2014. január 26., vasárnap

A sugárzás hatásának egy lehetséges modellezése. I. Rész: A radioaktív izotópok útja és kiülepedése a légutakban

A következőkben egy 3 részesre tervezett modellezésről szóló izelítő első részéről olvashattok/olvashatnak. Ennek során áttekintem miként modellezhető a légzőrendszerbe jutó izotópok transzportja és kiülepedése. A folytatásban a kiülepedett radioaktív részecskék tisztulásáról lesz szó, majd a harmadik részben a radioaktív részecske-sejt kölcsönhatás szimulációját mutatom be.
 
A természetes háttérsugárzásból származó radioaktív sugárterhelés több mint felét a radon leányelemeitől kapjuk. A radon gáz bomlása során 218Po keletkezik, mely alfa-aktív és nagyjából 3 perces felezési idővel 214Pb-re bomlik, majd a 214Bi-en keresztül a 214Po-hoz jutunk, ami szintén alfa-aktív. Elbomlása során 210Pb keletkezik, amely már nem rövid felezési idejű. A pontos bomlási lánc az alábbiakban látható.


A fenti radontermékek vízmolekulákkal együtt, vagy a légköri aeroszolokra tapadva vannak jelen a levegőben, ahonnan belélegezzük őket. A légzőrendszerben kitapadva elbomolhatnak és károsíthatják a sejteket/szövetet. A kár szempontjából leginkább az alfa-bomló izotópok a figyelemre méltóak (218Po, 214Po). A belélegzett izotópok légúti kiülepedését és bomlását matematikai/fizikai modellekkel tudjuk leírni. Ehhez modelleznünk kell azok pályáit, amint a levegőárammal repülnek, majd esetleg a légút falának ütköznek. A levegő és részecskeáramlást modellezhetjük idealizált, vagy CT képekből rekonstruált háromdimenziós légutakban is. Rekonstruált felső (bal oldal) és centrális (jobb oldal) légúti geometriák digitális modelljei az alábbiakban láthatók.

 

A levegő áramlási tere e geometriákban igen bonyolult, de a légutakban áramló levegő sebessége és nyomása numerikus áramlástani módszerrel kiszámítható. Ilyen sebességteret szemléltet az alábbi ábra. A kék jelenti a kis, a piros pedig a nagy sebesség értékeket. A számításokat a FLUENT nevű CFD (computational fluid dynamics, numerikus áramlástan) szoftverrel végeztem.

 
A kiszámított levegőáramlási térbe részecskéket helyezve követhető, hogy azok hol csapódnak a légutak falának. A kicsapódó részecskék beleragadnak a légutak falát borító nyákba. Az 1 és 10 mikrométeres részecskék kiülepedési mintázatát az alábbi ábrán láthatjuk nyugodt légzésnek megfelelő áramlási viszonyok (térfogatáram = 18 liter/perc) mellett. A kiülepedéseloszlás erősen inhomogén, melynek következtében egyes területek nagyobb sugárterhelést kapnak ha a kiülepedett részecskék elbomlanak.
 
 
A kiülepedett rövid felezési idejű izotópok ha elbomlanak, akkor a kiülepedés helyéhez közeli sejteket alfa-találat érheti, azokban energialeadás történik, melynek biológiai következményeit szintén lehet modellezni. De még mielőtt e fontos lépést bemutathatnám, fontos megjegyezni, hogy a fenti ábrán látahtó kiülepedési képeket módosíthatja még a mukociliáris tisztulás is, melynek modellezéséről a következő bejegyzésben lesz szó. Azt követi majd a részecske-élő anyag interakció modellezésének bemutatása.