Dosis-Wirkungs-Beziehungen:

Transkript

1 Dosis-Wirkungs-Beziehungen: Aus: Bille, Schlegel: Medizinische Physik Band 2 Seite 129 IONIR: Risikobetrachtungen 1 Dosis-Wirkungs-Beziehungen: IONIR: Risikobetrachtungen 2 1

2 Dosis-Wirkungs-Beziehungen: Deterministische Strahlenwirkung: Zellüberlebenskurven können durch unterschiedliche Funktionen angepaßt werden: S = e F: Häufigkeit der letalen Ereignisse S: Anteil überlebender Zellen (D / D ) n [1 (1 e ) ] F(D) = α * D + β* D D / D1 0 S = e 2 ( α*d + β*d ) 2 IONIR: Risikobetrachtungen 3 ICRP 60 Abb. B-2 Dosis-Wirkungs-Beziehungen: Deterministische Strahlenwirkung: Typische Dosis-Wirkungs- Beziehungen für deterministische Strahlenwirkungen, die sich in einer Population ausbilden: Sigmoidförmige Dosis- Häufigkeits-Verteilung IONIR: Risikobetrachtungen ICRP 60 Abb. B-3 4 2

3 Dosis-Wirkungs-Beziehungen: Schwellwerte für deterministische Strahlenwirkungen (Schätzwerte) ICRP 60 Tab. B-1 IONIR: Risikobetrachtungen 5 Dosis-Wirkungs-Beziehungen: Dosisbereiche, verbunden mit spezifischen strahleninduzierten Syndromen und Tod beim Menschen nach akuter gleichförmiger Ganzkörperexposition durch Strahlung mit niedrigem LET (Bestrahlung innerhalb von Minuten) ICRP 60 Tab. B-2 IONIR: Risikobetrachtungen 6 3

4 Dosis-Wirkungs-Beziehungen: Stochastische Wirkungen: Experimentelle Daten: Carcinogenese bei Mäusen nach Bestrahlung Kiefer Abb 22.11, : 250 kv- Röntgenstrahlung, hohe Dosisleistung 0: Co-60, niedrige Dosisleistung Kurve läßt sich beschreiben durch: 2 P(D) = (a *D + b*d )*e 2 ( α *D + β *D ) Anmerkung: - Dosisbereich!! - starke Abhängigkeit von Dosisleistung IONIR: Risikobetrachtungen 7 Dosis-Wirkungs-Beziehungen: Stochastische Wirkungen: Dosis- und Dosisleistungseffektivitätsfaktor (DDREF): DDREF = α L /α 1 Experimentelle Werte für DDREF liegen zwischen 2 und 10. ICRP empfiehlt für niedrigen Dosisbereich einen DDREF = 2 anzuwenden Für niedrige Dosiswerte gilt näherungsweise: P(D) = α*d + β*d Im Bereich des Strahlenschutzes: Lineare Interpolation 2 ICRP60 Abb B-5 Experimentelle Werte für niedrige Dosisleistung nicht eingezeichnet!! IONIR: Risikobetrachtungen 8 4

5 Risikomodelle - Stochastische Strahlenwirkung ICRP60 Abb. C-2 Additives Modell: zusätzliche Wahrscheinlichkeitsrate des Todes durch Krebs nach einmaliger Bestrahlung ist nur proportional zu Dosis D Multiplikatives Modell: zusätzliche Wahrscheinlichkeitsrate des Todes durch Krebs nach einmaliger Bestrahlung ist proportional zu Dosis D und zur spontanen Krebstodrate B(u) = B(Alter) IONIR: Risikobetrachtungen 9 Risikomodelle - Stochastische Strahlenwirkung Additives Modell Multiplikatives Modell Kiefer Abb Die durch alle Ursachen bedingte Sterbewahrscheinlichkeitsrate h hk it t im Alter u kann beschrieben werden durch: G 0 (u) = A*e B*u + C Zusätzliche Sterbewahrscheinlichkeit durch strahlungsbedingte Krebserkrankung: G 0 (u) = A*e B*u + C + dp/du IONIR: Risikobetrachtungen 10 5

6 Risikomodelle - Stochastische Strahlenwirkung Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung: Zeitliche Variation der jährlichen zusätzlichen Krebsmortalitätsraten für je Personen der japanischen Atombombenüberlebenden für Expositionen mit mehr als 0.2 Gy. Links: Alle Krebsarten außer Leukämie. Rechts: nur Leukämie Unterschiedliche Risikomodelle für Leukämien und solide Tumoren notwendig Absolute Zahlen: n = Personen, 5936 Krebsfälle, statistischer Erwartungswert für nicht bestrahltes Kollektiv: 5600 Krebsfälle!!! IONIR: Risikobetrachtungen 11 Risikomodelle - Stochastische Strahlenwirkung Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung - nur Leukämien: Kiefer Abb Schematischer Verlauf des Auftretens von Leukämie bei Bestrahlung in verschiedenen Lebensaltern. A: < 15 Jahre; B: Jahre; C: Jahre, D: > 45 Jahre Kein einfaches Risikoprojektionsmodell anwendbar!! IONIR: Risikobetrachtungen 12 6

7 Risikomodelle - Stochastische Strahlenwirkung Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung: Relative Risikofaktoren für verschiedene Beobachtungszeiträume nach den Atombombenabwürfen in Hiroshima und Nagasaki Kiefer Abb IONIR: Risikobetrachtungen 13 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung Abschätzung von Risikofaktoren Die folgenden Einflussgrößen müssen berücksichtigt werden: Art der Strahlung Dosisleistung Geschlecht Alter bei Bestrahlung Bestrahltes Organ Bestrahltes Kollektiv für welches Kollektiv sollen Risikofaktoren gelten. Ziel: Einfaches System von Risikofaktoren für den Strahlenschutz!! IONIR: Risikobetrachtungen 14 7

8 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung Vergleich der Risikoprojektionsmodelle: Zusätzliche Sterbewahrscheinlichkeit durch Krebs nach akuter Ganzkörperexposition 1 Gy mit Niedrig-LET-Strahlung. Daten der Atombombenüberlebenden (Daten: UNSCEAR, ICRP-60, Tab B-8) IONIR: Risikobetrachtungen 15 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung Vergleich der Risikoprojektionsmodelle und Geschlechter: Zusätzliche geschlechtsspezifische Sterbewahrscheinlichkeit durch Krebs nach akuter Ganzkörperexposition 1 Gy mit Niedrig-LET- Strahlung. Daten der Atombombenüberlebend en (ICRP-60, Tab B-11) Unterschied bis Faktor 2 bei den Geschlechtern! IONIR: Risikobetrachtungen 16 8

9 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung - Altersabhängigkeit : (ICRP-60, Tab B-9) IONIR: Risikobetrachtungen 17 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung Vergleich verschiedener bestrahlter Kollektive: Absolutes Risiko - zusätzliche Sterbefälle pro 10 4 Personen Gy und Jahr (ICRP-60, Tab B-4) Unterschied: ca. Faktor 2 (Achtung: Vergleich zu Tab B11 ICRP-60: Sterbefälle je 10 4 Personen*Jahr*Gy) IONIR: Risikobetrachtungen 18 9

10 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung Vergleich verschiedener Studien: (ICRP-60, Tab B-10) IONIR: Risikobetrachtungen 19 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung Empfehlung der ICRP-60 für Abschätzung der zusätzlichen Sterbewahrscheinlichkeit: Das multiplikative Risikomodell wird als gültig erachtet Bei niedrigen Dosisleistungen ist DDREF = 2 anzuwenden Werte halbieren IONIR: Risikobetrachtungen 20 10

11 Empfehlung der ICRP-60 für Abschätzung der zusätzlichen Sterbewahrscheinlichkeit: Die Werte beinhalten den Wert DDREF=2 (ICRP-60, p. 212) IONIR: Risikobetrachtungen 21 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung Zusammenfassung der verschiedenen Studien: Empfehlung der ICRP-60 für die Abschätzung der zusätzlichen Sterbewahrscheinlichkeit: Faktor DDREF = 2 ist bereits berücksichtigt Widersprüche zu Gewebe- Wichtungsfaktoren??? (ICRP-60, Tab. 17) IONIR: Risikobetrachtungen 22 11

12 Zusätzliches Mortalitätsrisiko durch Bestrahlung System der Gewebe-Wichtungsfaktoren: Detriment: Maß für den gesamten Gesundheitsschad en durch Bestrahlung mit ionisierender Strahlung (Mortalität, Morbidität, Verlust an Lebenserwartung) (ICRP-60, Tab. 20) IONIR: Risikobetrachtungen 23 Risikomodelle - Festlegung von Grenzwerten Grenzwerte für die Exposition oder Welches Risiko wollen oder können wir uns leisten??? IONIR: Risikobetrachtungen 24 12

13 Risikobetrachtungen: Vergleich mit anderen Risiken Sterbewahrscheinlichkeit insgesamt Die durch alle Ursachen bedingte Sterbewahrscheinlichkeitsrate im Alter u kann beschrieben werden durch: G 0 (u) = A*e B*u + C Extremwerte der Sterblichkeitsrate aus 17 Industrieländern (Australien, Belgien, Dänemark, Deutschland, Finnland, Frankreich, Italien, Japan, Kanada, Neuseeland, Niederlande, Norwegen, Österreich, Schweden, Schweiz, UK, USA) ICRP-60 Abb IONIR: Risikobetrachtungen 25 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Exposition wirkt sich erst Jahre später aus es muss in Zukunft projeziert werden ICRP60 Abb. C-2 Additives Modell: zusätzliche Wahrscheinlichkeitsrate des Todes durch Krebs nach einmaliger Bestrahlung ist nur proportional zu Dosis D Multiplikatives Modell: zusätzliche Wahrscheinlichkeitsrate des Todes durch Krebs nach einmaliger Bestrahlung ist proportional zu Dosis D und zur spontanen Krebstodrate B(u) = B(Alter) IONIR: Risikobetrachtungen 26 13

14 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Auswirkungen einer einmaligen Bestrahlung im Alter von 5 Jahren mit kleiner Dosis Attributive Sterbewahrscheinlichkeitsrate: dr/du = S(T,u)*dp/du S(T,u): Überlebenswahrscheinlichkeit im Alter u, modifiziert mit der Zunahme des Risikos einer Bestrahlung im Alter T ICRP-60 Abb. C-3 Lebenszeit-Sterbewahrscheinlichkeit: dp dr R = S(T, u) du = du du du T Annahmen: Latenzzeit Leukämie: 2 Jahre Latenzzeit anderer Krebsformen: 10 Jahre Plateau-Zeitdauer Leukämie: 40 Jahre Plateau-Zeitdauer andere Krebsformen: unendlich DDREF: 2 T IONIR: Risikobetrachtungen 27 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Auswirkungen einer einmaligen Bestrahlung im Alter von 35 Jahren mit kleiner Dosis Attributive Sterbewahrscheinlichkeitsrate: dr/du = S(T,u)*dp/du S(T,u): Überlebenswahrscheinlichkeit im Alter u, modifiziert mit der Zunahme des Risikos einer Bestrahlung im Alter T Lebenszeit-Sterbewahrscheinlichkeit: dp dr R = S(T, u) du = du du du T Unterschiedliche Risikobewertung der Expositionszeit T beider Modelle!! T IONIR: Risikobetrachtungen ICRP-60 Abb. C

15 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Gesamt- Sterblichkeitswahrscheinlichkeit R als Funktion des Expositionsalters. Das erhöhte Risiko wirkt sich erst viele Jahre später aus. ICRP-60 Abb. C-5 Stufen ergeben sich durch identische Risikofaktoren für jeweils eine Dekade, ab 40 Jahren keine Änderung der Risikofaktoren IONIR: Risikobetrachtungen 29 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Wie wirken sich Expositionen über das gesamte Berufsleben bzw. das gesamte Leben aus??? IONIR: Risikobetrachtungen 30 15

16 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Sterblichkeitsrate bei zusätzlichem Risiko Ionisierende Strahlung : Bestrahlung mit 50 msv/jahr vom Alter 18 bis 65 Jahre Zahlen von Hiroshima, Nagasaki,..zeigen, dass eher das Multiplikative Modell gilt. ICRP-60 Abb. C-8 Vergleiche Darstellung der Sterblichkeitsrate in verschiedenen Industrieländern!! IONIR: Risikobetrachtungen 31 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Folgerungen aus der Anwendung der verschiedenen Risikomodelle: Beispiel: beruflich Strahlenexponierter, gleichförmige Bestrahlung mit der angegebenen Dosis D vom 18. bis 65. Lebensjahr. Angegeben ist die durch die Bestrahlung verursachte zusätzliche Sterblichkeitsrate. Multiplikatives lik Modell liefert deutlich höheres Risiko!!!! ICRP-60 Abb. C-9 IONIR: Risikobetrachtungen 32 16

17 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Multiplikatives Modell ICRP-60 Tab. 5 IONIR: Risikobetrachtungen 33 Abschätzen der Risiken durch ionisierende Strahlung Folgerungen aus der Anwendung der verschiedenen Risikomodelle: Beispiel: Normale Bevölkerung, gleichförmige Bestrahlung mit der angegebenen Dosis D vom 0. Lebensjahr bis zum Lebensende. Angegeben ist die durch die Bestrahlung verursachte zusätzliche Sterblichkeitsrate. ICRP-60 Abb. C-5 IONIR: Risikobetrachtungen 34 17

18 Risikomodelle - Festlegung von Grenzwerten Welches jährliche Risiko ist akzeptabel?? 8% Lebenszeit-Sterberate für beruflich Exponierte erscheint zu hoch; mittlerer Verlust an Lebenserwartung von 1.1 Jahren erscheint zu hoch ICRU-Empfehlung 1977: Grenzwert am Risiko anderer Berufsgruppen festmachen : Sichere Tätigkeiten jährliches Risiko von 10-4, bei Untergruppen Risiko bis 10-3 Empfehlung ICRU 60: Dosisgrenzwert für beruflich strahlenexponierte Personen 20 msv/a IONIR: Risikobetrachtungen 35 Dosisgrenzwerte ionisierender Strahlung: 1. Allgemeine Bevölkerung (Effektive Dosis): 1 msv/a 2. Pränatal: 1 msv während Schwangerschaft 3. Beruflich strahlenexponierte Personen: Kategorie A Kategorie B Effektive Dosis 20 msv/a 6 msv/a Keimdrüsen, Gebärmutter, 50 msv/a 50 msv/a Knochenmark Gebärmutter (gebärfähige Frauen) 2 msv/monat 2 msv/monat Augenlinse 150 msv/a 45 msv/a Haut, Hände, Unterarme, Füße 500 msv/a 150 msv/a Lebensarbeitszeitdosis 400 msv 400 msv Gegenüber alter StrlSchV: Grenzwerte um Faktor 2.5 gesenkt! IONIR: Risikobetrachtungen 36 18

19 Strahlenschutz des Personals - Dosisgrenzwerte: Strahlenschutzbereiche nach RöV und StrlSchV: Umwelt: D < 1 msv/a Ableitung radioakt. Stoffe: D < 0.3 msv/a Überwachungsbereich: D > 1 msv/a Kontrollbereich: D>6 msv/a Kontrollbereiche sind abzugrenzen und zu kennzeichnen. Sperrbereich D > 3 msv/h Sperrbereiche sind zusätzlich abzusichern. Mobile Röntgengeräte?? IONIR: Risikobetrachtungen 37 Strahlenschutz des Personals: Strahlenschutzbereiche sind zu Kennzeichnen: RöV: Kontrollbereiche sind abzugrenzen und während der Einschaltzeit des Gerätes durch Kein Zutritt - Röntgen zu Kennzeichnen; StrlSchV - 36: Kontrollbereiche sind abzugrenzen und deutlich sichtbar und dauerhaft mit dem Warnzeichen und zusätzlich mit dem Zusatz KONTROLLBEREICH oder SPERRBEREICH - ZUTRITT VERBOTEN zu kennzeichnen. IONIR: Risikobetrachtungen 38 19

20 Strahlenschutz des Personals: Strahlenschutzbereiche: was ist noch zu beachten. Messung der Personendosis: 35RöV und 41 StrlSchV baulicher Strahlenschutz; RöV und/oder StrlSchV müssen am Ort der Tätigkeit jederzeit verfügbar sein: 35 StrlSchV und 18 RöV Unterweisung: 38 StrlSchV und 36 RöV; Ärztliche Untersuchung: 37 RöV und 60 StrlSchV Erstellen von Strahlenschutzanweisungen; IONIR: Risikobetrachtungen 39 Strahlenschutz des Personals: Begrenzung der Ableitung radioaktiver Stoffe (1) Für die Planung, die Errichtung, den Betrieb, die Stilllegung, den sicheren Einschluss und den Abbau von Anlagen oder Einrichtungen gelten folgende Grenzwerte der durch Ableitungen radioaktiver Stoffe mit Luft oder Wasser aus diesen Anlagen oder Einrichtungen jeweils bedingten Strahlenexposition von Einzelpersonen der Bevölkerung im Kalenderjahr: 1. Effektive Dosis 0,3 msv 2. Organdosis für Keimdrüsen,Gebärmutter, Knochenmark (rot) 0,3 msv 3. Organdosis für Dickdarm, Lunge, Magen, Blase, Brust, Leber, Speiseröhre,Schilddrüse, andere Organe oder Gewebe gemäß Anlage VI Teil C Nr. 2 Fußnote 1, soweit nicht unter Nr. 2 genannt. 4. Organdosis für Knochenoberfläche, Haut. Es ist dafür zu sorgen, dass radioaktive Stoffe nicht unkontrolliert in die Umwelt abgeleitet werden. 09mSv 0,9 1.8 msv IONIR: Risikobetrachtungen 40 20

21 Strahlenschutz des Personals: Strahlenschutzregister 2003 IONIR: Risikobetrachtungen 41 Strahlenschutz des Personals: Strahlenschutzregister 2003 IONIR: Risikobetrachtungen 42 21

22 Strahlenschutz des Personals: Strahlenschutzregister 2003 Zahl der exponierten Personen in 2003: ca von ca Überwachten IONIR: Risikobetrachtungen 43 Strahlenschutz des Personals: Strahlenschutzregister 2003 Zahl der exponierten Personen in 2003: ca von ca Überwachten IONIR: Risikobetrachtungen 44 22