x) Ve většině běžně dostupné biofyzikální literatury je uváděno, že _m pro zeslabení fotoefektem roste s třetí mocninou Z. V nové fyzikální a biofyzikální literatuře je již uváděna závislost _m na Z⁴.

Obr.16 : Úhlová distribuce fotoelektronů (relativní počet na jednotkový interval úhlu).

4.3.3.2. Comptonův jev

Při Comptonově jevu předá foton s energií hn ₁ část své energie elektronu na vnější slupce atomového obalu (kdy vliv vazebné energie lze již zanedbat). Elektron s kinetickou energií 1/2 mv² je emitován, foton s energií h₂ < h₁ pokračuje ve své dráze ve směru odchýleném od původního směru (viz obr. 17). Děj se může několikrát opakovat, až foton ztratí tolik energie, že převládne pravděpodobnost jeho zániku fotoefektem. Tento proces, zvaný Comptonův rozptyl, lze popsat zákony zachování hybnosti a energie podobně, jako je tomu u pružného rázu dvou koulí. Tvary těchto zákonů zde nebudeme explicitně uvádět, zdůrazníme pouze některé důležité závěry:

• Fotony se mohou rozptýlit do libovolného směru; s rostoucí energií fotonů převládá rozptyl v předním směru (obr. 18).
• Odražený elektron vyletuje pouze do předního poloprostoru (tj. do intervalu úhlů mezi 0 a 180^o - obr. 19).
• Energetická distribuce odražených elektronů pro různé energie dopadajících fotonů je znázorněna na obr. 20. Právě odražené elektrony mají velký význam, neboť teprve ony jako nabité částice vyvolávají v látkách pozorovatelné efekty. Energetické rozložení má vždy obdobný charakter: v oblasti nízkých energií odražených elektronů se málo mění; maximální energie E_max je dosaženo pro odraz elektronů do úhlu 0^o, kterému odpovídá rozptyl fotonů do úhlu 180^o. Tato energie E_max se nazývá Comptonova hrana; část pod Comptonovou hranou do nulové energie elektronu je tzv. Comptonovo spojité spektrum neboli Comptonovské kontinuum. Tyto pojmy úzce souvisejí s praktickými cvičeními z oblasti spektrometrie ionizujícího záření.^x)

x) Z hlediska praktických cvičení upozorňujeme ještě na pojem Comptonovo údolí, což je oblast spektra mezi Comptonovou hranou a fotopíkem (píkem totální absorpce).

Obr. 17: Schématické znázornění Comptonova rozptylu.

Obr. 18: Úhlová distribuce rozptýlených fotonů (relativní počet na jednotkový interval úhlu).

Obr.19 : Úhlová distribuce odražených elektronů (relativní počet na jednotkový interval úhlu).

Obr. 20: Energetické rozložení odražených elektronů (parametrem je energie dopadajícího fotonu).

Hmotnostní součinitel zeslabení pro Comptonův jev téměř nezávisí na atomovém čísle a klesá s první mocninou energie fotonů. Jeho energetická závislost pro vodu a olovo je rovněž znázorněna na obr. 22 na konci této kapitoly. Pro účinný průřez  _a vztažený na 1 atom platí vztah [16]. Jelikož _e nezávisí na atomovém čísle a poměr Z/A je blízký hodnotě 0,5 pro většinu látek s nízkým atomovým číslem, bude i _a v energetickém rozsahu, kde převládá Comptonův rozptyl (obr. 22), téměř stejný pro všechny lehké materiály.

4.3.3.3. Tvorba elektron - pozitronových párů

Třetím nejdůležitějším procesem interakce fotonů s látkou je tvorba párů elektron - pozitron, spojená se zánikem fotonu. Energie fotonu se spotřebovává jednak na klidovou energii obou vzniklých částic, jednak na jejich kinetickou energii. Proto je tvorba párů prahovou reakcí s prahem 2.m₀c² = 1,02 MeV. K procesu nemůže dojít bez přítomnosti třetí částice, kterou je atomové jádro (obr. 21). Tato částice přijme zbytek hybnosti, neboť součet hybností pozitronu a elektronu je menší než hybnost primárního fotonu a zákon zachování hybnosti by nebyl splněn.

Elektron a pozitron ztrácejí dále svou energii ionizacemi a excitacemi atomů prostředí; pozitron se po dosažení klidové energie spojí s volným elektronem za vzniku anihilačního záření (viz odst. 2.1.4.).

Závislost hmotnostního součinitele zeslabení na energii dopadajících fotonů je znázorněna na souhrnném obr. 22. Účinný průřez vztažený na 1 atom _a je úměrný Z² a roste s rostoucí energií fotonů od 0 při prahové hodnotě energie 1,02 MeV až k hodnotám tak vysokým, že je jediným uplatňujícím se procesem (viz obr. 22).

Obr. 21 : Vznik elektron-pozitronových párů.

Obr. 22 : Vliv fotoefektu, Comptonova rozptylu a tvorby elektron-pozitronových párů na zeslabení svazku fotonů při průchodu prostředím (je uveden hmotnostní součinitel zeslabení).

Obr.23 : Hmotnostní součinitel zeslabení pro tuk, sval, kost, jód a olovo jako funkce energie fotonů.

Obr.24 : Lineární součinitel zeslabení fotonového svazku ve vodě. Na obr. jsou ilustrovány relativní příspěvky fotoefektu (), Comptonova rozptylu ( ) a tvorby elektron-pozitronových párů (k ) k celkovému zeslabení.

Tabulka 8: Hodnoty hmotnostního součinitele zeslabení pro vodu a sval v závislosti na energii fotonů

Poznámka:
Úhrnný hmotnostní součinitel zeslabení je dán součtem hmotnostních součinitelů zeslabení pro fotoefekt, Comptonův jev a tvorbu elektron - pozitronových párů.

1. Bakos K., Hušák V.: Nukleární medicína. Avicenum, Praha, 1985, 293 s.
2. Bernier D.R., Christian P.E., Langan J.K.: Nuclear Medicine - Technology and Techniques. Mosby Inc., St. Louis - Baltimor - Bristol - Chicago - London - Madrid - Philadelphia - Sydney - Toronto, 1994, 511 s.
3. Cabicar J.: Stabilní isotopy. Academia, Praha, 1983 300 s.
4. Fueger G.F., Schreiner W.: Dosimetrie offener Radionuklide. Adolf Holzhausesns Nfg., Universitätsdrücker, 1989, 336 s.
5. Greening J.R.: Fundamentals of Radiation Dosimetry. Adam Hilger Ltd., Bristol, 1981, 160 s.
6. Hrazdíra I. a kol.: Biofyzika. Avicenum, Praha, 1990, 318 s.
7. Klener V., Vojtíšek O.: Základy hygieny záření. Univerzita Karlova Praha ve spolupráci s Čs. redakcí VN MON. Praha, 1989, 161 s.
8. Kukurová E. a kol.: Biofyzikálny elixír. Palaestra, Bratislava, 1991, 301 s.
9.  Rakovič M., Vítek F.: Základy lékařské biofyziky (svazek 2). Státní pedagogické nakladatelství, Praha, 1987, 135 s.
10. Saha G.B.: Physics and Radiology of Nuclear Medicine. Springer-Verlag, New York - Berlin - Heidelberg - London - Paris - Tokyo - Hongkong - Barcelona - Budapest, 1993, 208 s.
11. Šeda J., Musílek L., Petr I., Sabol J., Melichar Z.: Dozimetrie ionizujícího záření. Státní nakladatelství technické literatury, Praha, 1983, 419 s.
12. Kolektiv autorů: Ochrana při práci se zdroji ionizujícího záření. Dům techniky Ostrava, 1998.
13. Whyte G.N.: Základy dozimetrie záření. Academia, Praha, 1973, 113 s.

Nejnázornějším dokladem o účincích ionizujícího záření je bezprostřední poškození ozářených tkání a orgánů. Prvním dokumentovaným případem poškození byly kožní změny pozorované Grubem v Chicagu v roce 1886, tedy v době, kdy Röntgen ohlásil svůj objev "paprsků X". Výrobce Crookesových trubic Grube zjistil na hřbetu své ruky kožní změny, které později přešly přes stadium puchýřů a vředů v jizvu.

Bezprostřední zdravotní poškození byla pozorována zejména po nehodách se zdroji záření spojených s nadměrným ozářením lidí. Každá nehoda byla detailně analyzována a publikována, a to jak z hlediska okolností a příčin vzniku, tak z hlediska klinického obrazu, jeho průběhu a zkušeností s ošetřením a léčbou. Výsledky byly publikovány např. ve formě dokumentů ze sympozií pořádaných Mezinárodní agenturou pro atomovou energii ve Vídni (MAAE) a Světovou zdravotnickou organizací (World Health Organization – WHO). Vyčerpávající údaje o zkušenostech s ošetřením více než 200 osob postižených akutní nemocí z ozáření předložili v roce 1986 po havárii jaderné elektrárny v Černobylu sovětští odborníci. V samostatné odborné publikaci MAAE byly popsány také důsledky havarijního ozáření a kontaminace ¹³⁷Cs, jimiž byly v roce 1987 postiženy desítky lidí v brazilské Goianii.

Poznatky o bezprostředních reakcích organismu na ozáření a poznatky o některých typech pozdních účinků byly získávány dále na základě zkušeností z radioterapie.

V rámci diferenciace přístupů ke studiu účinků záření se vydělila jako svébytná epidemiologická metoda průzkumu. Už v souborných kazuistikách předválečného období bylo poukázáno na vyšší výskyt nádorů v některých skupinách ozářených osob. Tradičně citované jsou např. kostní sarkomy ve skupině žen, které pracovaly s radioaktivním materiálem používaným na svítící ciferníky hodinek a leteckých přístrojů. Při práci si pomáhaly zahrocováním štětců svými rty. Izotopy ²²⁶Ra a ²²⁸Ra ve svítící hmotě se po proniknutí trávicím ústrojím do těla ukládaly v kostní tkáni a po několika letech způsobily rozvoj maligního onemocnění. Jiným klasickým souborem jsou horníci uranových dolů ohrožení rakovinou plic, jak o tom pojednal už v roce 1930 význačný český patolog Heřman Šikl. V lékařském tisku bylo rovněž opakovaně referováno o rakovinách kůže komplikujících chronickou radiační dermatitidu rentgenologů.

Společným rysem těchto nádorových projevů byla vysoká úroveň ozáření, která jim předcházela. V období po druhé světové válce, tedy po objevení štěpné jaderné reakce a její aplikaci jak vojenské, tak později i civilní, se soustředila pozornost na otázku, zda i menší dávky záření mohou způsobit zvýšený výskyt nádorů v ozářené skupině osob. Záhy se ukázalo, že:

• nádory vyvolané zářením nejsou v jednotlivých případech odlišitelné od nádorů vznikajících spontánně v populaci;
• je třeba statistickými metodami prokázat, zda v určitých pásmech dávek je výskyt nádorů ozářením zvýšen.

Zde se pochopitelně nabízí srovnání výskytu nádorů v ozářené a kontrolní neozářené skupině. Uvážíme-li však i řadu neradiačních faktorů ovlivňujících kancerogenezi, je zřejmé, že tyto srovnávací populační studie je nutno organizovat a vyhodnocovat velmi náročnými metodami současné epidemiologie. Jedním z požadavků těchto šetření je jejich dlouhodobost, tj. sledování skupiny exponovaných od doby jejich ozáření do konce života. Toto je splněno v řadě studií, např:

• V Japonsku se podařilo zorganizovat rozsáhlou studii v Hirošimě a Nagasaki po sčítání lidu v r. 1950, tedy 5 let po zasažení obou měst jadernou zbraní. Průzkumem se zabývá japonsko-americká výzkumná instituce Radiation Effects Research Foundation. Dosavadní výsledky jsou k dispozici a ve výzkumu se pokračuje.
• V ČSR byla v roce 1970 zahájena - s využitím dříve získaných dat - studie u horníků uranových dolů, zahrnující jako nejdéle sledované pracovníky skupinu nastoupivší do práce v tomto riziku v letech 1948 - 1952.

Dalším zdrojem informací o biologických účincích záření jsou výsledky experimentálních studií, tedy radiobiologické poznatky v užším slova smyslu. K první generaci významných radiobiologů z let 1925-1945 patří např. F.G.Spear a D.E.Lea z Cambridge, K.G.Zimmer z Německa a americký genetik H.J.Muller, který v roce 1946 obdržel Nobelovu cenu za průkaz vlivu záření X na genové mutace u Drosophil (banánové mušky). Pro humánní radiační patologii mají význam zejména rozsáhlé studie, které se rozvinuly po druhé světové válce a z nichž určitá část je přímo zaměřena na modelování situací, jimž může být vystaven člověk. Sem patří především řada studií o akutní nemoci z ozáření, její patogenezi a léčbě a dále studie o pozdních účincích. Tak pod vedením J.G.Grigorjeva byl v letech 1964-1986 realizován pokus na 246 psech simulující pomocí záření gama zátěž posádky při letu kosmické lodi na Mars. Americký experimentální projekt v Salt Lake City na psech linie Beagle se zaměřil na vnitřní ozáření dlouhodobě působícími osteotropními radionuklidy, zahrnujícími především izotopy radia, plutonium, americium, aj.. K vyhodnocení získaných výsledků přispěl především C.W. Mays. Doporučení Mezinárodní komise pro radiologickou ochranu (International Commission on Radiological Protection – ICRP) ICRP č. 60 [12] navrhuje zařadit posádky civilních subsonických letadel mezi profesionálně ozařované pracovníky. Od r. 1991 se proto začalo znovu ověřovat, jaká je úroveň ozáření posádek a jak závisí na parametrech letu (výška, zeměpisná šířka a délka, stav geomagnetického pole, apod.). Evropská společenství, finančně podporující tato studia, ustanovila také pracovní skupinu, jejímž úkolem je doporučit, jakým způsobem by doporučení ICRP č. 60 mělo být zohledněno v národních předpisech a praxi leteckých společností. Česká republika je v této skupině zastoupena F. Spurným z Oddělení dozimetrie záření ÚJV AV ČR [9].

Biologické a lékařské poznatky o biologických účincích ionizujícího záření mají pro radiační ochranu a zdravotní péči o exponované a ohrožené osoby základní význam. Jsou východiskem k odvození kritérií a koncepce ochrany před zářením a zprostředkovaně i ke zdůvodnění všech dílčích opatření k ochraně před účinky záření. Jsou také základem racionální zdravotní péče při poškození zdraví ionizujícím zářením.

Východiskem všech rozhodnutí a opatření v hygieně záření je znalost kvantitativního vztahu mezi úrovní ozáření (tj. dávkou) a účinkem. Vymezení těchto vztahů, umožňujících hodnocení rizika, vychází z kritického výběru základních poznatků, jejich zobecnění a vhodné formalizace. Vztahu dávky a účinku bude dále věnována soustavná pozornost.

Úvodem je třeba podat výčet různých možných typů zdravotních poškození, s nimiž se setkává klinická radiační patologie. Kterékoliv poškození zdraví ionizujícím zářením lze zařadit do jedné z těchto skupin:

• akutní nemoc z ozáření,
• akutní lokální poškození,
• poškození plodu in utero,
• nenádorová pozdní somatická poškození,
• zhoubné nádory,
• genetické změny.

Účinky ionizujícího záření se dělí na deterministické a stochastické. První 4 položky výčtu patří k účinkům deterministickým, poslední dvě pak k účinkům stochastickým. Charakteristicky těchto typů účinkům jsou popsány v odst. 5.4.1. a 5.4.2..

Charakteristickým účinkem záření je na fyzikálně-chemické úrovni ionizace molekul. Na tuto prvotní "událost" navazují děje způsobující stabilizované poškození molekul s dalšími důsledky na buněčné úrovni. Z buněčné patologie lze potom odvodit mechanismy narušující integritu lidského organismu jako celku. Některé projevy účinků ozáření neohrožují přímo ozářeného jedince, ale postihují jeho potomstvo v dalších generacích. Jde o genetické účinky, při jejichž hodnocení je třeba uvažovat na úrovni lidských populací.

V živých systémech jsou dílčí funkce a struktury složitě stupňovitě organizovány, takže jednotlivé elementární objemy mají pro životnost buňky nestejný význam. Nejvýznamnější strukturou buňky je její jádro, které obsahuje molekuly kyseliny desoxiribonukleové (DNA). Molekula DNA je složitý polymer; je to velmi dlouhé a zákonitě svinuté dvojvlákno. V jeho průběhu jsou uloženy biochemické signály kódující přesný program pro život buňky i pro tvorbu identických dceřinných buněk, které vznikají buněčným dělením^a). Je zřejmé, že nejvýznamnější důsledky má ionizační "zásah" do tohoto programového vybavení buňky. Poškození DNA je skutečně pokládáno za vlastní prvotní biologické poškození.

Základní poruchou je úplný zlom dvojvlákna DNA. Takové poškození může vzniknout průchodem jediné částice hustě ionizujícího záření (těžké nabité částice). Při průchodu řídce ionizujícího záření (lehké nabité částice, primární i sekundární) může dvojitý zlom vzniknout kombinací dvou jednoduchých zlomů prostorově nepříliš vzdálených.

Změna vyvolaná ozářením v molekule DNA může mít pro osud buňky a buněčných společenství zjednodušeně dvojí význam:

1. Hrubé narušení DNA může znemožňovat další buněčné dělení a způsobovat tak úbytek buněk (buněčnou depleci) v příslušné buněčné populaci. Ozáření může tedy vést k reprodukční (mitotické) smrti buněk^b), která se uplatňuje jako rozhodující mechanismus časných poškození z ozáření.

^a)Nejčastějším způsobem dělení buňky je nepřímé dělení, tzv. mitóza.

2. Další typ důsledků poruchy DNA spočívá v takové změně kódu v programu životních dějů buňky, že buňka je v určité funkci modifikována. Životnost buňky a schopnost jejího dalšího dělení je zachována, avšak atypie buněk a změněný kód se přenášejí na další buněčné generace. To je podstatou jednak mutací, jimiž je zprostředkován genetický účinek, jednak maligních transformací uplatňujících se v procesu kancerogeneze.

Lidský organismus je funkční celek jednotlivých orgánů a tkání, které nemají stejnou vnímavost k ozáření, tj. stejnou radiosenzitivitu. Na radiosenzitivitu lze pohlížet ze dvou hledisek:

1. Vnímavost tkání k vyvolání akutních klinických změn. Mírou této vnímavosti je hodnota prahové dávky (odst.5.4.1., 5.5.). Obecně platí, že zvlášť vysokou radiosenzitivitu vykazují tkáně, v nichž probíhá rychlé buněčné dělení. Vysvětluje se to tím, že mitotická smrt buňky je převládajícím typem buněčné smrti v důsledku působení ionizujícího záření. Orientačně lze seřadit orgány a tkáně podle klesající radiosenzitivity takto:

• lymfoidní orgány, aktivní kostní dřeň, pohlavní žlázy, střevo;
• kůže a epiteliální výstelky (hltan, jícen, žaludek, močový měchýř), oční čočka;
• jemné cévy, rostoucí chrupavka, rostoucí kost;
• zralá chrupavka a kost, dýchací ústrojí, žlázy zažívacího systému, žlázy endokrinní;
• svaly, centrální nervový systém.

2. Vnímavost tkání ke vzniku zhoubných nádorů po ozáření. Z tohoto hlediska lze pořadí vnímavosti stanovit takto: štítná žláza, mléčná žláza, aktivní kostní dřeň, plíce.

Hovoří-li se o mezidruhových rozdílech radiosenzitivity a porovnává-li se vnímavost na akutní odezvu po ozáření, užívá se zpravidla indikátoru LD 50/30, tj. letální dávky LD způsobující uhynutí 50% jedinců do 30 dnů po ozáření. Např. pro morče jako velmi citlivý druh se uvádí hodnota dávky 3 Gy, pro králíka 8 Gy, pro želvu 15 Gy. LD 50/30 pro člověka činí 3-4 Gy.

Konečný výsledek působení ionizujícího záření na buňku a tkáně není určen jen uvedenými mechanismy. Je spoluurčován obnovnými, reparačními, mechanismy. Lze odlišit tzv.:

• časnou reparaci, to znamená obnovu schopnosti dalšího dělení na úrovni postižené buňky (trvá několik hodin),
• proliferaci, která vychází z přežívající frakce kmenových buněk (trvá dny až týdny).

V savčích organismech ozářených vyššími dávkami je pro obnovu tkání významná především obnova cestou proliferace.

b) Buňka může být usmrcena již v klidovém období, interfázi (což je interval mezi dvěma buněčnými děleními, mitózami). Ke smrti buněk v interfázi dochází však při ozáření vysokými dávkami záření na úrovní jednotek až desítek Gy. Z hlediska molekulárních účinků je přitom třeba předpokládat hrubé změny rázu denaturace buněčných bílkovin.

Mechanismus reparace se uplatní pouze při rozboru účinků záření vázaných na buněčnou smrt, je-li dávka podávána frakcionovaně (rozdělením celkové dávky na několik jednorázových ozáření) nebo protrahovaně (celková dávka může být podávána kontinuálně po dlouhou dobu, tj. s nižším dávkovým příkonem). Účinky záření budou po stejné dávce, rozdělené do několika frakcí nebo realizované v delším časovém období, menší než účinky téže dávky aplikované jednorázově. V případě mutací a maligních transformací se reparační mechanismy neuplatňují.

Další charakteristikou, určující celkový účinek ozáření, je prostorové rozložení dávky. Zcela rozdílnou biologickou odezvu má ozáření lokální, kdy jsou postiženy jen určité tkáně. Stíněním části těla se uchová určitá část kmenových buněk, z nichž může vzejít regenerace tkáně. Tohoto přístupu se využívá v radioterapii. Zvláštním případem nerovnoměrného ozáření je kontaminace radioaktivními látkami, ať již zevní, či vnitřní.

Jak jsme uvedli v odst. 5.1., účinky ionizujícího záření se dělí na deterministické a stochastické. Zopakujme si, že k deterministickým účinkům patří akutní nemoc z ozáření, akutní lokální poškození (zejména kůže), poškození plodu in utero a pozdní nenádorová poškození. Mezi účinky stochastické řadíme zhoubné nádory a genetické změny.

5.4.1. Deterministické účinky

Vztah dávky a účinku je schematicky znázorněn křivkami v horní části obrázku 25. Tyto křivky vyjadřují pravděpodobnost efektu vyvolaného jednorázovým ozářením, charakterizovaného jednoznačným klinickým obrazem a způsobeného postižením mnoha buněk. V oblasti nejmenších dávek efekt vůbec nenastává. Při určité vyšší dávce se projeví u malého procenta ozářených, např. 1-5%. To je oblast prahové dávky pro sledovaný efekt. S dalším růstem dávky roste procento postižených, až při určité dávce je postiženo 100% ozářených (odtud také označení účinek deterministický). Vzhledem k tomu, že u celkových i lokálních postižení existují klinické formy různého stupně závažnosti (např. erytematózní, bulózní a nekrotická forma dermatitidy), konstruují se pro ně esovité křivky příslušně posunuté na ose x (viz horní část obr. 25). Při dávce, která vyvolá např. u 90% ozářených výskyt bulózní dermatitidy, vznikají u 5-10% nekrózy. Z uvedených vztahů je možno odvodit dvě důležité charakteristiky deterministických změn:

• pro každý z efektů existuje dávkový práh,
• pravděpodobnost a intenzita odezvy závisejí na velikosti dávky.

Patogenetickým podkladem deterministických účinků je především deplece buněčných populací. Mohou se uplatňovat i reparační mechanismy a poškození se může zčásti upravit. Hlavním kvantitativním parametrem umožňujícím hodnocení rizika je hodnota prahové dávky.

5.4.2. Stochastické účinky

Pro účinky stochastické se v ochraně před zářením vychází ze vztahu, který je vyjádřen přímkou v dolní části obr. 25. Každé zvýšení dávky je spojeno s úměrným zvýšením pravděpodobnosti pozdních změn vázaných na ozářenou tkáň či orgán; tato závislost platí i pro oblast dávek nejnižších. Představa lineární a bezprahové závislosti je hypotetická, existuje však řada argumentů, mj. i pragmatických, pro uplatňování této hypotézy v radiační ochraně. Stochastický charakter účinků spočívá v tom, že lze předpovědět vzestup těchto účinků v ozářené populaci, nelze však u žádného postiženého jedince rozpoznat, zda právě v jeho případě jde o důsledek ozáření. Nádory a genetická poškození vyvolaná ozářením se totiž neliší od obdobných poruch zdraví vznikajících spontánně u neozářených osob. U stochastických účinků není vyjádřena závislost intenzity projevů na dávce, tj. větší dávka nevyvolává vznik agresivnějších malignit či hrubších malformací. Patogenetickým podkladem stochastických účinků jsou mutace a maligní transformace. Hlavním kvantitativním parametrem umožňujícím hodnocení rizika jsou koeficienty rizika pro jednotlivé stochastické účinky, jimž v grafickém znázornění odpovídá různá strmost přímek.

Obr. 25: Vztah dávky a účinku pro projevy deterministické a stochastické. Esovité křivky a,b,c popisují závislost pro jednotlivé stupně intenzity projevů (např. a = erytém, b = bulózní dermatitida, c = nekróza kůže). Čárkovaná křivka v horní části obrázku odpovídá závislosti s tzv. neurčitým prahem, kterou lze aplikovat na ovlivnění fertility zářením. Čárkovaná křivka ve spodní části grafu upozorňuje na existenci jiných modelů, nelineárních, např. s kvadratickou složkou.

5.5.1. Akutní nemoc z ozáření

Akutní nemoc z ozáření se rozvíjí po jednorázovém ozáření celého těla nebo jeho převážné části vyšší dávkou pronikavého záření. V závislosti na stupni ozáření převládají v klinickém obraze příznaky poškození krvetvorných orgánů, trávicího ústrojí nebo centrálního nervového systému.

Hematologická (dřeňová) forma akutní nemoci z ozáření vzniká typicky po celotělovém ozáření dávkou zhruba 3-4 Gy. Hraniční příznaky se mohou projevit již po dávce 1-2 Gy. Její průběh lze rozdělit na několik období. V prvním dnu po ozáření se objevují nespecifické příznaky (skleslost, bolesti hlavy), jejich pravidelnou složkou je zvracení. Časným nálezem v periferní krvi je pokles počtu lymfocytů do 48-72 hodin po ozáření. Další období 1-2 týdnů je v podstatě bez příznaků (období latence). Klinický obraz rozvinuté nemoci je podmíněn těžkou poruchou krvetvorby s úbytkem periferních krevních buněk a zhroucením obranyschopnosti organizmu. Rozvíjí se obraz sepse s vysokými teplotami, vředovým zánětem sliznic a krvácivými projevy. Další průběh nemoci závisí na dávce a schopnosti úpravy krvetvorby z nepoškozených kmenových buněk. Známky uzdravování se projevují po 6 - 8 týdnech. Je-li dávka vyšší (mezi 6 a 10 Gy), rozvíjí se nemoc již po několika hodinách s těžkým průběhem. Bez včasné intenzivní léčby dochází ke smrti kolem 20. - 30. dne.

Při dávkách záření kolem 10 Gy a vyšších jsou časné příznaky značně vystupňovány a závažné obtíže se projeví už 4.-6. den po ozáření, tj. dříve, než se objeví příznaky krevní. Tato tzv. střevní (gastrointestinální) forma akutní nemoci z ozáření je charakterizována krvavými průjmy, poruchou hospodaření vodou a minerálními látkami. Může dojít i ke komplikacím bezprostředně ohrožujícím život, jako je střevní proděravění nebo střevní zástava. Tyto projevy mají příčinu v odumření buněk střevní výstelky, jejichž odolnost vůči ozáření je poněkud vyšší než citlivost kmenových buněk orgánů krvetvorby, ale doba jejich života (rychlost obměny) je kratší (4-6 dní). Přežije-li postižený 7-10 dní, projeví se v plné míře i příznaky poškození krvetvorných orgánů.

Při dávkách v úrovni několika desítek Gy jsou příznaky časného selhání do té míry akcentovány, že se dostaví metabolický rozvrat, psychická dezorientace a zmatenost, dále porucha koordinace pohybů, křeče a konečně hluboké bezvědomí - nemocný umírá během několika hodin nebo dnů na nervovou formu nemoci z ozáření.

5.5.2. Akutní lokální poškození

5.5.2.1. Poškození kůže

Z lokálních účinků je třeba věnovat největší pozornost kůži, která je při každém zevním ozáření vstupním polem svazku záření. Odezva kožního orgánu je závislá nejen na velikosti dávky, nýbrž i na druhu a energii záření, na velikosti pole a na lokalitě ozáření. Za referenční podmínky je považováno ozáření pole o velikosti 15x15 cm rentgenovským zářením o efektivní energii 100 keV. Za těchto podmínek se rozvíjí první stupeň poškození po dávce zhruba 3 Gy. První zjistitelnou reakcí je časný erytém (časné zarudnutí kůže), který se objevuje v prvních hodinách po ozáření, nejpozději do 2-3 dnů, a trvá zhruba 24 hodin. Po ústupu prvotního zarudnutí nastává období latence, kdy na kůži nejsou patrny žádné změny; toto období trvá 10 - 15 dní. Vlastní odezvou je pozdní erytém (pozdní zarudnutí kůže), který se objeví zpravidla ve 3. - 4. týdnu po ozáření a upozorňuje na sebe zduřením (prosáknutím) i hlubších vrstev kůže. Nekomplikovaný erytém nemusí být bolestivý. Toto je obraz akutní radiační dermatitidy prvního stupně (erytematózní forma, viz. obr. 25). V období sledování kůže po jednorázovém ozáření má mimořádný význam i ztráta ochlupení (epilace), kterou lze zjistit ve třetím týdnu. Přechodná epilace vzniká od dávky 3 Gy. Po dávce 6 Gy může být ztráta ochlupení trvalá. Nejvnímavější k ozáření jsou ty partie kůže, kde se vlas (chlup) rychle obnovuje, jako je tomu na vlasaté části hlavy a ovousené části obličeje u mužů. Nalezení míst postižených epilací je významným vodítkem pro posouzení rozložení dávky na povrchu těla.

Radiační dermatitida druhého stupně (bulózní forma, viz obr. 25) vzniká při ozáření dávkami 15 - 20 Gy. Pokožka se odděluje od pojivového podkladu tekutinou vystupující z cév a vznikají puchýře. Jejich odlučováním a infekcí se stav dále komplikuje. V příznivějším případě nastává po 2 - 4 týdnech obnova pokožky z okrajů defektu. Pokud dojde k těžšímu poškození cév nebo k rozvoji infekce, dochází k odumření okrsků tkáně a ke vzniku vředu - vzniká radiační dermatitida třetího stupně (nekrotická forma, viz obr. 25). Hlubší vředy se obtížně a dlouho hojí zejména pro cévní změny v okolí, které mohou ohrozit i životnost hlouběji uložených tkání, např. svalstva a kostí. Dojde-li k zahojení defektu, je další osud postiženého okrsku kůže nejistý. Nová pokožka, často velmi tenká, nemá dostatečně spolehlivou podkladovou vrstvu a špatně odolává zátěži (mechanické, chemické) a infekci. Rozvojem degenerativních změn může i po letech vzniknout tzv. pozdní vřed vyžadující chirurgický zákrok.

Tento základní obraz je modifikován podmínkami ozáření. Roli hraje:

1. charakter záření,

2. časové rozložení dávky,

3. působení zdravého okolí,

4. lokalita ozáření.

ad 1) Vzhledem k dlouhodobým zkušenostem z lékařského využití jsou nejlépe prozkoumány podmínky pro vznik kožních změn u záření fotonového. Jako nominální účinek na kůži je zvolena tzv. prahová erytémová dávka definovaná jako jednorázová dávka, která u 80 % exponovaných osob vyvolá do 30 dní zřetelný pozdní erytém a u 20 % exponovaných nevyvolá žádnou změnu (ED80/30). Hodnoty ED80/30 pro rtg. záření různých energií jsou uvedeny v tabulce 9.

Tabulka 9: Hodnoty prahové erytémové dávky pro rtg. záření

ad 2) Je-li ozáření kůže rozloženo na delší časové období, je účinek menší. K dosažení téhož účinku, který způsobí jednorázová dávka, je třeba trojnásobné dávky aplikované během 1 měsíce v 15 - 20 frakcích. Této skutečnosti je využíváno v radioterapii.

ad 3) Tatáž dávka způsobí na menším poli menší účinek. Lze to vysvětlit příznivým působením zdravého okolí na vývoj a průběh změn (malé ložisko je příznivě ovlivňováno rozsáhlým okolím).

ad 4) Různé části povrchu těla jsou různě odolné vůči ozáření. Nejjemnější a nejcitlivější je kůže na přední části krku, v loketní a zákolenní jamce, postupně větší odolnost má kůže ohybačových ploch končetin, kůže na prsou, břichu, tváři, zádech, na hřbetních plochách končetin, na šíji, vlasaté části hlavy a konečně na dlaních a na ploskách nohou. Méně příznivý je průběh poškození v kožních řasách vlivem působení činitelů mechanických i chemických (potivost).

5.5.5.2. Postižení fertility

Dalším významným lokálním poškozením je postižení fertility po ozáření pohlavních žláz. Vztah dávky a účinku má podobně jako u jiných deterministických poškození v grafickém znázornění esovitý průběh. Přechod od nulového účinku do oblasti prahové dávky však není tak ostrý, neboť v lidské populaci existuje značná variabilita, pokud jde o rezervu zárodečných buněk. U lidí s menším počtem funkčních zárodečných buněk, např. u žen ve vyšších věkových skupinách, postačí k vyvolání sterility dávka menší. Hovoří se o tzv. neurčitém prahu.

Odpověď na ozáření pohlavních orgánů je u muže a ženy různá. Muži jsou z hlediska vyvolání poruch fertility vnímavější než ženy. Vajíčka ubývající z vaječníků při menstruačních cyklech nově nevznikají, kdežto spermie se průběžně nově tvoří ve varlatech. Prahové dávky pro poruchy fertility jsou uvedeny v tabulce 10.

Tabulka 10: Prahové dávky pro poruchy fertility^x)

x) Data se opírají o zkušenosti z radioterapie, kde se dávky aplikují frakcionovaně.

5.5.2.3. Poškození plodu in utero

Poznatky o biologické odezvě vyvíjejícího se plodu v těle matky na ozáření nejsou stále ucelené. Obecně lze říci, že vyvíjející se zárodek je systém rychle se dělících buněk, a proto je na ozáření mimořádně citlivý. K poškození dochází v závislosti na dávce a stupni vývoje plodu.

V období prvních dvou týdnů po oplodnění vede ozáření buď k zániku zárodku, nebo zárodek přežije bez následků (uplatňuje se princip "vše nebo nic"). Důvodem je nízký stupeň diferenciace zárodku, kdy zaniklé buňky mohou být plně nahrazeny buňkami z nepoškozené části.

Kritickým časovým úsekem je období velké organogeneze, které u člověka spadá do období 4. - 8. týdne po oplození vajíčka. Ozáření způsobí v závislosti na dávce zánik části buněk zárodku, což může vést k jeho uhynutí nebo k ovlivnění dalšího vývoje. Zvlášť citlivý je základ centrálního nervového systému, jehož porucha může vést k deformitám postihujícím mozek, míchu nebo oko. Často bývá postižena i kostra a močový trakt.

Ozáření plodu mezi 8. - 15. týdnem při výbuchu atomové pumy v Japonsku se projevilo větším výskytem dětí postižených mentální retardací s celkovou zaostalostí (IQ nižší než 70). Podle současného hodnocení výsledků pozorování u těchto dětí se dokonce doporučuje uvažovat pro tento účinek lineární bezprahovou závislost.

V poslední třetině těhotenství je plod již relativně radiorezistentní, takže jeho usmrcení by zpravidla znamenalo i smrt matky. Uplatňuje se však takové poškození buněk, které nebrání jejich dalšímu dělení a projeví se jako dědičné poškození nebo poškození v pozdním věku.

Prahové hodnoty pro vznik malformací nejsou přesně známy. Z dostupných klinických a experimentálních údajů vyplývá, že poškození může nastat již od dávek 50 mGy.

5.5.2.4. Pozdní nenádorová poškození

K pozdním nenádorovým poškozením patří především chronická radiační dermatitida, která bývala v první polovině dvacátého století častým nálezem u rentgenujících lékařů, kteří manipulovali rukama v primárním svazku rentgentky. Atrofická forma je charakterizována tenkou, křehkou epidermis, snadno zranitelnou, místy bez pigmentu, místy s hyperpigmentací. Hypertrofická forma se silnější epidermis má sklon k rohovatění a ke vzniku sekundárních vředů.

Prahovou dávku pro vyvolání chronické dermatitidy v podmínkách mnohaletých profesionálních expozic nelze stanovit na podkladě dozimetrických zjištění. Uvážíme-li však, že ozařování kůže je v těchto případech rozloženo na řadu let, musíme předpokládat alespoň 10x až 20x vyšší prahovou dávku, než je erytémová dávka pro jednorázové ozáření. Dospějeme tak k hodnotě asi 30 - 50 Gy.

Dalším poškozením tohoto typu je zákal oční čočky, který vzniká po jednorázovém nebo dlouhodobém ozáření, vyžaduje však ke svému vývoji poměrně dlouhou dobu. Při jednorázovém ozáření činí prahová dávka alespoň 1,6 Gy a latence trvá minimálně půl roku. V podmínkách dlouhodobé profesionální expozice lze očekávat práh v úrovni 4 - 6 Gy a dobu latence alespoň dva roky. V závislosti na velikosti dávky je porušena tvorba vláken čočky z epitelu s následným vznikem tečkovitých nebo síťovitých zákalů. Postupné zahušťování zákalu vede k poruše vidění.

Základem stochastických účinků na buněčné úrovni jsou mutace a maligní transformace (odst. 5.3.). Reparační mechanismy se prakticky neuplatňují a dávky rozložené v čase se sčítají (adice dávek).

5.6.1. Zhoubné nádory vyvolané ozářením

Zdrojem informací o indukci vzniku nádoru ionizujícím zářením jsou dlouhodobé epidemiologické studie na rozsáhlých souborech osob (odst. 5.1.).

Příkladem epidemiologické studie je sledování výskytu malignit po výbuchu atomové bomby v Japonsku. Vyšší výskyt akutní leukémie byl zaznamenán po 2 letech, nejvyšší v 5. - 15. roce, postupně klesal až na úroveň spontánního výskytu po 25 - 30 letech. Prudký vzestup výskytu solidních nádorů byl zaznamenán až v období klesající incidence leukémie.

Většina výsledků epidemiologických studií o výskytu nádoru po ozáření není v rozporu s předpokladem lineárního a bezprahového vztahu mezi dávkou a účinkem (odst. 5.4.2). Hypotéza linearity a bezprahovosti umožňuje zavést jednotný kvantitativní ukazatel, který charakterizuje kancerogenní účinek záření, tzv. koeficient rizika. Je vyjadřován v řádu 10^-4, tzn. že se vztahuje k ozáření 10 000 osob ekvivalentní dávkou 1 Sv.

Jeho význam je demonstrován na obr. 26. Na ose x jsou vyneseny hodnoty ekvivalentní dávky H_T v uvažované tkáni, na ose y pravděpodobnost výskytu nádoru. Šrafovaný pás znázorňuje spontánní výskyt nádoru v populaci. Plná čára charakterizuje rostoucí pravděpodobnost přídatného výskytu nádoru při různých úrovních ozáření. Odečteme-li na ose y hodnotu pravděpodobnosti výskytu po ozáření 1 Sv, získáme hodnotu koeficientu rizika výskytu nádoru. Je zřejmé, že tímto způsobem se vyjadřuje tzv. riziko absolutní (r_T). Hodnoty r_T však nejsou ukazatelem vhodným pro přímé použití v ochraně před zářením, neboť závažnost zhoubných nádorů různých orgánů a tkání je různá. Zavádí se proto koeficient úmrtnosti na nádor, který je definován jako součin r_T.g_T, přičemž g_T je tzv. faktor závažnosti. Faktor g_T znamená frakci pacientů, kteří na nádor zemřeli. Průběh r_T.g_T v závislosti na ekvivalentní dávce je na obr. 26 znázorněn přerušovanou čarou.

Obr. 26: Grafické odvození koeficientu rizika nádoru vycházejícího z tkáně T a koeficientu úmrtí na nádor téže tkáně r_T.g_T. Na vodorovné ose je vyznačena ekvivalentní dávka, na svislé ose odpovídající pravděpodobnost výskytu nádoru, popř. úmrtí na něj. Je zřejmé, že odvození koeficientu rizika vychází z předpokladu lineárního a bezprahového vztahu mezi dávkou a účinkem. Plná stoupající přímka popisuje závislost vzniku nádoru na hodnotě ekvivalentní dávky, čerchovaná stoupající přímka závislost fatálního vyústění nádoru na ekvivalentní dávce. Šrafovaný pruh znázorňuje úroveň spontánního výskytu nádoru tkáně T.

Hodnoty r_T.g_T pro jednotlivé orgány a tkáně jsou shrnuty v tabulce 11. V tabulce jsou rovněž uvedeny tkáňové váhové faktory w_T, představující riziko stochastického účinku po ozáření orgánu či tkáně vztažené k celkovému riziku po rovnoměrném celotělovém ozáření.

Tabulka 11: Koeficienty rizika a váhové faktory¹⁾

2) V doporučení ICRP č. 60 není pro ovaria uveden váhový faktor.