Kurs 5. Semester Humanmedizin Strahlenphysik/Strahlenbiologie/Strahlentherapie

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1 Kurs 5. Semester Humanmedizin Strahlenphysik/Strahlenbiologie/Strahlentherapie T1. Physikalische Aspekte ionisierender Strahlung (Physikalische Grundlagen, Wechselwirkung zwischen ionisierender Strahlung und Materie, Erzeugung ionisierender Strahlung, Dosisbegriffe, Gerätekunde) T2. Molekulare und zelluläre Strahlenbiologie (Sekundärprozesse, Folgeeffekte, zelluläre Strahlenempfindlichkeit, Strahlenschäden) T3. Normalgewebe- und Tumor-Strahlenbiologie (Faktoren der Strahlenempfindlichkeit von Tumoren und Normalgeweben) T4. Medizinische und physikalische Bestrahlungsplanung (räumliche und zeitliche Dosisverteilung, therapeutische Breite, Patientendemo) T5. Strahlenrisiko / Strahlenschutz (Deterministische - / stochastische Effekte, akutes Strahlensyndrom, teratogenes, genetisches u. karzinogenes Risiko, Natürliche - / zivilisatorische Strahlenbelastung)

2 Kurs 5. Semester Humanmedizin Strahlenphysik/Strahlenbiologie/Strahlentherapie T1. Physikalische Aspekte ionisierender Strahlung Physikalische Grundlagen Wechselwirkungen ionisierender Strahlung mit Materie Dosisbegriffe Erzeugung ionisierender Strahlung Gerätekunde (Besichtigung von Bestrahlungsgeräten) ten)

3 Wirkungskette ionisierender Strahlung Ionisierende Strahlung Ionisation, Anregung Freie Radikale DNA-Schädigung Reparatur? Zeit Chromosomenaberrationen asymmetrische symmetrische Zelltod Mutation, Zelltransformation Gewebe-, Organ-, Organismus-Schäden Karzinogenese, Genetische Effekte Deterministische Effekte ("high dose effects") Stochastische Effekte ("low dose effects")

4 Physikalische Grundlagen

5 Ionisation Energiezufuhr freies Elektron z.b. durch Strahlungsteilchen (z.b. Alpha-, Beta-, Gamma-...)

6 Ionisierende Strahlung Ausbreitung von Wellen oder Teilchen im Raum Transport von Energie Unterteilung in Elektromagnetische Strahlung Licht, Handy, Mikrowelle., Röntgen-, Gammastrahlung Man kann sich die Strahlung aus einzelnen Energieportionen zusammengesetzt vorstellen Energieportionen heißen Photonen Teilchenstrahlung Photonen Elektronen Alphateilchen

7 Wechselwirkungen ionisierender Strahlung mit Materie

8 Teilchenstrahlung Alpha-Teilchen, positiv geladen Elektronen, negativ geladen Ionisiertes Atom Atom Da die Teilchen eine elektrische Ladung besitzen, können sie die Materie direkt ionisieren! Sie haben eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit mit der Materie zu kollidieren.

9 Photonenstrahlung Elektronen, negativ geladen Photonenstrahlung, elektrisch neutral Die Photonen besitzen keine elektrische Ladung. Sie haben eine wesentlich kleinere Wahrscheinlichkeit mit der Materie zu kollidieren. Erfolgt eine Kollision, so wird ein Elektron freigesetzt, was die Materie direkt ionisiert. Weil der Großteil der Ionisationen durch das Elektron geschieht, ist Photonenstrahlung indirekt ionisierend.

10 Photonenstrahlung Kann auf 3 verschiedene Arten mit Materie in Wechselwirkung treten Photoeffekt Comptoneffekt Paarbildung

11 Photoeffekt einfallendes Photon Photoelektron Ursache Wirkung

12 Comptoneffekt Streustrahlung (geringere Energie) einfallendes Photon Wirkung Ursache Comptonelektron

13 Paarbildung E = m*c 2 E el = m e *c 2 = 511 kev daher Energie > 1 MeV einfallendes Photon Elektron Ursache Positron Wirkung

14 Schwächung chung von Photonenstrahlung Photonen werden durch Photoeffekt, Comptoneffekt Paarbildung in Materie absorbiert. Halbwertsdicke Halbwertsdicke Je dicker die zu durchdringende Materie, desto mehr Photonen werden absorbiert. Aber: Die Energie der nicht absorbierten Primärphotonen bleibt unverändert!

15 Schwächung chung von Photonenstrahlung - Schwächungsgesetz chungsgesetz - I = I 0 e μd I 0 I 0 Intensität der Photonen an der Oberfläche des Körpers I Intensität der Photonen nach Durchdringen der Materialdicke d µ - Linearer Schwächungskoeffizient µ d I Der lineare Schwächungskoeffizient chungskoeffizient ist abhängig von: Der Energie der Strahlungsteilchen Der Dichte des Materials Der Ordnungszahl des Materials

16 Schwächung chung von Photonenstrahlung - Energieabhängigkeit ngigkeit - Rel. Intensität kev 50 kev 100 kev 661 kev 1331 kev 3000 kev Tiefe in mm Schwächung chung von Photonenstrahlung in Wasser: Je größ ößer die Energie desto geringer die Schwächung chung

17 Übersicht Teilchenstrahlung, Photonenstrahlung Teilchenstrahlung Teilchenstrahlung wird kontinuierlich in Materie gebremst Teilchen bleiben schlussendlich in der Materie stecken, wenn sie vollständig abgebremst sind Photonenstrahlung Wird entweder absorbiert oder nicht Wird daher nicht kontinuierlich abgebremst Nicht absorbierte Primärphotonen haben dieselbe Energie, wie vor der Passage durch die Materie Es wird die Anzahl der Primärphotonen reduziert

18 Durchdringungsvermögen gen von Strahlung Helium-Kerne (α) Papier (Radon!!!) 20 mm Plastik 2 mm Blei 300 mm Blei Elektronen (β) Vollständige Abbremsung! Photonen (γ, Röntgen, Energie < 150 kv) Photonen (γ, Röntgen, Energie ca. 10 MV) Schwächung auf etwa 1 Millionstel!

19 Schwächung chung von Strahlung - Abstandsquadrat-Gesetz - A 1 A 1 Q A 1 A 1 A 1 s 1 s=2s 2 1 N 2 = N 1 s s Gilt, wenn Abstand > 10*Quellengröß öße

20 Dosisbegriffe

21 Quantifizierung von Strahlenwirkung - Grundlage - Ziel: - Quantifizierung der Wirkung ionisierender Strahlung Entscheidender Faktor: - Auf Materie übertragene Energie Einfallende Strahlenenergie E Austretende Strahlenenergie E - de Volumen dv mit Masse dm auf Stoff übertragene Strahlenenergie

22 Quantifizierung von Strahlenwirkung - Energiedosis - Die Dosis D ist die im Volumenelement dv mit der Masse dm durch ionisierende Strahlung deponierte Energie de D = de dm Einheit: Gray (1 Gy = 1 J/kg)

23 Problem Quantifizierung von Strahlenwirkung - Ionisationsdichte und LET - 1 Gy Alphastrahlung hat eine wesentlich höhere biologische Wirksamkeit als 1 Gy Photonenstrahlung Warum Alphastrahlung hat eine höhere Ionisationsdichte als Photonenstrahlung Quantifizierung Linearer Energietransfer LET LET = pro Wegstrecke durch ionisierende Strahlung deponierte Energie [LET] = 1 kev/µm

24 Quantifizierung von Strahlenwirkung - Relative Biologische Wirksamkeit - Biologische Wirksamkeit ist umso größer, je dichter die Ionisationen erfolgen Relative Biologische Wirksamkeit RBW RBW = D (Gy) von 60 Co-Strahlung (Referenzstrahlung) D (Gy) der untersuchten Strahlung (bei gleichem biologischen Effekt) Berücksichtigung durch Qualitätsfaktor Q Strahlenart Qualitätsfaktor LET (kev/µm) hoher LET α-strahlen schnelle n niedriger LET Rö.-Strahlen 1 2,5 60 Co-Strahlung 1 0,3 e - -Strahlung 1 0,2

25 Organdosis H T Zur Berücksichtigung der biologischen Wirkung ionisierender Strahlung dient das Produkt aus der Energiedosis D mit einem dimensionslosen Strahlungswichtungsfaktor w R, der in Rechtsverordnungen festgelegt ist. Vereinfachte Festlegung der RBW H = w D, T R R T R Einheit: Sievert (1 Sv = 1 J/kg) D T,R w R Energiedosis durch die Strahlenart R am Organ/Gewebe T Strahlungswichtungsfaktoren berücksichtigen unterschiedliche radiobiologische Wirkungen verschiedener Strahlenarten und -energien

26 Strahlungs-Wichtungsfaktoren w R Strahlung Strahlungs-Wichtungsfaktor w R Photonen 1 Elektronen, Myonen 1 Neutronen E n < 10 kev 5 E n 10 kev bis 100 kev 10 E n > 100 kev bis 2 MeV 20 E n > 2 MeV bis 20 MeV 10 E n > 20 MeV 5 Protonen E p > 2 MeV 5 α-teilchen und schwere Teilchen 20

27 Effektive Dosis Problem: Strahlensensibilität einzelner Organe und Gewebe Eine homogene Bestrahlung des gesamten Körpers mit einer bestimmten Äquivalent-Dosis H ergibt z.b (irgendwelche) Neoplasienpro 1 Mio Menschen, wobei einzelne Organe unterschiedlich betroffensind. Lunge: 120 Brust: 50 Blase: 50 Leukämien: 120

28 Effektive Dosis E E = w H = w w D, T T T T T R R T R Einheit: Sv H T w T - Organdosis - Gewebewichtungsfaktoren berücksichtigen unterschiedliche Beiträge einzelner Organe und Gewebe zum gesamten stochastischen Strahlenrisiko Quantifizierung des Risikos sowohl bei homogener als auch bei inhomogener Bestrahlung des Körpers Basis für die Definition von Grenzwerten

29 Gewebe-Wichtungsfaktoren w T Organe oder Gewebe Keimdrüsen Rotes Knochenmark Dickdarm Lunge Magen Blase Brust Leber Speiseröhre Schilddrüse Hirn Speicheldrüsen Haut Knochenoberfläche Andere Gewebe/Organe Normierte Größe Gewebewichtungsfaktoren ICRP 26 ICRP 60 ICRP Σw T = Σw T = Σw T = 1

30 Erzeugung ionisierender Strahlung

31 Quellen ionisierender Strahlung für f r die therapeutische Anwendung Radioaktiven Strahlenquellen Radioaktiven Strahlenquellen (γ-emittierende Radionuklide wie 60 Co für die Teletherapie, 192 Ir und β-strahler wie 90 Sr, 106 Ru für die Brachytherapie)

32 Radioaktivität Weder physikalisch noch chemisch zu beeinflussende Eigenschaft von Atomkernen sich unter Emission von Strahlung spontan in einen anderen Kern umzuwandeln Ursache: ungünstiges nstiges Protonen zu Neutronen Verhältnis, ungünstige nstige energetische Situation, Kern ist zu groß

33 Zerfallsarten Alpha-Zerfall: Der Kern sendet 2 Protonen und 2 Neutronen aus Beta-Zerfall: Der Kern sendet ein Elektron oder ein Positron aus Gamma-Zerfall: Der Kern sendet ein Photon aus (elektromagnetische Welle) Alpha- Strahlung Beta- Strahlung Gamma- Strahlung

34 Zerfallsgesetz Die Kernumwandlungen unterliegen statistischen Gesetzen und lassen sich durch das sogenannte Zerfallsgesetz mathematisch beschreiben. A(t) ) = A 0 exp (- t τ) = A 0 exp( - ln2 t/t ½ ) τ - Zerfallskonstante T 1/2 - Halbwertszeit Aktivität 100 % Halbwertszeit 50 % 25 % 12,5 % Zeit

35 Aktivität Aktivität A beschreibt die Stärke einer Strahlenquelle Aktivität = Mittlere Anzahl der Zerfälle / s 1 Zerfall pro s entspricht 1 Bq (Bequerel)

36 Erzeugung ionisierender Strahlung Afterloading-Ger Gerät Stahlseil (Bowdenzug) Führungschlauch Strahler Quellenantrieb Quellencontainer (Abschirmbehälter) Prinzipieller Aufbau Moderne Ausführung

37 Quellen ionisierender Strahlung für f r die therapeutische Anwendung Röntgen-Anlagen Bei Auftreffen von schnellen Elektronen auf die Anode einer Röntgenröhre wird Röntgenstrahlung R emittiert Beschleunigungsspannung Ein Elektron, beschleunigt durch eine Potentialdifferenz von 1 Volt erhält eine kinetische Energie von 1 Elektronen-Volt (1 ev), demzufolge bei 100 kv eine Energie von 100 kev U H Kathode (Heizung) - Elektronen Vakuumgefäß Elektrisches Feld Bremsstrahlung + Target (Anode) Die maximale Energie der Röntgenstrahlung R ist gleich der Energie der Elektronen Der überwiegende Teil der kinetischen Energie der Elektronen wird dabei in Wärme umgewandelt

38 Erzeugung von RöntgenstrahlungR - Bremsstrahlung - Ein energiereiches Elektron wird durch elektrische Kräfte in den Atomhüllen abgebremst. Elektron (abgebremst) Röntgenphoton (Bremsstrahlung)

39 Erzeugung von RöntgenstrahlungR - Charakteristische Strahlung - Unbesetzter Platz wird mit einem Elektron aus einer höheren Schale aufgefüllt. Röntgenphoton Dabei wird Energie in Form elektromagnetischer Strahlung frei (Photon, Röntgenquant). Elektron unbesetzte Stelle

40 Erzeugung von RöntgenstrahlungR - Resultierendes Gesamtspektrum - Summe aus charakteristischer Röntgenstrahlung und Bremsstrahlung, Wolfram-Anode, 120 kv Anzahl der Photonen (relativ) Bremsstrahlung charakteristische Röntgenstrahlung Energie in kev

41 Erzeugung ionisierender Strahlung - Röntgentherapie-Gerät -

42 Physikalisches Grundproblem der Strahlentherapie Aufgrund der leichten Erzeugbarkeit und ihrer Eigenschaften dominieren heute noch die Photonenstrahlen Allerdings muss wegen der Energieabhängigkeit der Schwächung die Photonenenergie relativ hoch sein (mehrere MeV)

43 Quellen ionisierender Strahlung für f r die therapeutische Anwendung Prinzip der RöntgenrR ntgenröhre nur bis ca. 300 kv technisch realisierbar Elektronenbeschleuniger zur Erzeugung von ultraharter Bremsstrahlung mit Energien von 4 bis 25 MV und von Elektronen von 5 bis 25 MeV

44 Konformationstherapie Vielfelder-Techniken Multiple Einstrahlrichtungen Hohe Dosis im Schnittgebiet aller Strahlenfelder

45 Erzeugung ionisierender Strahlung Elektronenbeschleuniger mit Patiententisch Wave guide Stand Gantry Collimator head Primary radiation Rotational axis Treatment couch

46 Erzeugung ionisierender Strahlung Schematischer Aufbau eines Elektronenbeschleunigers electron gun accelerating structure (wave guide) electron track target bending magnet primary collimator rf dose chamber mirror flattening filter rf modulator secondary collimator bremsstrahlung photons

47 Erzeugung ionisierender Strahlung Multileaf-Kollimator (MLC) zur Feldausblendung [Siemens Werkfoto]