Einführung in den medizinischen Strahlenschutz

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1 Einführung in den medizinischen Strahlenschutz WS Oktober 2008 Priv.-Doz. Dr. Klaus Schäfers Priv.-Doz. Dr. Klaus Kopka Westfälische Wilhelms-Universität Münster Klinik für Nuklearmedizin European Institute of Molecular Imaging UKM

2 Lernziele Sie sollten am Ende dieses Kurses Strahlenarten und Begriffe kennen und unterscheiden können Anwendungsgebiete von Strahlung in der Medizin kennen Grundlegende Gesetzmäßigkeiten kennen (Halbwertszeitgesetz, Abstandsgesetz, ) Möglichkeiten des Strahlenschutzes kennen (Dosisbegriff, Maßnahmen, Gesetze)

3 Der Fall Litwinenko Tatort Pine Bar Der russische Ex-Spion Alexander Litwinenko ist offenbar in der Bar des Millenium Hotels in London vergiftet worden. Das haben Ermittlungen ergeben. 210 Po Fakten: Ehemaliger russischer KGB-Agent Kritiker des russischen Machtapparats 1. November 2006: Einlieferung in ein Londoner Krankenhaus Verdacht auf Thallium-Vergiftung Entdeckung von Polonium-210 im Urin 23. November 2006 verstorben

4 Der Fall Rasenwalze Rentner stößt auf strahlenden Schrott Radioaktive Gartenpflege Ein Rentner aus Gelsenkirchen demontierte ein altes Gartengerät - und entdeckte dabei radioaktives Material. Die Feuerwehr musste daraufhin zu einem Großeinsatz anrücken. 235 U "Ich war schon durch den Bleimantel durch, als dieses seltsame Metallstück zum Vorschein kam." "Als ich dann mit der Feile dran bin, gab es sofort einen Lichterbogen. Da war ich doch etwas beunruhigt."

5 Fakten Litwinenko: Polonium-210 Radioaktiv Halbwertszeit: 138 Tage Reiner Alpha-Strahler Schädigung des Knochenmarks (Immunsystem) Rentner: Uran-235 Radioaktiv Halbwertszeit: 700 Millionen Jahre Alpha-Strahler, weitere Zerfallsprodukte Schädigung der Niere (Trinkwasser) Welcher Gefahr hat sich der Mörder/Arzt ausgesetzt? Welcher Gefahr hat sich der Rentner ausgesetzt?

6 Strahlenschutz Frage: Wie schädlich ist Strahlung eigentlich?

7 Impulse Ein Experiment K Energie (kev)

8 Ein Experiment Impulse F 40 K Energie (kev)

9 Ein Experiment Impulse 208 Tl 212 Pb 210 Pb 214 Pb 214 Bi 40 K 208 Tl 208 Tl 214 Bi 214 Bi Energie (kev)

10 Radiumanwendungen bis 1932

11 Röntgenstrahlung 1895 Wilhelm C. Röntgen entdeckt die X Strahlen Experimente mit Kathodenstrahlen Nobelpreis der Physik (1901) Handaufnahme aus dem Jahr 1896

12 Die X-Strahlen Über eine neue Art von Strahlen von W.C. Röntgen 1. Lässt man durch eine Hittorfsche Vakuumröhre oder einen genügend evakuierten Lenardschen, Crookeschen oder ähnlichen Apparat die Entladungen eines größeren Rühmkorffs gehen und bedeckt die Röhre mit einem ziemlich eng anliegenden Mantel aus dünnem, schwarzem Karton, so sieht man in dem vollständig verdunkelten Zimmer einen in die Nähe des Apparates gebrachten, mit Bariumplatinzyanid angestrichenen Papierschirm bei jeder Entladung hell aufleuchten, fluoreszieren, gleichgültig ob die angestrichene oder die andere Seite des Schirmes dem Entladungsapparat zugewendet ist.

13 Die X-Strahlen 1. Veröffentlichung am

14 Prinzip der Tomographie - CT Röntgenquelle Konventionelles Röntgen Schnittbild Detektor

15 Radioaktivität 1896 A.-Henri Becquerel entdeckt Radioaktivität Entdeckung der Radioaktivität in Uranerz Spätere Aktivitätseinheit: Bq Nobelpreis der Physik 1903

16 Radioaktive Elemente 1898 Marie und Pierre Curie entdecken Polonium und Radium Frühere Aktivitätseinheit für Radioaktivität: Ci Nobelpreis der Physik 1903 (mit A.-H. Becquerel) M. Curie: Nobelpreis der Chemie 1911

17 Grundidee der Radioindikatoren 1923 Georg Karl von Hevesy: Verteilung von radioaktivem Blei 212 Pb in der Ackerbohne Radiotracer-Prinzip Nobelpreis der Chemie 1943

18 Prinzip der Tracer-Bildgebung Biologisches Zielmolekül Molekül + radioaktive Laterne = Radiotracer

19 Prinzip der Szintigraphie Quelle: Radioaktiver Zerfall Radioaktives Isotop 99 m 99 Tc Tc +γ Kollimator Detektor Myokardiale Perfusion Hirn- Perfusion

20 Kernphysikalische Grundlagen - PET β + -Zerfall Annihilation γ Positron (e + ) Elektron (e - ) Neutrino (ν) p n + e + + ν γ e + + e - 2 γ E γ = 511 kev Winkel = 180

21 Prinzip der PET Radioaktives Isotop Quelle: Radioaktiver Zerfall 18 F Gammastrahlung Koronales Schnittbild: Herzebene Detektor

22 Produktion des Radionuklids Rezeptur für die Radionuklidproduktion 18 O(p, n) 18 F [ 18 O]H 2 O [ 18 F]F - aq

23 Karlsruher Nuklidkarte Zyklotron-Nuklide Neutronen-arm Stabile Nuklide Energietal Protonenzahl P 11 C 13 N 15 O 18 F Reaktor-Nuklide Neutronen-reich Neutronenzahl N

24 Produktion des radioaktiven Isotops Herstellung des Radiotracers Markierter Traubenzucker 18 F- FDG [ 18 O]H 2 O 18 O(p, n) 18 F [ 18 F]F - aq Kryptofix [ 18 F]K(Kryptofix 2.2.2)F K 2 CO 3 Radiosynthese OAc OAc AcO AcO OTf O [ 18 F]K(Kryptofix 2.2.2)F, K 2 CO 3, CH 3 CN, OAc AcO AcO O 18 F OAc OH NaOH, H 2 O, HO HO O 18 F OH Qualitätskontrolle

25 Neue klinische Möglichkeiten m-[ 11 C]Hydroxyephedrin ([ 11 C]HED) Noradrenalin-Speicherung Bildgebung von Tumoren Sympathische Innervation des Herzens [ 11 C]Cholin Zellmembran-Einbau Bildgebung von Tumoren Metastasiertes Phäochromozytom Metastasiertes Prostatakarzinom [ 13 N]Ammoniak Intrazelluläre Aufnahme Bildgebung des Herzens Myokardperfusion

26 Radiopharmazeutische Chemie Der Reagenziensatz wird in das automatisierte Synthesemodul gefüllt.

27 Praktischer Strahlenschutz

28 Abstandsgesetz A,D A = Oberfläche D = Dosis A Kugel A T D T = 4π r D A D D T T T T 2 = D A AT = D A AT = 2 4π r D D T r 1 2

29 Strahlenschutz Frage: Wie schädlich ist Strahlung eigentlich?

30 Pause

31 Grundlagen Strahlung wirkt ionisierend Energieübertragung

32 Wechselwirkung mit Materie Ionisierung Photoeffekt γ Comptoneffekt

33 Wechselwirkung mit Materie Stoßionisation Ionisierung β -

34 Dosisbegiffe Energiedosis: 1 kg 1J D = = 1Gy 1kg

35 Effektive Dosis (Ganzkörper) Dosisbegriffe Einheit Sievert (Sv) Abhängig von: Energiedosis Strahlenart (α,β,γ,..) Empfindlichkeit des Organs

36 Grundlagen Energie kann von verschiedenen Strahlenarten auf das Gewebe übertragen werden: Elektromagnetische Wellenstrahlung Röntgenstrahlung Gammastrahlung Teilchenstrahlung Alpha, Beta

37 Spektrum Elektromagnetische Wellenstrahlung

38 Beispiel: Teilchen- vs. Gammastrahlung 131 I T 1/2 = 8 Tage β - Teilchenstrahlung γ γ γ 723 kev (2%) 667 kev (0.6 %) 637 kev (7 %) 364 kev (90 %) Therapie γ Gammastrahlung Bildgebung 131 Xe

39 Therapie vs. Bildgebung Äußere Bestrahlung Innere Bestrahlung Reichweiten: Alpha Beta weniger als 1 mm (cm in Luft) wenig Anwendung in der Medizin einige cm (m in Luft) Anwendung in der Therapie Gamma / Röntgen / Photonen hohes Durchdringungsvermögen Anwendung in der Therapie und Bildgebung

40 Therapie vs. Bildgebung Äußere Bestrahlung Arzt, Täter Alpha-Strahler: Po 210 Abschirmung durch äußere Hautschichten Nahezu keine effektive Dosis Innere Bestrahlung Alexander Litwinenko Alpha-Strahler: Po 210, 15 MBq, 0.1 µg Leberversagen, 40 Sv Knochenmark, 15 Sv, Todesursache nach 25 Tagen

41 Maßeinheit für Radioaktivität 1 Bq 1 kbq 1 MBq 1 GBq 1 Zerfall / Sekunde 10 3 Zerfälle / Sekunde 10 6 Zerfälle / Sekunde 10 9 Zerfälle / Sekunde 1 Ci = 37 GBq

42 Zerfallsgesetz Beispiel: Tritium ( 3 H) Physikalische Halbwertzeit: T 1/2 = 12,3 Jahre Einsatz in der Grundlagenforschung Anzahl radioaktiver Atome 100 % 50 % 25 % 12,5 % 3 H T T 0 e ln 2 t T 1 2 A λ = = A T 0 ln(2) 1/2 e λ t 0 12,3 24,6 36,9 49,2 Zeit (Jahre)

43 Radioaktivität vs. Substanzmenge A = A N = N 0 0 e e d N A = dt A = λ N N n = NA A n = λ NA λ t λ t [Bq] [ ] [mol] [mol] Aktivität Radioaktive Atome Definition: Aktivität Stoffmenge Stoffmenge vs. Aktivität

44 Radioaktivität vs. Substanzmenge n A = λ NA Beispiel: F-18-FDG Aktivität A = 370 MBq (s -1 ) Avogadro Konstante N A = mol -1 Halbwertszeit T 1/2 = 6600 s Zerfallskonstante λ = ln(2) / 6600s Stoffmenge n = mol Wägbare Menge m = n / M (M =181 g mol -1 ) 1 ng ( g) Substanz

45 Radioaktivität vs. Substanzmenge A = n λ NA Beispiel: Po-210 LD 50 Substanzmenge m = 1 µg Halbwertszeit T 1/2 = 138 Tage Zerfallskonstante λ = ln(2) / 138 Tage Atommasse Po M 210 g / mol Avogadro Konstante N A = mol -1 Stoffmenge n = m / M = mol Aktivität A = 167 MBq

46 Beispiel: Halbwertszeiten O-15 F-18 Tc-99m I-131 Co-60 Ra-226 Po Minuten 2 Stunden 6 Stunden 8 Tage 5,4 Jahre 1600 Jahre PET SPECT Strahlentherapie Nat. Strahlung 138 Tage (physikalisch) 50 Tage (biologisch)

47 Halbwertszeiten physikalische Halbwertszeit biologische Halbwertszeit Ausscheiden der Substanzen effektive Halbwertszeit phys. und biol. Halbwertszeit 1 T T eff eff 1 = T T = T phys phys phys + T + T 1 T biol biol biol Polonium-210: T eff = = 37Tage Tage

48 Strahlung - Wirkung stochastisch deterministisch Wirkung natürliche Strahlung Medizin Umwelt Strahlenkrankheit 1 Dosis [Sv]

49 Gesetzliche Grundlagen International UNSCEAR United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiations IAEA Internationale Atomenergie-Organisation WHO OECD Welt-Gesundheits-Organisation Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung ALARA ICRP - Prinzip ILO Internationale Strahlenschutzkommission Internationale Arbeitsorganisation National Europa As Low As Reasonably Achievable Europäische Kommission AtG Atomgesetz StrlSchV Strahlenschutzverordnung AMG Gesetz über den Verkehr mit Arzneimitteln RöV Röntgenverordnung GG Grundgesetz AMRadV Verordnung über radioaktive oder mit ionisierenden Strahlen behandelte Arzneimittel DIN Deutsche Industrienorm EURATOM Europäische Atomgemeinschaft (Richtlinien 96/26 und 97/43)

50 Strahlenschutz Wie schädlich ist Strahlung eigentlich? Es kommt darauf an... Dosis, Energie, Art, Abstand, Zeit,... Minimierungsgebot (ALARA) Internationale und nationale Gesetze

51 Ende Homepage der Nuklearmedizin Reiter Lehre