Dosimetrie der ionisierenden Strahlungen

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1 Dosimetrie der ionisierenden Strahlungen Teilchenstrahlungen α, β -, β + n EMS γ, X 1 Physikalische Strahlendosimetrie: sie soll in den n an einer vorliegenden Stelle die absorbierte Energie bestimmen Entdeckung (Röntgenstrahlung, Radioaktivität usw.) Anwendung (Vorteile, positive Wirkungen) Dosimetrie (schädliche Folgen) Aus dem Aspekt der biologischen Wirkung ist die Kenntnis der absorbierten Energie zwar von elementarer Bedeutung, aber nicht ausreichend. Biologische Strahlendosimetrie: sie soll auf eine erlittene von unbekannter Größe anhand von gut meßbaren, statistisch auswertbaren biologischen Änderungen geschlossen werden. Das Abschätzen des Ausmasses der schädlichen Wirkung ist die Aufgabe der Dosimetrie, in erster Linie zur Prophyilaxe. 3 4

2 Der Mechanismus der Strahlenwirkung Primäre Prozesse Primärschäden des Makromoleküls (DNS) 1 3 Schädigung des Makromoleküls (DNS) Bildung aktiver Wasserradikale (z.b.: HO. ) Bildung von Mutationen Störungen der biochem. Mechanismen Sekundäre Prozesse morphologische Veränderungen Zelltod 5 Absterben des Organismus 6 Strahlenwirkung reversibel irreversibel 34 nm Ionisierende Strahlung UV-Strahlung Chemikalien Dimerisation Reparatur-Mechanismen Strahlenverletzung, Strahlenkrankheit akut chronisch nm Einzelstrangbruch Doppelstrangbruch Basisverlust Basisaustausch der erlittenen Strahlenbelastung Biologische Wirkung der Strahlung (Strahlenschäden) Stochastische Wirkung Deterministische Wirkung 7 8

3 Stochastische Wirkung auf Molekül- oder Zellebene jeder Strahlenschädigung Deterministische Wirkung Wahrscheinlichkeit der Schädigung z.b.: Entstehung von bösartigen Geschwülsten (Krebs) Erhöhung der erhöht nur die Wahrscheinlichkeit der Geschwulstentstehung, aber nicht den Schweregrad der Krankheit. Es gibt keine Schwellendosis 100% Wahrscheinlichkeit der Schädigung Schwellendosis z.b.: Strahlenschädigung des roten Knochenmarks, Abnahme der Leukozyten, Erythem Erhöhung der erhöht den Grad der Schädigung 9 10 Wahrscheinlichkeit der Schädigung Schweregrad A. Energiedosis begriffe 100 % 50 % Schweregrad Empfindlichkeit E 1 > E > E 3 Schwere Veränderung (zb. nekrosis) mittlere Veränderung leichte Veränderung (zb. Erythema) pathologischen Veränderung Schwelledosis absorbierte Strahlungsenergie Energiedos is Masse E E J D m ρ V kg [ D] Gy (Gray) Gültigkeit: für sämtliche Strahlungen keine Beschränkung auf Energie oder Materie D 1 D D 3 Louis Harold Gray (* 10. November 1905 in London, 9. Juli 1965 in Northwood) war ein britischer Physiker und Radiologe sowie Begründer der Radiobiologie. Schwelledosis der pathologischen Veränderung 11 1

4 Strahlenbelastung und niveaus letale (LD): Diejenige, die innerhalb 30 Tagen beim 100 % der bestrahlten Personen zum Tod führt: D > 6 Gy bei Ganzkörperbestrahlung B. Ionendosis elektrische Ionendosis Ladung eines Vorzeichens masse halbletale (LD 50 ): Diejenige, die innerhalb 30 Tagen beim 50 % der bestrahlten Personen zum Tod führt: D > 3-4 Gy bei Ganzkörperbestrahlung X Q m Q ρ V [ X ] C kg Gebräuchliche Dosen in der Medizin bei normaler Fraktionierung 5 x Gy/Woche Strahlensensible Tumoren 0-40 Gy Mittelmäßig empfindliche Gy Tumoren Strahlenresistente über 60 Gy Tumoren 13 Gültigkeit: für Röntgen und Gamma-Strahlung in bis ~ 3 MeV beim Elektronengleichgewicht 14 Das Elektronengleichgewicht Elektronengleichgewicht: die Zahl der aus dem Volumen V austretenden Elektronen mit der Zahl der eintretenden Elektronen übereinstimmt Kammerwand luftgefüllter Hohlraum luftgefüllter Hohlraum (V) Die Kammerwand hat aus Sicht der Ionisation ähnliche Eigenschaften wie die ausreichend dick, deshalb gelangen die in den n entstandenen Elektronen nicht in die Kammer Kammerwand Primärelektron Sekundärelektronen Jede Substanz, die ähnlich wie absorbiert und streut, ist als luftäquivalent bezeichnet. Sekundärelektronen werden gemessen; sie tragen hauptsächlich zur Ionendosis bei

5 Zusammenhang zwischen Ionendosis (X) und der Energiedosis (D) in einem Bezeichne f 0 die mittlere Energie zur Erzeugung eines Ionenpaares in (~34 ev) f o : Energie/Ionenpaare X Ionenpaare/Masse f 0 34 J/C D f o X D absorbierte Energie/Masse X ist in gemessen Wie kann man aus der in die im errechnen? 17 Beim Elektronengleichgewicht ist die Menge der Sekundärelektronen proportional zur Absorption der Photonen, welche mit dem Massenschwächungskoeffizient des Absorbents verbunden ist. τ m (cm /g) Wellenlänge ( pm) Wasser Photonenenergie ( kev) D D D D D fo X 18 C. Äquivalentdosis Zielsetzung: Charakterisierung der biologischen Wirkung einer Bestrahlung am Organ-Niveau H T : Äquivalentdosis H T wr DT, R Ideen: a.) die Wirkungen es handelt sich jetzt um hauptsächlich biologische Wirkungen hängen wegen der unterschiedlichen Ionisationsfähigkeiten von der Strahlungsart ab. b.) Bei Bestrahlungen ist die im Körper nicht homogen verteilt: auf die Organe wirkt unterschiedliche ein. Sei: D T,R : Energiedosis der untersuchten Strahlung (R) in einem Organ (T) 19 Der Strahlungswichtungsfaktor drückt aus, um wieviel die Wirksamkeit der gegebenen Strahlung bei der Auslösung der stochastischen Wirkung größer ist, als die der X bzw. γ-strahlung. 0

6 ICRP Publ. 103: The 007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection Strahlungsart Strahlungswichtungsfaktor W R Photonen, alle Energien 1 Elektronen, Myonen, alle Energien 1 Protonen und geladene Pionen Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Ionen Neutronen 0 Eine kontinuierliche Funktion der Neutronenenergie Wenn unterschiedliche Strahlungsarten gleichzeitig wirken, ist die Äquivalentdosis: w H T R DT, R R [ H T ] Sv (Sievert) Rolf Maximilian Sievert (* 6. Mai 1896 in Stockholm; 3. Oktober 1966 in Stockholm) war ein schwedischer Physiker, der sich um die Einführung und die Weiterentwicklung des Strahlenschutzes verdient gemacht hat. Nach ihm wurde die Maßeinheit der Äquivalentdosis Sievert (Einheitenzeichen: Sv) benannt. 1 Sv ist diejenige einer ionisierenden Strahlung, die einen biologischen Effekt desselbes Maßes wie eine Röntgen oder Gamma-Strahlung mit einer Energiedosis von 1 Gy verursacht. 1 D. Effektivdosis Idee: Organe sind unterschiedlich empfindlich Die körpergewebeabhängige Wichtungsfaktoren Organ/ Wichtungsfaktor w T Gonaden 0.0 rotes Knochenmark 0.1 Lunge 0.1 Magen 0.1 Brust 0.05 Schilddrüse 0.05 Leber 0.05 Blase 0.05 Knochenoberfläche 0.01 Haut 0.01 Übrige 0. Summe 1.00 W T drückt die Wahrscheinlichkeit der relativen stochastischen Schädigung des bestrahlten s oder Organs T aus E w T H T T [ E ] Sv (Sievert) 3 ICRP Publ. 103: The 007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection wichtungsfaktorw Σ w T T Knochenmark (rot), Dickdar Lunge, Magen, Brust, Restgewebe * 0,1 0,7 Gonaden 0,08 0,08 Blase, Speiseröhre, Leber, Schilddrüse 0,04 0,16 Knochenoberfläche, Gehirn, Speicheldrüsen, Haut 0,01 0,04 * Restgewebe: Nebennieren, extrathorakalen(et) Region, Gallenblase, Herz, Nieren, Lymphknoten, Muskel, Mundschleimhaut, Bauchspeicheldrüse, Prostata ( ), Dünndar Milz, Thymus, Uterus/ Zervix( ) Gesamt 1,00 4

7 leistung (rate): P D D t Für punktförmige γ-strahlungsquellen in : A r [ ] P D Kγ D K γ Gy Quelle m K γ GBq h 60 Co I Cs 80 mgy Gy P D, h h A t r Siehe Praktikum: Dosimetrie Strahlungsdetektor Dosimeter 1.) Strahlungsdetektor: Nachweis der Strahlungen.) Dosimeter: Messung der Strahlendosis Messsignal f(strahlendosis) Bedeutung: Strahlenschutz 5 6 Thermolumineszenzdosimeter Am häufigsten angewandten TL Kristalle: LiF(Mg,Ti); CaF (Dy); CaF (Mn); CaSO 4 (Dy); Li B 4 O 7 (Mn) 0 Leitungsband Metastabiles Niveau Grundzustand Rekombinations Niveaus LiF (Verbotene Zone ~ 14 ev; λ ~ 88 nm) Valenzband 7 E m LB : ~30-~60 mev 8

8 Gleich nach der Bestrahlung 0 Leitungsband Thermolumineszenz metastabiler Zustand 0 rekombinations Niveaus Valenzband Aktivierungsenergien verschiedene Wellenlänge/Energie (zb.lif(mg): UV : 5,4, 4,4 und 3,57 ev UV: 8, 80, 347 nm; VIS: 3,07,,65 und, ev VIS: 403, 467, 557 nm 9 UD80AT [UD807ATN] 4 Filter/ 4 TL-Detektor: 14 mg/cm Kunststoff/ LiB4O7:Cu (β,γ) 160 mg/cm Kunststoff / / LiB4O7:Cu (β,γ) 160 mg/cm Kunststoff / CaSO4:Tm (β,γ) 700 mg/cm Blei/ CaSO4:Tm (γ) Eγ 10 kev 10 MeV Messbereich 10 Sv 10 Sv Nachweisgrenze 1,6 Sv (Cs-137) Kalibrierung 1 5 msv Nutzungsdauer > 1000 (7000) Auswertung Fading 5% / Jahr UD-710 TLD Reader mit UD-734a Autoloader

9 Strahlenschutz ICRP International Commission on Radiological Protection Vorteile: kleines Detektorvolumen: ~ mm 3 gute räumliche Auflösung; Strahlentherapie: Messung in vivo ( in dem Patient ); Grundprinzipien: a. Rechtfertigung einer Tätigkeit b. Optimierung des Schutzes c. Individuelle beschränkung Messbereich: ~ Gy; Auswertung getrennt von dem Bestrahlungsort ad. a.: Der zu erwartende medizinische Nutzen > das Risiko von Schädigung ad. b.: Kosten des Strahlenschutzes Gesundheitsrisiko ALARA-Prinzip ALARA-Prinzip (As Low As Reasonable Achievable) ad.c. Individuelle beschränkung Kosten Strahlendosis Y: Behandlungs-, sozialen und anderen Kosten der Gesundheitsschäden X: Kosten für die Prophylaxe, den Strahlenschutz und die Minderung der umweltbelastenden ALARA-Prinzip: Die soll während einer gegebenen strahlenexponierten Tätigkeit so gering sein, wie es sich vernünftig verwirklichen lässt. Dabei ist auch die wirtschaftliche und soziale Lage des betreffenden Landes zu berücksichtigen. 35 Zielsetzung: Personen und ihre Nachkommen darf nicht einer Strahlenbelastung mit indiskutabler Wahrscheinlichkeit von Schädigungen ausgesetzt werden Effective Äquivalentdosis (Augenlinse) Extremitäten /Haut Berufliche Strahlenexposition (msv/jahr) Bevölkerung (msv/jahr) 0* *Im Durchschnitt von 5 Jahren, aber max. 50 msv/jahr Unter deterministischen Schwellendosis bleiben Das Risiko der stochastischen Schäden durch die berufliche Belastung < das allgemeine Risiko von Berufsunfällen (10-4 Todesfälle/Jahr), (in der Bevölkerung 10-5 Todesfälle/Jahr) 36