Modell des Atomkerns (Tröpfchenmodell) Nukleonen: Teilchen des Atomkerns = Protonen+Neutronen = Massezahl A

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1 Zusammenfassung Srahlenphysik Physikalische Grundlagen (Radioakiver Zerfall, Eigenschafen der Srahlung, Wechselwirkungsmechanismen, Zerfallsgesez) Messgrößen (Akiviä, Energiedosis, Äquivalendosis, effekive Dosis) Messechnik und Bildgebung (Sonden, Szinilaionsprinzip, Gammakameras, Tomographie) Srahlenschuz (Personendosimerie, Bereiche) Beispielaufgaben (Zerfallsgesez, Upake) Modell des Aomkerns (Tröpfchenmodell) Nukleonen: Teilchen des Aomkerns = Proonen+Neuronen = Massezahl A Ordnungszahl Z = Proonen im Kern Isoope eines Elemens haben gleiche Proonenzahl, aber verschiedene Neuronenzahl im Kern Es gib ewa 5 sabile Aomkerne und über insabile Aomkerne Aomkern Neuronen + Proonen en- Hülle Was is Radioakiviä? Eigenschaf energeisch insabiler Aomkerne, sich sponan umzuwandeln: Radionuklid ca. 5 naürliche und wei über künsliche Nuklide Was sind Isoope? Isoope eines Elemens haben gleiche Ordnungszahl (Proonen), aber verschiedene Massenzahlen (Proonen+Neuronen) Maßeinhei der Radioakiviä: Akiviä: Umwandlungen pro Sekunde = Becquerel (Bq) Ale Einhei Curie (Ci): Ci = 37 GBq (Giga-Bequerel) Halbwerszei () Zei, in der sich die Hälfe der Kerne umwandel Nach is nur noch,% der Ausgangsakiviä vorhanden Aren radioakiver Kernsrahlung Alpha-Srahlen Heliumkerne Bea-Srahlen en Posironen Gamma-Srahlen Quanen, Foonen 4 He Ra Rn Cs 55 e - ( Posiron) m Gamma-Quan Energie der Srahlung: ½ m He v² ½ m e v² Geschwindigkei h ν Masse Frequenz Energieeinheien Mechanische Energie: Nm = g m hochheben Elekrische Energie: Ws = Srom von A flies s durch einen Verbraucher (z.b. Widersand) Wärmeenergie: J = g Wasser von C auf,24 C erwärmen envol: Energie die ein aufnimm, wenn wenn es mi einer Spannung von V beschleunig wird Umrechnung: ev =,62-9 J J = 6,242 8 ev = 6,242 2 MeV Übersich: Radioakive Srahlung Heliumkerne Nuklid α ß + Posironen en ß - Foonen Quanen γ Teilchensrahlung Elekromagn. S. Energie Wechselwirkung QF Diskree um 5 MeV Koninuierliche bis,5 MeV Diskree,3 7 MeV Ionisierung Ionisierung Sreuung Bremssrahlung Fooeffek Componeffek Paarbildung 2 Sponane, nich vorhersagbare Kernumwandlung durch Abgabe von Teilchen (α- β-teilchen) Aussenden von Foonen (γ-srahlung) Nur Wahrscheinlichkeis- Aussagen Saisik

2 Eigenschafen von radioakiven Nukliden der Nuklearmedizin Alpha-Srahler ß - en Bea-Srahler ß + Posironen Gamma-Srahler Einsazgebiee Therapie Therapie Diagnosik Diagnosik 223 Ra : d α: 6,9 MeV Typische Nuklide 3 I : 8 d ß - : 66 kev γ: 364 kev 8 F : m ß + : 633 kev γ: 5 kev Gamma-Komponenen bzw. sekundäre Gamma-Quanen sind wichig für die Akiviäsmessungen und bildgebende Verfahren (Konrollunersuchungen) 99m Tc : 6 h γ: 4 kev Anzahl radioakiver Aome (%) ,5 6,25 Halbwerszei () MBq ,5 6,25 Sar A = A e -λ Zei Zerfallsgesez der Akiviä λ: Zerfallskonsane Beispiele für physikalische : 3 I 8 Tage 99m Tc 6 Sunden 8 F 9 min effekive T /2 eff = T /2 biol * T /2 phys T /2 biol + T /2 phys Zerfallsberechnungen A = A e λ % % , Normale Darsellung, beide Achsen linear = A e größere Kleinere Halblogarihmische Dars., X-Achsen linear Y-Achse logarihmisch (ln) A A e Umsellung nach : = beidseiig log arihmieren! A ln 2 ln( ) = A Berechnung der Exponenialfunkion mi dem Taschenrechner alles klar? ln2 Jez leich nach umsellbar! A Anwendung des Zerfallsgesezes Aufgabe: Ein Abfallbehäler mi I-3-Abfällen muss vor seiner Freigabe zur Ensorgung so wei abklingen, dass die spezifische Oberflächenakiviä einen Grenzwer von 5 Bq/cm² unerschrien ha. Zum Zeipunk der Einlagerung wurde eine maximale Oberflächenakiviä von 5 kbq/cm² gemessen. Frage: A) Wie viele und/ wie viele Tage muss dieser Abfallbehäler im Abklingraum eingelager werden, bis er zur Ensorgung freigegeben werden kann? B B) Welche Oberflächenakiviä wird nach Mona (3 Tage) zu messen sein? = -ln(a /A ) * / 8 Tage Nach Mona: 37 Bq/m² Wechselwirkung von α- und β-srahlen Ionisaion Srahlung gib kineische Energie an Hüllenelekronen ab, so dass diese vom Aom gelös werden α-srahlen: diche Ionisaion längs der Bahn Sarke Wirkung auf umgebende Maerie kurze Reichweie Aber auch: der Hüllenelekronen und daraus folgend Abgabe eines Foons β-srahlen: lose Ionisaion längs der Bahn geringere Wirkung auf umgebende Maerie längere Reichweie Aber auch, Sreuung und Erzeugung von Bremssrahlung Wechselwirkung von Gamma-Srahlung Fooeffek Foo- Gesreues Foon mi niedrigerer Energie Componeffek Compon-... Posiron 2x5 kev genau in engegen geseze Richung Paarbildung Bremssrahlung Hüllenelekronen werden in höhere Schale gehoben. Beim zurückspringen auf innere Schale wird elekromagn. Srahlung frei Abbremsung der Teilchen im Kernfeld erzeug Röngensrahlung Wechselwirkung mi Hüllenelekronen Fühl sich wohl bei niedrigen und hohen Ordnungszahlen Sind Energie und Ordnungszahl ziemlich egal Wechselwirkung mi Aomkern Brauch >,2 MeV und lieb hohe Ordnungszahlen 2

3 Reichweie radioakiver Srahlung Achung! Je nach Maerial enseh unerschiedliche sekundäre Gamma- Srahlung Grundbegriffe und ihr Zusammenhang Akiviä Bei sponanen Kernumwandlungen wird Energie frei Srahlung Freigeseze Energie wird ransporier Dosis Transporiere Energie wird in Maerie überragen Als Quan/Foon: Röngen-, γ-srahlung Als Teilchen: α-, β-srahlung Energieumwandlung in Gasen, Flüssigkeien und Feskörpern durch Ionisaion, Sreuung, Absorpion Biologische Srahlenwirkung Überragene Energie veränder Zellen Keimzellen : Körperzellen : Sochas. Wirkung: Deermin. Wirkung: Srahlenschaden Verändere Körperzellen schädigen Organismus sofor (aku) und verzöger (laen) Srahlenrisiko geneische Schäden somaische Schäden Schäden werden mi höherer Dosis häufiger Wahrscheinlichkeisaussagen Keimzellen, Krebsauslösung von Dosis abhängig Srahlenrisiko seig Dosis: Ar, Messgrößen, Einheien Überragene Energie pro Masseneinhei: aber: Durch welche An welches Srahlenar? Maerial? beliebig Bewerung der biologischen Wirkung einer Srahlenar durch Fakor WR Besrahlung von innen Einzelorgane: Bewerung der Srahlenempfindlichkei eines Organs durch Fakor WT lebendes Gewebe von außen Körper: Bewerungsfakor WT = : Ganzkörper Joule/kg [J/kg] Energie-Dosis D J/kg = Gray [Gy] Äquivalen-Dosis D*WR = Siever [Sv] W R = für X, γ und β = 2 für α W T =,3 für Schilddrüse Effekiv-Dosis D*WR*ΣWT = Siever Akiviäs- Dosisleisungsmessung: Ionisaionskammer Gasfüllung dünnwandiges Fenser mi Schuzgier Auswereelekronik mi Anzeige und Warnung Schale auomaisch um, wenn Sonde gewechsel wird Ion Konaminaionssonde LB23 Elekroden, dazwischen Hochspannung Gamma- Quanen ß-Teilchen 24 IPS Dosisleisungssonde LB 236 Szinillaionszähler: Energieabhängige Zählung γ-quanen Sekundär-en-Vervielfacher (SEV) Gamma-Kamera: Aufbau und Funkion ik Sekundär- en- Vervielfacher Szinillaionskrisall (NaJ mi Spuren von Thallium) Szinillaionskrisall aus NaJ mi Spuren von Thallium hohe Versärkung: ca. Mio.-fach Auswere- ik Kollimaor (Blei) x y Inensiä des Lichblizes is proporional zur Energie des Quans Eineilung in Inensiäsbereiche Energiespekrum Srahlenquelle (z.b. Schilddrüse, in der 99m Tc angereicher wurde) 3

4 Kollimaoren für die Bildgebung Spezielle Bleiabschirmungen mi Löchern, durch die die Gammasrahlung hindurch reen kann Pinhole-Kollimaor Bildebene parallel Vielloch-Kollimaoren konvergierend vergrößer divergierend verkleiner Fan-Beam Kombinaion aus parallel+ konvergierend Bildensehung in der Gammakamera Objek Linse Bildsensor Speicherkare Signal- Verarbeiung und Auswerung im Vergleich mi Digialkamera Bild Objekebene Durch ein mehrere kleine Löcher in der Abschirmung reen die γ- Srahlen hindurch und reffen auf den Krisall (Lochkamera) Objek mi Anreicherung von Akiviä in SD und Blase Kollimaor Szinillaions- Krisall und SEV-Feld In der Realiä mehrere Aufnahmen Nacheinander und zusammensezen ik/ PC Digiales Pixelbild Anzahl regisriere Couns besimm die Farbe/Grauwer jedes Pixels SPECT Tomographie PET Singel-Phoon-Emissions-Compuer-Tomographie Posironen-Emissions-Tomographie Kopf Aufnahmeserie in Kopf Winkelschrien um den Paienen Posiron Energie-Spekrum Energieachse (x) wird in kleine Bereiche (Kanäle) eingeeil. Jedes regisriere Quan wird seiner Energie nach in einen solchen Kanal eingeordne (gezähl). Couns Componeffek im Deekor und in Maerialien im Srahlenweg Foopeaks Quanen, die ohne Sreuverluse zur Regisrierung gelangen Einzelne Foonen werden vom Kern abgesrahl, (meis in Verbindung mi Teilchenzerfall) und können im Kamerakopf orsund energieaufgelös regisrier werden. Kopf 2 Posironenrahler (posiiver Bea- Srahler) Nur Koinzidenzen zweier 5-keV- Quanen in beiden Köpfen werden regisrier Energie in kev z.b. Kanal n: 39 4 kev 2534 Couns (regisriere Ereignisse) Srahlenschuz in der Nuklearmedizin Paien Muss erhöhe Srahlenbelasung erdulden, dami diagnosische herapeuische Ziele erreich werden. Nuzen muss höher sein als der Schaden Konrolle der appl. Akiviä Arbeisanweisungen Dokumenaion Personal Zusäzliche Srahlenbelasung durch die Täigkei darf Grenzwere nich überschreien Personendosimerie Arbeisanweisungen Umgebung Eine zusäzliche Belasung der Umwel und dami unbeeiliger Personen darf nich erfolgen Baulicher Srahlenschuz und Vorschrifen für den Umgang mi offnen Radionukliden Srahlenphysiker Srahlenschuzbereiche nach Srahlenschuzverordnung Allgemeines Saasgebie Berieblicher Überwachungsbereich Konrollbereich (z.b. Saion) eff. Jahresdosis > 6 msv/a möglich Kennzeichnungspflich dauerhaf Körperdosis is zu ermielen Sperrbereich eff. Jahresdosis von -6 msv/a möglich Grenzwer der eff. Dosis:,3 msv/a Bei allen in diesem Bereich sändig äigen Miarbeier wird die Dosis überwach. Maximum/Jahr: 2 msv Berufslebensdosis: 4 msv Schwangere: msv Bereich, in dem sich die herapieren Paienen aufhalen. Das dor äige Personal unerlieg einer sändigen Dosiskonrolle MTRA Teil des Konrollbereiches, in dem die Orsdosisleisung > 3 msv/h sein kann 4

5 Srahlenbelasung Naürliche Belasung in D: 2, msv/jahr Zuschläge durch Radon Flüge möglich max. Belasung der Bevölkerung durch Umgang mi ionisierender Sr.: msv/jahr Srahlenschuz Einwirkzei gering halen Enfernung zum Radionuklid groß Quelle abschirmen max. Belasung überwacher Personen: 2 msv/jahr überwache Schwangere: msv/schwangers. Paienenbelasung Diagnosik: bis 3 msv/uners. Therapie: kann wesenl. mehr Iod-Upake: Was bedeue das? Prozenuales Aufnahmevermögen der Schilddrüse für 3 I anderes Iod-Nuklid Diagnosik: Geringe Akiviä, um den Upake zu besimmen Marinelli-Formel Therapieakiviä Therapie: Konrolle, ob der diagnosische Upake uner Therapiebedingungen einri und somi die geplane Herddosis erreich wird, (ggf. korrigieren) Ausgangs- Akiviä Aneil in der Schilddrüse Aneil im Körper Ausgeschiedener Aneil Verfahrensanweisung zum Radioiodes Deusche Gesellschaf für Nuklearmedizin und Deusche Gesellschaf für Medizinische Physik, 23 Uner Besimmung des Radioiodupakes (RIU) verseh man die Quanifizierung des Aneils an applizierem Radioiod, der zu einer definieren Zei nach der Applikaion in der Schilddrüse (SD) gespeicher is. Verfahrensanweisung beinhale: Zielsellung Indikaion Paienenvorbereiung Daenakquisiion Geräe Zeipunk der Messung Durchführung der Messung Daenauswerung Befundung und Dokumenaion Qualiässicherung Berechnung der Akiviä der SD: Neozählrae und Nachweiseffizienz und Vergleich mi der Akivimeermessung der Akiviä Vergleich der Neozählraen über der SD und über der applizieren Akiviä im Phanom Vergleich der Neozählrae über der SD und über der applizieren Akiviä frei Luf uner Anwendung des Korrekurfakors zw. Messung im Phanom und frei Luf Akiviä der Schilddrüse % Appliziere Akiviä Besimmung des Iod-Upake Verfahren : Sondenmessung (Diagnosik) Übungsaufgabe Einem Paienen wurde eine NaI-Lösung mi einer Akiviä von 2 MBq 3 I applizier. Die Messung im Phanom ergab 2 Impulse. 22 h nach Applikaion wurden Impulse gemessen.. Berechnen Sie den Upake. 2. Welchen Wer ha die Vergleichsakiviä (Sandard) nach 22 h. Impulse von SD Upake[%] = % Impulse der appl. Akiviä im Phanom Besimmung des Iod-Upake Verfahren 2: Gamma-Kamera und ROI-Auswerung Übung: Paien B wurde eine Akiviä von 42 MBq 3 I applizier. Nach 2 h wurde eine szinigrafische Aufnahme der SD über s gemach. Die ROI-Auswerung ergab 84 Impulse. Die Gammakamera besiz eine Effizienz von cps je MBq 3 I. Gesamimpulszahlin ROI % Messzei[s] Effizienz[cps/MBq] appl.akiviä[mbq] RIU = *% 2 22 h = 5% *22 8*24 A22 h = Ae = 2MBq * e = 2MBq *,924 =, 85MBq 84 *% = 33% s*cps/mbq* 42MBq 5