Участвуем в проекте «Удивительный мир физики» (10 класс)

Областной телекоммуникационный образовательный проект

«Удивительный мир физики» 2015/2016 учебного года

http://projects.edu.yar.ru/physics/15-16/

2 тур

Возрастная номинация 10 класс

Команда Большой взрыв

МАОУ лицей №38

г. Нижний Новгород, Нижегородская область

 

Творческое задание

Тема: Атомная и ядерная физика на страже здоровья человека

Общий план – сценарий

Мероприятия по выполнению творческого задания:

• знакомство с темой творческого задания;
• распределение фрагментов задания в команде;
• сбор материала;
• экскурсия в ИЦАЭ (информационный центр по атомной энергии), www.myatom.ru;
• экскурсия в рентгеновский кабинет поликлиники Советского района;
• анкетирование, учащихся класса по теме « Что вы знаете об использовании достижений атомной и ядерной физии в медицине?».
• проведение мероприятия в классе (классный час с демонстрацией презентации, докладами по теме, ознакомление с результатами анкетирования);
• выпуск информационного листа «Радиация и медицина: мифы и реальность»;
• составление отчета о творческом задании.

 

Отчет о посещении ИЦАЭ (информационного центра по атомной энергии)

В информационном центре по атомной энергии мы прослушали лекцию по радиоактивному воздействию на живые организмы и участвовали в интерактивной командной игре.

При помощи предоставленной аппаратуры мы измерили собственный радиационный фон.

Оказалось, что один из учащихся нашей группы, который ранее жил в Кировской области в сельской местности и лишь полгода живёт в Нижнем Новгороде, обладает самым низким уровнем. У остальных учащихся группы показатели более высокие в 1,5 – 2 раза. У тех, кто проживает в промышленной зоне (Автозавод, Сормово) и вблизи специализированных заводов уровень самый высокий.

Отчет об экскурсии в рентген-кабинет

В поликлинике мы ознакомились с работой аппаратуры, узнали об особенностях её использования, примерили специальную одежду рентген-лаборанта. Защитное снаряжение выполнено из просвинцованной резины и содержит специальные наполнители, и поэтому очень тяжёлое, что мы и ощутили, одев его на себя.

Нам показали накладки (пакеты, мешочки, выполненные аналогичным образом), которыми закрываются те места на теле пациента, которые не должны быть облучены. Современный аппарат поддерживается компьютерной программой. Информация о пациенте и его снимки заносятся в базу данных. В любой момент времени врач может извлечь несколько снимков одного пациента и установить динамику состояния внутренних органов человека или оценить состояние здоровья жителей дома, микрорайона, предприятия.

Тематика докладов

1. История вопроса: первые радиоактивные препараты. История развития ядерной медицины

2. Воздействие радиации.

3. Использование ядерной физики в диагностике заболеваний органов человека.

4. Виды томографии.

5. Основные методы лечения заболеваний.

6. Природная радиация.

Атомная и ядерная физика всё больше внедряется в нашу жизнь. Она распространена не только в атомной энергетике и военной промышленности, но и в медицине. Ядерная физика стоит на охране здоровья человека на протяжении многих лет. Ядерная медицина – это раздел высокотехнологичной медицины, в котором используется радионуклиды для лечения и диагностики заболеваний.

Анкетирование

После анализа анкеты мы определились с темами докладов и планом экскурсии.

Содержание докладов

Доклад №1: Радиофармпрепараты (1898 г.)

Первым радиофармпрепаратом (радиоактивным фармацевтическим препаратом) стал радий. Сразу после его открытия (1898) стало ясно, что испускаемое этим новым радиоактивным элементом излучение способно излечивать онкологические заболевания кожи, разрушая раковые клетки. Затем его стали помещать в иглы, которые вводили в раковые опухоли. Так или иначе, положительный эффект радиации при диагностике и излечении онкологических заболеваний вызвал повышенный интерес, особенно после получения искусственных радиоактивных элементов. Дело в том, что при помощи методов, схожих с теми, что использовали супруги Кюри, можно получать радиоактивные изотопы биогенных элементов – элементов, входящих в состав тела человека.

Вводя такие изотопы в организм в очень небольших количествах можно отслеживать деятельность внутренних систем человека, следить за обменом веществ.

Фотографируя тело человека, которому введен радиофармпрепарат, можно получить наглядную картину внутренних процессов , идентифицировать заболевания различных органов . Естественно , что радиоактивный изотоп вводится не самостоятельно , а в составе сложной органической молекулы, которую можно синтезировать так, чтобы она избегала или концентрировалась в больном органе. Тогда, если на фотографии мы увидим недостаток или избыток радиоактивного изотопа в подозреваемом органе , это будет свидетельствовать о его поражении. С помощью органических молекул, содержащих радионуклиды и избирательно поглощаемых опухолью, или специальных капсул радионуклидами, помещаемых в опухоль, можно производить внутреннюю терапию онкологических заболеваний.

Сегодня радиоактивные фармацевтические препараты на основе, например, технеция-99m или йода-123 широко применяются при лечении самых разных злокачественных опухолей.

Изобретение радиофармпрепаратов ознаменовало собой важный перелом в диагностировании и лечении заболеваний внутренних систем человеческого организма, стало знаменательным событием в борьбе человека против одного из самых страшных заболеваний – рака, и дало надежду миллионам больных по сему миру.

Доклад № 2: Воздействие радиации

Попытаемся объяснить, чем вредна радиация для живого организма вообще и человеческого организма в частности.

Долгое время считалось, что облучение крайне негативно влияет на структуру клеточного ядра, разрушая нити ДНК, вызывая мутации. Позже выяснилось, что это представление неверно: главный ущерб, который получает облученная клетка, заключается вовсе не в нарушении функционирования генов.

Вода является средой, без которой клетка жить не может. Клетка человеческого организма на 70 процентов состоит из воды, а в клетках мозга ее доля составляет 90 процентов. Поэтому частица ионизирующего излучения, «влетая» в клетку, с наибольшей вероятностью взаимодействует именно с молекулой воды (H2O), передовая ей свою энергию. Тут-то и происходит ионизация молекулы. Ионизированная молекула (H2O +) и вырванный из нее электрон (e-) взаимодействует с другими молекулами воды, при этом образуется так называемые свободные радикалы. Радикалы также в свою очередь вступают в химическое взаимодействие.

Под действием ионизирующего излучения в клетке появляются чужеродные химически агрессивные соединения. Если таких соединений накапливается слишком много, клетка гибнет. Здесь следует отметить, что клетка обладает механизмами саморегуляции и самовосстановления, с небольшими дозами радиации она вполне способна справиться (так же, как наш организм способен справиться с легкой простудой).

Доклад №3: 1. Использование ядерной физики в диагностике органов человека

1.1 Радионуклидная диагностикар терапия ксенон

Радионуклидная диагностика – один из видов лучевой диагностики, основанный на внешней радиометрии излучения, исходящего из органов и тканей после введения радиофармацевтических препаратов непосредственно в организм пациента. Это метод функциональной визуализации, позволяющий качественно и количественно оценить наличие функционирующей ткани в исследуемом органе.

Особенности технологий ядерной медицины – распознавание патологического процесса на молекулярном уровне, в ряде случаев на доклинической стадии.

1.2 Использование радиоактивных изотопов

По своим функциональным свойствам РПФ могут быть разделены на физиологически тропные и инертные. Из чего следует, что первые являются оптимальным средством для проведения структурно –топографических исследований, каждое из которых проводится, начиная с момента установления более или менее стабильного распределения РФП в исследуемом органе или системе. Вторые, которые часто называют индикаторами» транзита», используются главным образом для исследования методами гамма – хронографии.

1.3 Применение регистрирующей аппаратуры

Сцинтилляционный датчик

Важным этапом развития радионуклидной диагностики стало техническое переоснащение регистрирующей аппаратуры, замена счетчиков Гейгера. С развитием атомной промышленности, появилась возможность производить в достаточных количествах различные радионуклиды, что привело к расширению ассортимента органотропных радиофармпрепаратов. В это же время совершенствовались и радиометрические приборы.

Следующим этапом в развитии радионуклидной визуализации стало создание сканера. Создание новых приборов стимулировало создание новых радиофармпрепаратов. Появилась возможность для визуализации на сканере различных органов. При отсутствии ультразвуковой диагностики и компьютерной томографии радионуклидное сканирование являлось единственным методом визуализации очагового поражения органов и тканей.

Изобретение гамма-камеры

В конце 60-х, начале 70-х годов бурное развитие технологии создания крупных кристаллов, химии полимеров и радиоэлектроники позволили создать качественно новый вид радиометрического прибора – гамма-камеру. Изображения, полученные на гамма-камере получили название сцинтиграмм, а метод – сцинтиграфии. На первых гамма-камерах регистрация количества частиц происходила за счет длительного «запоминающего» свечения люминофора дисплея.

Бурное развитие компьютерной техники в 80-е годы привело к созданию эмиссионного компьютерного томографа. Эмиссионный компьютерный томограф представляет собой гамма-камеру, детектор которой имеет возможность вращаться вокруг стола с пациентом, делая несколько кадров под различными углами наклона. Компьютерная программа реконструирует срезы в любом направлении и любой толщины и дает возможность получить объемное изображение исследуемого органа.

Создание позитронного эмиссионного томографа

Новейшим достижением развития радионуклидной диагностики стало создание позитронного эмиссионного томографа (ПЭТ). Регистрирующее устройство – детекторы позитронного эмиссионного томографа – по принципу действия мало, чем отличается от регистрирующего устройства обычной 2-х детекторной гамма-камеры.

Лечение с помощью радиоактивных элементов

Помимо диагностики, ядерная медицина выполняет лечебные функции. Она эффективно используется при лечении некоторых видов рака (лимфомы), раковых болей в костях и базедовой болезни (с использованием радиоактивного йодина). Способ и место применения радиоактивных материалов в ядерной медицине строго нормированы, для диагностического исследования в среднем используется радиоактивная доза в 300 микроБЭР. Это равняется среднему уровню фоновой радиации для жителей США и других развитых стран.

2.1 История развития ядерной медицины

Один из самых ранних случаев ядерной медицины относится к 1946 г., когда для исследования щитовидной железы в составе т.н. «атомного коктейля » был впервые применен радиоактивный йод. Широко распространенное клиническое использование ядерной медицины началось в начале 1950-ых. Первый сканер для ядерной диагностики был введен Бенедиктом Кассеном в 1951г .

В 1960-ых годах наблюдался беспрецедентный рост популярности ядерной медицины как самостоятельной специализации.

К 1970-ым ядерная медицина получила доступ к большей части органов, включая печень, локализацию опухоли головного мозга, и исследования желудочно-кишечного тракта.

В 1971 американская Медицинская Ассоциация официально признала ядерную медицину как медицинскую специальность. В 1980-ых были разработаны радиоактивные медицинские препараты для таких критических диагнозов как сердечная болезнь и рак.

Доклад 5 2.2Основные методы лечения заболеваний

Лучевой метод

Основным методом лечения онкологических заболеваний является лучевой метод. В качестве основного и радикального метода лучевая терапия применяется для лечения ранних стадий рака кожи, губы, языка, гортани, шейки матки. Лучевое лечение осуществляется рентгеновскими лучами и гамма-лучами радиоактивных элементов. В настоящее время разработаны шланговые аппараты, позволяющие производить внутриполостное облучение. Широко внедрено лечение жидкими изотопами при лечении костной системы и при заболевании кроветворной системы. Сочетание наружного облучения с внутритканевым или внутриполостным, рентгенотерапии с телегамматерапией часто повышает эффективность лечения. Такой метод лучевого лечения называется сочетанно-лучевой терапией.

1.Дистанционные методы лучевой терапии осуществляются статической и подвижной гамма-терапией, которая проводится установками типа «Луч» и «Рокус».

2.Контактные методы облучения. К ним относятся внутриполостная, радиохирургическая, аппликационная, близкофокусная рентгенотерапия, метод избирательного накопления изотопа.

3.Сочетанные методы лучевой терапии. Осуществляются сочетанием одного из способов дистанционного и контактного облучения.

4.Рентгенотерапия: статическая (открытыми полями через свинцовую решетку), подвижная – ротационная, маятниковая, тангенциальная.

В зависимости от режимов облучения различают:

• одномоментное облучение;
• непрерывное облучение (доза 5000–6000 рад);
• фракционно-дробное облучение при дистанционной гамма-терапии.

Лучевая терапия противопоказана при:

• общем тяжелом состоянии больного;
• обширном поражении опухолью с распадом, кровотечением, прорастанием в сосуды, полые органы множественными метастазами;
• активном туберкулезе легких, инфаркте миокарда, сердечно-сосудистой недостаточности, диабете;
• выраженной анемии, лейкопении;
• острых или хронических лучевых повреждениях.

Лечение с помощью радиоактивного йода

Радиоактивный йод (I131) – радиоактивная форма йода, которая используется для того, чтобы обследовать и лечить различные заболевания щитовидной железы человека. Йод – это-элемент, необходимый для нормальной работы щитовидной железы. Подобно обычному йоду, радиоактивный йод проникает и накапливается в клетках щитовидной железы. Лечебный эффект основан на радиоактивности I131. Радиоактивность уничтожает как клетки железы (остатки самой ткани), так и опухолевые клетки, распространившиеся за её пределы.

Применение радиоактивного газа ксенона

Широко применяется в терапевтической медицине радиоактивный газ ксенон. Газ применяется при обследованиях мозга. Ксенон сильно поглощает рентгеновское излучение и помогает найти места поражения. При этом он совершенно безвреден. Эксперименты показали, что ксенон помогает уменьшить последствия инсультов, мозговых травм и других поражений, и способен блокировать работу рецепторов, управляющих нервными клетками, а так же предотвратить их гибель.

Заключение

Применение радиоактивных элементов оказывает огромное значение в достижениях современной медицины. Радиоактивные элементы нашли широкое применение как в диагностике, так и в лечении различных заболеваний.

В настоящее время с помощью радионуклидной диагностики можно исследовать практически любой орган или ткань организма, а некоторые из них несколькими способами.

Развитие химии радиофармпрепаратов идет по пути создания новых наборов для 99mTc. За прошедшие несколько лет в России прошли клинические испытания и допущены к применению препараты

Российского производства: 99mTc-макротех – для исследования легочного кровотока, 99mTc-теоксим – для исследования перфузии головного мозга, 99mTc-технетрил – для исследования перфузии миокарда.

Практически завершены клинические испытания препарата 99mTc- глюкорат, который является маркером некроза и может быть использован для визуализации инфарктных зон сердца. Использование радиофармацевтики лицензировано администрацией США. Предусмотрены программы по обучению физиков, фармацевтов и радиохимиков, работающих в этой области. На данный момент в США существует около 5 000 центров ядерной медицины, производящих порядка 18 млн. процедур ежегодно. Примерно столько же процедур выполняется центрами ядерной медицины, существующими в других странах мира. Их количество непрестанно растет. Благодаря тесному сотрудничеству ученых разных стран мировая медицина добилась существенного прогресса в области применения радиоактивных элементов.

Доклад№4: Виды томографии

Однофотонная эмиссионная компьютерная томография

Однофотонная эмиссионная компьютерная томография - популярный метод объёмного исследования внутренней структуры объекта. В ОФЭКТ для получения изображения используется радионуклид, испускающий гамма-кванты. Радионуклид входит в состав радиофармпрепарата, который, в большинстве случаев, вводится человеку внутривенно и после этого проходит ОФЭКТ исследование. Этот метод используется для диагностики самых разных заболеваний: болезни Альцгеймера, травматического повреждения мозга, в диагностике рака, а также в обследовании сосудистой системы и кровотока.

Магнитно-резонансная томография

МРТ – широко используемый метод для исследования мягких тканей.

МР томограф работает на основе того, что ядра некоторых атомов при помещении в магнитное поле начинают поглощать энергию в радиочастотном диапазоне и излучать её после прекращения воздействия радиочастотного импульса.

 

Информационный листок

Фотоотчет

Пусть голова будет без волос по собственному желанию.

Литература

1) Акатов А.А., Коряковский Ю.С. «Радиация: опасность реальная и вымышленная М. 2010 г.

2) Акатов А.А., Коряковский Ю.С. «Энергия атома: открытие, изобретения, технология» М. 2012г.

3) Емельяненков А. «Семь чудес мирного атома», 2013 г.