожу. При аварийных ситуациях и в чрезвычайной обстановке возможно проникновение радионуклидов через царапины, раны и ожоговую поверхность.
Наиболее вероятным источником возможного поступления радиоактивных веществ в организм человека являются воздух, загрязненный радиоактивными газами и аэрозолями, а также продукты питания. Загрязнение окружающей среды радионуклидами может быть при взрывах атомных бомб, а также в результате выброса отходов предприятий атомной промышленности: АЭС, заводов по переработке ядерного горючего, экспериментальных установок и научно-исследовательских лабораторий. Поступление радионуклидов во внешнюю среду может быть, при аварии ядерных установок, реакторов.
Первостепенная важность акта дыхания при загрязнении организма, по-видимому, связана с большим объемом воздуха, проходящего через легкие, а также с очень большой поверхностью альвеол (до 100 м2 у взрослого человека), по сравнению с площадью всасывающей поверхности ЖКТ и поверхностью кожи.
С вдыхаемым воздухом в организм человека могут попадать газы, пары и взвешенные в воздухе жидкие и твердые частицы. Дисперсные системы, представляющие собой взвесь твердых и жидких частиц в воздухе или в другой газообразной среде, называются аэрозолями. По размеру частиц аэрозоли условно разделяют на пыль, туман и дым. Диаметр частиц пыли — более 10 мкм, тумана — от 10 до 0,1 мкм, дыма — от 0,1 до 0,001 мкм. Последние частицы легко диффундируют, участвуют в броуновском движении и не осаждаются в воздухе.
По своему происхождению аэрозоли подразделяют на дисперсные, образующиеся при измельчении радиоактивных веществ, и конденсационные, возникающие вследствие конденсации при испарении веществ.
По своим физико-химическим свойствам аэрозоли разделяют на заряженные (уни- и биполярные) и незаряженные. По однородности размеров частиц их можно разделить на монодисперсные и полидисперсные. По степени проникновения в легочные альвеолы различают респирабельную фракцию, 5 — 10 мкм и ниже, и нереспирабельную более 15 — 20 мкм.
Для анализа процессов, происходящих при ингаляционном поступлении радиоактивных аэрозолей в организм человека, рассмотрим вкратце модель респираторного тракта человека, предложенную в Публикации 66 МКРЗ (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Модель респираторного тракта человека (Публикация МКРЗ 66)
В дальнейшем рассмотрении дозиметрической модели респираторного тракта значительное внимание будет уделено вопросам, имеющим отношение к облучению легких при ингаляционном поступлении ДПР радона — процессам поведения аэрозольных частиц, содержащих преимущественно короткоживущие альфа-излучающие радионуклиды.
Условно модель респираторного тракта человека может быть разделена на две основных области — верхние дыхательные пути (extrathoracic airways — ET) и торакальную область (thoracic airways — ТН). В свою очередь в этих областях можно выделить отделы, отличающиеся анатомическим строением, физиологией, радиобиологическими свойствами, особенностями осаждения и выведения радионуклидов (рис. 6.1). В верхних дыхательных путях можно выделить отдел ЕТ1 — передние носовые проходы и отдел ЕТ2, в который входят задние носовые и ротовые проходы, глотка, гортань и соответствующие им лимфатические узлы (LNET). В торакальной области можно выделить бронхиальный (ВВ) отдел в который входит трахея и бронхиальные пути 1 — 8 порядка; бронхиолярный (bb) отдел — бронхиальные пути 9 — 15 порядка и альвеолярный (AI) отдел в который входят воздушные пути 16 порядка и выше, область газового обмена, а также соответствующие лимфатические узлы (LNТН).
Считается, что для альвеолярной области (AI) и лимфатических узлов (LNET и LNТН) клетки, подвергающиеся радиационному риску, распределены по всей области, в связи с чем рассчитывается средняя доза для заданной области. Вся масса данного отдела является тканью-мишенью. Для отделов, являющихся проводящими воздушными путями (ЕТ1, ЕТ2, ВВ, bb), клетки мишени расположены в слое ткани на некоторой глубине под поверхностью дыхательных путей. Для верхних дыхательных путей (ЕТ1, ЕТ2) клетками-мишенями являются базальные клетки, для бронхиального отдела (ВВ) это как базальные, так и секреторные клетки, для бронхиолярного отдела — секреторные клетки.
В Публикации МКРЗ 66 приведены параметры, характеризующие различные отделы респираторного тракта взрослого человека.
Отдел ЕТ1 — эквивалентный средний диаметр воздушных проходов 5 мм, общая площадь поверхности 20 см2, средняя толщина плоскоклеточного эпителия 50 мкм, средняя глубина залегания ядер базальных клеток-мишеней 40-50 мкм.
Отдел ЕТ2 — эквивалентный средний диаметр воздушных проходов 3 см, общая площадь поверхности 450 см2, средняя толщина слоистого плоскоклеточного эпителия 50 мкм, средняя глубина залегания ядер базальных клеток-мишеней 40-50 мкм, средняя толщина слизистого слоя 15 мкм.
Отдел ВВ — объем трахеи и бронхов 5·10-5 м3, площадь бронхов 1-8 порядков 290 см2, средние параметры бронхиальных стенок: калибр 5 мм, толщина слизистого слоя 5 мкм, толщина слоя ресничек 6 мкм, толщина слоя эпителия (без учета ресничек) 55 мкм, глубина залегания ядер базальных клеток-мишеней 35-50 мкм, глубина залегания ядер секреторных клеток-мишеней 10-40 мкм.
Отдел bb- объем бронхиол 5·10-5 м3, площадь бронхиол 9-15 порядков 2400 см2, средние параметры бронхиолярных стенок: калибр 1 мм, толщина слизистого слоя 2 мкм, толщина слоя ресничек 4 мкм, толщина слоя эпителия (без учета ресничек) 15 мкм, глубина залегания ядер клеток-мишеней 4-12 мкм.
Отдел AI — общий объем респираторных бронхиол 16-26 порядков 2·10-4 м3, общая площадь респираторных бронхиол 7,5 м2, воздушный объем альвеол 4,5·10-3 м3, общая площадь поверхности альвеол 140 м2.
Геометрические размеры трахеобронхиального древа взрослого мужчины представлены в табл. 13.1.
Таблица 13.1
Геометрические размеры трахеобронхиального древа взрослого мужчины
| Отдел | Порядок | Диаметр, м | Длина_, м | Угол ветвления, градус | Угол по отношению к силе тяжести |
|---|---|---|---|---|---|
| Бронхиальный (BB) | 0 Трахея | 1,65·10-2 | 9,1·10-2 | 0 | 0 |
| 1 Главные бронхи | 1,20·10-2 | 3,8·10-2 | 36 | 20 | |
| 2 | 0,85·10-2 | 1,5·10-2 | 35 | 31 | |
| 3 | 0,61·10-2 | 0,83·10-2 | 28 | 43 | |
| 4 | 0,44·10-2 | 0,90·10-2 | 35 | 39 | |
| 5 | 0,36·10-2 | 0,81·10-2 | 39 | 39 | |
| 6 | 0,29·10-2 | 0,66·10-2 | 34 | 40 | |
| 7 | 0,24·10-2 | 0,60·10-2 | 48 | 36 | |
| 8 | 0,20·10-2 | 0,53·10-2 | 53 | 39 | |
| Бронхиолярный (bb) | 9 Бронхиолы | 1,651·10-3 | 4,367·10-3 | 54 | 45 |
| 10 | 1,348·10-3 | 3,620·10-3 | 51 | 45 | |
| 11 | 1,092·10-3 | 3,009·10-3 | 46 | 45 | |
| 12 | 0,882·10-3 | 2,500·10-3 | 47 | 45 | |
| 13 | 0,720·10-3 | 2,069·10-3 | 48 | 45 | |
| 14 | 0,603·10-3 | 1,700·10-3 | 52 | 45 | |
| 15 Терминальные бронхиолы | 0,533·10-3 | 1,380·10-3 | 45 | 45 |
Для оценки размеров отдельных элементов трахеобронхиального древа для лиц с габаритами, отличающимися от габаритов «образцового человека» (табл. 6.1) могут быть использованы масштабирующие коэффициенты (
), связанные с ростом человека следующим соотношением
(13.1), где 
— рост человека в метрах. Численные значения коэффициентов 
, используемых при вычислении масштабирующих коэффициентов приведены в табл. 6.2. Считается, что развитие респираторного тракта детей заканчивается к возрасту 2 лет. В связи с этим считается, что размеры отделов респираторного тракта детей и подростков можно считать пропорциональными корню кубическому из функционального остаточного объема (FRC) легких.
Таблица 13.2
Численные значения коэффициентов , используемых при вычислении масштабирующих коэффициентов
| Порядок бронхов | Численное значение константы | |
|---|---|---|
Расчет диаметра | Расчет длины | |
| 0 Трахея | 0,540 | 0,559 |
| 1 Главные бронхи | 0,530 | 0,468 |
| 2 Бронхи | 0,507 | 0,474 |
| 3 Бронхи | 0,489 | 0,502 |
| 4 Бронхи | 0,429 | 0,431 |
| 5 Бронхи | 0,441 | 0,476 |
| 6 Бронхи | 0,452 | 0,441 |
| 7 Бронхи | 0,405 | 0,359 |
| 8 Бронхи | 0,333 | 0,273 |
Масса различных отделов респираторного тракта в зависимости от возраста и пола человека приведена в табл. 13.3. В данной таблице через BBsec обозначена масса бронхиального эпителия в котором распределены ядра секреторных клеток, а через BBbas — масса бронхиального эпителия в котором распределены ядра базальных клеток. Для альвеолярного отдела (AI) в массу входит кровь, но не учитывается масса лимфатических узлов. В модели респираторного тракта принимается, что масса лимфатической ткани одинакова для верхних дыхательных путей и торакальной области.
Таблица 13.3
Масса различных отделов респираторного тракта в зависимости от возраста и пола человека
| Возраст | Масса, кг | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ET1 | ET2 | BBseq | BBbas | bb | AI | LNET | LNTH | |
Новорожденный | 2,4·10-6 | 5,3·10-5 | 1,8·10-4 | 9,1·10-5 | 8,1·10-5 | 0,052 | 7,0·10-4 | 7,0·10-4 |
3 месяца | 2,8·10-5 | 6,3·10-5 | 2,5·10-4 | 1,3·10-4 | 5,0·10-4 | 0,090 | 1,2·10-3 | 1,2·10-3 |
1 год | 4,1·10-6 | 9,3·10-5 | 3,1·10-4 | 1,6·10-4 | 6,0·10-4 | 0,15 | 2,1·10-3 | 2,1·10-3 |
5 лет | 8,3·10-6 | 1,9·10-4 | 4,7·10-4 | 2,3·10-4 | 9,5·10-4 | 0,30 | 4,1·10-3 | 4,1·10-3 |
10 лет | 1,3·10-5 | 2,8·10-4 | 6,2·10-4 | 3,1·10-4 | 1,3·10-3 | 0,50 | 6,8·10-3 | 6,8·10-3 |
15 лет (муж.) | 1,9·10-5 | 4,2·10-4 | 8,2·10-4 | 4,1·10-4 | 1,8·10-3 | 0,86 | 1,2·10-2 | 1,2·10-2 |
15 лет (жен.) | 1,7·10-5 | 3,8·10-4 | 7,6·10-4 | 3,8·10-4 | 1,6·10-3 | 0,80 | 1,1·10-2 | 1,1·10-2 |
Взрослые (муж.) | 2,0·10-5 | 4,5·10-4 | 8,6·10-4 | 4,3·10-4 | 1,9·10-3 | 1,1 | 1,5·10-2 | 1,5·10-2 |
Взрослые (жен.) | 1,7·10-5 | 3,9·10-4 | 7,8·10-4 | 3,9·10-4 | 1,9·10-3 | 0,90 | 1,2·10-2 | 1,2·10-2 |