Radiologie Modul I. Teil 1 Grundlagen Röntgen

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1 Radiologie Modul I Teil 1 Grundlagen Röntgen

2 Teil 1 Inhalt physikalische Grundlagen Röntgen Strahlenbiologie ROENTGENTECHNIK STRAHLENPHYSIK GRUNDLAGEN RADIOLOGIE STRAHLENBIOLOGIE

3 Strahlenbiologie Inhalt zelluläre Strahlenbiologie Strahlenpathologie Risiko & effektive Dosis

4 Strahlenbiologie Lernziele Ereignisse zwischen Energieabsorption & Zellschaden aufzählen und erklären können durch Strahlung ausgelösste Pathologien kennen und ihren Schwellendosiswerten zuordnen können Strahlenrisiken abschätzen können

5 Zelluläre Strahlenbiologie Wirkungskette Energieabsorption Bildung von freien Radikalen (indirekte Wirkung) Schädigung der DNA

6 Zelluläre Strahlenbiologie Wasserradiolyse H 2 O H 2 O H 2 O + + H 2 O H 2 O + + e - aq OH + H OH + H 3 O + Spaltung oder Ionisation von Wasser Folgereaktionen: Radikalbildung OH + OH H 2 O 2

7 e aq H. + OH. H 2 O 2 DNS labiler Vormutationszustand Repair- Mechanismus Apoptose fixierte Mutation

8 Zelluläre Strahlenbiologie Chromosomenschäden Translokation Deletion Einzelstrangbrüche: relativ unbedeutend Doppelstrangbrüche: Zelltod, Mutationen, Kanzerogenese verschiedene Arten von Chromosomenaberrationen

9 Zelluläre Strahlenbiologie Chromosomenschäden a b a letale Schäden: Dizentrische Chromosomen, Ringe, etc b a) dizentrisches Chromosom b) azentrisches Fragment Aktivierung von Onkogenen: Deletionen, Translokationen

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11 Zelluläre Strahlenbiologie Linearer Energie-Transfer γ LET = pro Weglänge s absorbierte Energie E: α LET = E s abs

12 Zelluläre Strahlenbiologie Linearer Energie-Transfer γ α V Strahlenarten: Bei gleicher Energiedosis unterschiedliche Wirkung niedriger LET: γ-, Röntgenstrahlung hoher LET: α-strahlung V

13 Zelluläre Strahlenbiologie Relative Biol. Wirksamkeit

14 Zelluläre Strahlenbiologie Äquivalentdosis H = w R D Berücksichtigung des unterschiedlichen Spätschadenspotential von verschiedenen Strahlenarten: Wichtungsfaktor w R Einheit: Sievert [Sv]

15 Zelluläre Strahlenbiologie Sauerstoff-Effekt

16 Zelluläre Strahlenbiologie Dosis-Effekt-Kurven log(anzahl überlebender Zellen) D q Dosis Schulter: Quasi- Schwellendosis D q linearer Teil: Wahrscheinlichkeit des Zelltodes abhängig von Dosis und Anzahl vorhandener Zellen

17 S N = = N 0 e α D β D ln β = 0.1 Gy -1 S = α D β D 2 log(s) -2 β = 0.35 Gy -1 β = 0.2 Gy total dose D / Gy

18 Modell mit transienter Dosis Γ und Repopulation 0 dn dt = ( α + 2 βγ ) R N + k N logs -4-8 b d c a Dose D / Gy

19 Zelluläre Strahlenbiologie Zellzyklus log(anzahl überlebender Zellen) c b Dosis a a: späte Synthesephase b: frühe Synthesephase c: Mitosephase

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21 Erbkrankeiten mit erhöhter Empfindlichkeit gegenüber DNA-schädigenden Noxen (teilweise verminderte Repair-Fähigkeit) Xeroderma pigmentosum (rezessiv-autosomal vererbt) Klinik: Sonnenlicht-Überempfindlichkeit Hauttumore, etc. Bloom Syndrom (rezessiv-autosomal vererbt) Klinik: Sonnenlicht-Überempfindlichkeit proportionierter Kleinwuchs, etc.

22 Zelluläre Strahlenbiologie Reaktion der Zelle mögliche Reaktionen einer Zelle auf Bestrahlung sind: Apoptose Reparatur Mutation

23 Strahlenbiologie Inhalt zelluläre Strahlenbiologie Strahlenpathologie

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25 Strahlenpathologie Frühschäden biologischer Schaden Schwellendosis Dosis deterministisch Schwellendosis Latenzzeit von Stunden (early effects) bis wenige Jahre (late effects)

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27 Strahlenpathologie Schwellendosis biologischer Schaden Schwellendosis 0.1 Gy: Chromosomenaberrationen im bestrahlten Gewebe 0.5 Gy: Reaktion des blutbildenden Systems Dosis 1 Gy auf ganzen Körper: Strahlensyndrom

28 Strahlenpathologie Blutbildendes System Lymphozyten (%) Gy > 5-6 Gy Depression der Lymphozyten innert 3-4 Tagen je höher die Dosis, desto tiefer die Depression Zeit nach Bestrahlung (Tage) Erholung nach ca. 180 d, falls Dosis < 5-6 Gy

29 Strahlenpathologie Blutbildendes System 100 Neutrophile (%) 1-2 Gy > 5-6 Gy Zeit nach Bestrahlung (Tage) Reaktion der Neutrophilen analog zu Lymphozyten, aber: initialer Anstieg Entzündungsreaktionen, Entleerung der Speicher

30 Strahlenpathologie Hautreaktionen Schwellendosis für Erythem beim Menschen: ca. 3-4 Gy permanente Epilation oberhalb ca. 7 Gy (bei einmaliger Applikation) Dosis > 10 Gy (Einzeldosis): schmerzhafte Strahlenverbrennungen

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35 Strahlenpathologie Schleimhäute Enanthem oberhalb ca. 3-4 Gy Ulzerationen Geschmacksverlust

36 Strahlenpathologie Augenschäden Trübung der Linse (Strahlenkatarakt) oberhalb 2-3 Gy mit langer Latenzzeit Retinopathien Konjunktivitis

37 Strahlenpathologie Herz & Gefässe Schädigung der Herzkranzgefässe & Myokardfibrosen bei sehr hohen Dosen Störung der Blutversorgung durch Gefässschäden

38 Strahlenpathologie Hirn & Nerven relativ strahlenunsensibel a b Petechien problematisch bei Strahlentherapie: Hohe Dosen auf Myelon, Hirnstamm oder generell auf grossen Volumen Strahlenwirkung auf Blutgefässe sehr wichtig

39 Strahlenpathologie Strahlensyndrom 1-6 Gy: hämatopoetische Form 6-20 Gy: gastro-intestinale Form > 20 Gy: zerebrale Form

40 1-6 Gy: hämatologische Form Prodromalphase (Dauer h): Übelkeit (Nausea), Erbrechen, Salivation Latenzzeit (Dauer 2-3 Wochen): Manifeste Erkrankung (Dauer 2-4 Wochen): Fieber, Schwäche, Infektionen Blutungsneigung Radiodermatitis, Epilation Schleimhautdefekte (Ulzerationen)

41 6-20 Gy: gastro-intestinale Form Prodromalphase (Dauer h): Übelkeit (Nausea), Erbrechen, Salivation Latenzzeit (Dauer 3-5 Tage): Manifeste Erkrankung massiver Durchfall (Diarrhoe) Fieber, Schwäche, Infektionen (Darmbakterien!!!) Blutungsneigung Radiodermatitis, Epilation Schleimhautdefekte (Ulzerationen)

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43 Strahlenpathologie Semiletaldosis 2.5 Gy 3-5 Gy Escherichia Coli B 140 Gy Streptococcus faecalis 390 Gy Tabak-Mosaik-Virus 2000 Gy 5.4 Gy 200 Gy 8 Gy LD 50/60 15 Gy 150 Gy 1000 Gy

44 Strahlenpathologie Tag 1-9 Pränatale Bestrahlung Präimplantations- Phase ab 50 mgy Todesfälle bei Mausembryo Reaktion auf Bestrahlung: Tod oder normale Entwicklung

45 Tag 9-28 Organogenese Abfaltung des Keimblattes Reaktion auf Bestrahlung: Entwicklungs- Störungen des zentralen Nervensystems Missbildungen aller Art Schwellen-Dosis 50 mgy Risiko: 50% bei 1 Gy

46 Tag Organogenese Embryonales Wachstum Reaktion auf Bestrahlung: Entwicklungs- Störungen des zentralen Nervensystems Missbildungen Mit zunehmendem Alter starke Abnahme der Sterblichkeit Schwellen-Dosis 50 mgy Risiko: 50% bei 1 Gy

47 Tag 48 Organogenese Embryonales Wachstum Fetogenese 61 drastische Abnahmen der Missbildungsrisiko Ausnahme: geistige Retardierung ca. 30 IQ-Punkte / Gy

48 Strahlenpathologie Pränatale Bestrahlung Missbildungen von praktisch allen Organsystemen möglich geistige Retardierung erhöhtes Krebsrisiko

49 Strahlenbiologie Inhalt zelluläre Strahlenbiologie Strahlenpathologie Risiko & effektive Dosis

50 Risiko & effektive Dosis Stochastische Schäden Krebsrisiko genetische Schäden

51 Tumor-Genese Tumor-Induktion Tumor-Progression Wachstum und ev. weitere Differenzierung (Subklon- Bildung) Metastasierung

52 Risiko & effektive Dosis Latenzzeit lange Latenzzeit für stochastische Schäden Spätschäden Leukämien: 5-8 Jahre solide Tumoren: bis zu 25 Jahre (beim Menschen)

53 Risiko & effektive Dosis Dosis-Effekt-Beziehung Risiko b a Dosis für stochastische Schäden linear bei niedriger Dosisleistung bei hohen Dosisleistungen Verdoppelung des Risikos a) protrahierte Exposition b) Dosis in einmaliger Exposition appliziert

54 Risiko & effektive Dosis Effektive Dosis E E = T w H T T Gewichtung der Organdosen H T mit deren Strahlensensibilität bezüglich Spätschäden Mittelung über den ganzen Körper Einheit: auch Sievert [Sv]

55 Risiko & effektive Dosis effektive Dosis E Organ bzw. Gewebe w T Gonaden K nochenm ark Dickdarm Lunge Magen Brust Leber S childdrüse Haut

56 Risiko & effektive Dosis Risiko b a Dosis a) protrahierte Exposition b) Dosis in einmaliger Exposition appliziert Risiko (+) 4% / Sv Krebsmortalität für arbeitende Bevölkerung (+) 5% / Sv Krebsmortalität für Gesamt-Bevölkerung (+) 1 % / Sv genetische Defekte (Gesamtbevölkerung) bzw. 0.6 % (arbeitende Bevölkerung) bei hohen Dosisleistungen Verdoppelung des Risikos!

57 Risiko & effektive Dosis Detriment nach ICRP Risiko b a (+) 1-1.5% / Sv Inzidenz für nichttödliche Tumore Detriment (+) 7.3 % / Sv Dosis a) protrahierte Exposition b) Dosis in einmaliger Exposition appliziert

58 Risiko & effektive Dosis niedrige Dosen Risiko?? 50 msv effektive Dosis E unterhalb von ca mgy keine zuverlässigen Daten Annahme im Strahlenschutz: linearer Zusammenhang

59 Risiko & effektive Dosis Konsequenzen Optimierung im Strahlenschutz: A LARA As Low As Reasonably Achievable Dosis so tief wie möglich halten

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