FORTBILDUNG. Fortbildung STRAHLENSCHUTZBEAUFTRAGTE. Röntgendiagnostik. Donnerstag, 9. November 2017

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1 FORTBILDUNG Fortbildung STRAHLENSCHUTZBEAUFTRAGTE Röntgendiagnostik Donnerstag, 9. November 2017 Kepler Universitätsklinikum GmbH Schule für Kinder- und Jugendlichenpflege am Med Campus V, Mehrzwecksaal Krankenhausstraße 26-30, 4021 Linz Thema: Physikalische Grundlagen und biologische Wirkung der ionisierenden Strahlung Referent: DI (FH) Andreas Schopf Amt der Oö. Landesregierung Direktion Umwelt und Wasserwirtschaft Abteilung Umweltschutz-

2 Ionisierende Strahlung Physikalische Grundlagen und biologische Wirkungen Dipl.-Ing. (FH) Andreas Schopf Amt der Oberösterreichischen Landesregierung Abteilung Umweltschutz/ Kärntnerstraße Linz Themen Umwelt und Natur Strahlen und Licht

3 Physik der Röntgenstrahlung e - Streuung Biologische Wirkung Erzeugung von Röntgenstrahlung Wechselwirkung Abschirmung Absorption e - Detektion

4 Erzeugung von Röntgenstrahlung Erzeugung von Röntgenstrahlung

5 Erzeugung von Röntgenstrahlung

6 Erzeugung von Röntgenstrahlung Röntgen-Bremsstrahlung Charakteristische Röntgenstrahlung

7 Spektrum der Röntgenstrahlung Bindungsenergie K-Elektronen im Wolframatom ca. 69,5 kev Quelle: R. Nowotny, XComp32

8 Physik der Röntgenstrahlung e - Streuung Biologische Wirkung Erzeugung von Röntgenstrahlung Wechselwirkung Abschirmung Absorption e - Detektion

9 Wechselwirkungen e - e -

10 Wechselwirkungen Menschl. Gewebe Z ~ 7 Diagn. Röntgenstrahlung

11 Comptoneffekt e - Gestreute Photonen verlieren bei der WW einen Teil ihrer Energie und ändern ihre Richtung WW mit einem äußeren schwach gebunden quasi freien Elektron Das Hüllenelektron wird aus der Atomhülle gestoßen und erhält Energie vom Photon - Comptonelektron Das Elektron kann bei WW mit dem Absorber Bremsstrahlung erzeugen (bei menschlichem Gewebe vernachlässigbar)

12 Restenergie comptongestreuter Photonen Quelle: H. Krieger, Strahlenphysik

13 Comptonstreuung, Streuwinkel Einfallsrichtung von links < 100 kev Maximum bei 45 Im Bereich der Röntgendiagnostik erheblicher Rückstreuanteil

14 Comptoneffekt: Fazit Streustrahlung tritt in allen Richtungen aus dem Patienten aus Im diagnostischen Röntgen hoher Rückstreuanteil Streustrahlung hat annähernd die Energie der Primärstrahlung (Achtung Tertiärstrahlung) Anwenderschutz bedeutet zum Großteil Schutz vor Streustrahlung

15 Wechselwirkungen Blei Z = 82 Diagn. Röntgenstrahlung

16 Photoeffekt Elektron aus einer inneren Schale wird durch das Photon aus der Hülle geschlagen e - Das Photon wird absorbiert, das Elektron übernimmt dessen Energie als Bewegungsenergie - Photoelektron Das Elektron kann bei weiteren WW Bremsstrahlung auslösen oder andere Atome ionisieren Das Defektelektron (Loch) in der Hülle führt zur Emission von Augerelektronen (vorherrschend bei menschlichem Gewebe) oder charakteristischer Röntgenstrahlung

17 Abschirmung durch Materialien mit hoher Ordnungszahl schürzen mit einem Bleigleichwert von 0,35 mm schwächen Röntgenstrahlung von 50kV um 97% und Röntgenstrahlung von 100kV um 90%.

18 Abhängigkeiten der Absorptionskoeffizienten Photoeffekt ist vorherrschend bei niedrigen Photonenenergien und hohen Ordnungszahlen In der Röntgendiagnostik spielt er eine größere Rolle im Bereich niedriger Energien Im ist er für die Abschirmung mit hochatomigen Materialien (Blei) bis zu einigen 100 kev die wichtigste Wechselwirkung Die Comptonstreuung ist in menschlichem Gewebe (Z=7 bis 8) für therapeutische und diagnostische Photonenstrahlung ab 30 kev der dominierende WW-Prozeß Die größten Beiträge zur Energiedosis in menschlichem Gewebe und damit zu den biologischen Wirkungen liefern Comptonelektronen

19 Wie wirkt ionisierende Strahlung auf die menschliche Zelle?

20 Ionisation Atom Ion 2 Protonen im Kern 2 Elektronen in der Hülle Atom im Gleichgewicht 2 Protonen im Kern 1 Elektron in der Hülle Atom nicht im Gleichgewicht Veränderung der Reaktivität einzelner Atome/Moleküle Aufbrechen von Verbindungen zwischen Atomen/Molekülen

21 Direkte Strahlenwirkung Ionisierung/Anregung geschieht direkt an Biomolekülen Zellorganellen Zellmembran RNS DNS Entstehung von chemisch veränderten Biomolekülen (Radikalen)

22 Indirekte Strahlenwirkung Ionisierung/Anregung von Molekülen des Zellwassers -> Radikale Schäden an Biomolekülen/Bindungen durch Reaktionen mit Radikalen In lebendem Gewebe ist die indirekte Strahlenwirkung der dominierende Effekt

23 Strahlenschäden an der DNS Basenschäden Strangbrüche Chromosomenaberrationen

24 Reaktionen der Zelle Kein akuter Zellschaden wenn inaktive Gene (ca. 1 %) betroffen Je nach Phase des Zellzyklus unterschiedliche Empfindlichkeit Zellteilungshemmungen Stoffwechselveränderungen in der Zelle Veränderungen in der Proteinsynthese Zelltod (insb. beim nächsten Teilungsversuch) Mutation Maligne Entartung

25 Reparaturmechanismen der Zelle Beispiel für DNS-Basen-Reparatur Die natürliche jährliche Strahlenexposition von ca. 2,8 msv verursacht in einem 70 kg schweren Menschen etwa Ionisationen pro Jahr! Bei der durchschnittlichen Zellteilung (Kopieren der DNS) kommt es zu ca Fehlern pro DNS-Molekül. Basenschäden und Strangbrüche können durch zelleigene Enzyme repariert werden Nicht reparierte Basendefekte -> Mutation Nicht reparierte Strangbrüche -> Chromosomenaberration

26 Deterministische Strahlenschäden Deterministische Strahlenschäden sind durch die Strahleneinwirkung ausgelöste akute Gewebereaktionen Gewebe (Zellverbunde) regenerieren sich bei Verlust einzelner Zellen durch verschiedene Maßnahmen Repopulation Gefäßneubildung Redistribution Erst bei einer Häufung zellulärer Strahlenschäden, die durch Zellreparatur und Gewebsregeneration nicht kompensiert werden können, tritt ein deterministischer Strahlenschaden auf

27 Deterministische Strahlenschäden Hautschäden ab etwa 2 Gy gewebespezifisch

28 Deterministische Strahlenschäden

29 Stochastische Strahlenschäden Als stochastische Strahlenschäden bezeichnet man Krebserkrankungen und vererbbare genetische Defekte Stochastische Strahlenschäden haben ihre Ursache in einer einzigen geschädigten Zelle weshalb unterstellt wird, dass kein Schwellenwert existiert Je nach Ausgangszelle unterschiedlicher Schaden (Krebsart) Je Gewebe unterschiedliches Risiko (-> Gewebewichtungsfaktoren) Schäden treten nach hoher Latenzzeit auf (Jahre bis Jahrzehnte) Abschätzung des zusätzlichen Krebsrisikos über epidemiologische Studien (Vergleich bestrahlter mit nicht bestrahlten Personengruppen) Atombombenopfer Japan (ab etwa 100 mgy) Patienten der Strahlentherapie...

30 Stochastische Strahlenschäden gewebespezifisch ~ 5 %/Sv für den Ganzkörper

31 Stochastische Strahlenschäden Das stochastische Strahlenrisiko ist immer eine kollektive Größe (gemittelt über alle Personen der untersuchten Gruppe) Das individuelle Risiko ist von unzähligen (z. T. unbekannten) Faktoren abhängig Manche Einflussfaktoren wurden bereits statistisch ermittelt

32 Stochastische Strahlenschäden 18 Zusätzliche Krebsmortalität bei Bestrahlung mit 100 msv pro 1000 Personen nach ICRP zusätzliche Krebsmortalität Frauen Männer Alter bei Exposition

33 Effektive Dosis Die Effektive Dosis berücksichtigt die unterschiedliche Empfindlichkeit der Gewebe durch organspezifische Wichtungsfaktoren: E = w T. H T Einheit: Sievert (Sv) E... Effektive Dosis H T... Organäquivalentdosis w T... Wichtungsfaktor für das jeweilige Organ/Gewebe Die organspezifischen Wichtungsfaktoren sind dimensionslos.

34 Organspezifische Wichtungsfaktoren

35 Anwendungsbereich der Effektiven Dosis Risikoabschätzung nur bei homogenen Gruppen und mit Einschränkungen! ~ 17 % / Sv ~ 1 % / Sv Vergleich unterschiedlicher Untersuchungsarten Interzentrische Vergleiche zum Zwecke der Optimierung

36 Zusammenfassung Ionisierende Strahlung überträgt durch Wechselwirkungen Energie auf Materie In lebenden Zellen kann dieser Energieübertrag zu Schäden an einzelnen Zellen führen Bei sehr hohen Dosen treten (sichtbare) Gewebsreaktionen auf (deterministischer Schaden) Auch bei niedrigen Dosen können nach langer Zeit mit mit der Dosis steigendem Risiko Schäden auftreten (stochastischer Schaden) soll deterministische Schäden verhindern und das Risiko für stochastische Schäden so gering wie sinnvollerweise möglich halten

37 Ende Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

38 Ionisierende Strahlung Teil 2: Natürliche Radioaktivität Dipl.-Ing. (FH) Andreas Schopf Amt der Oberösterreichischen Landesregierung Abteilung Umweltschutz/ Kärntnerstraße Linz Themen Umwelt und Natur Strahlen und Licht

39 Mittlere Strahlenexposition in Österreich Radon kosmische Strahlung terrestrische Strahlung Ingestion natürlicher Radionuklide medizinische Anwendungen µsv pro Person und Jahr sonstige künstliche Quellen

40 Was ist Radon? Vergiftung mit Po-210: 1 µg (~ 170 MBq) verursacht in 3 Tagen rund µsv Po-210 ist wie Rn-222 ein Folgeprodukt von U-238 und kommt (weit geringer konzentriert) natürlich vor! Alexander Litwinenko 2006

41 Woher kommt Radon?

42 Wie wirkt Radon? Nach dem Rauchen (ca. 85 %) sind Radon und seine Zerfallsprodukte die zweit-häufigste Ursache (ca. 10 %) für Lungenkrebs. Beim Atmen werden die Radon- Zerfallsprodukten in der Lunge abgelagert. Von dort senden sie ionisierende Strahlung aus, die das unmittelbar umgebende Lungengewebe schädigen und letztendlich Lungenkrebs auslösen kann.

43 Fakt ist: Erhöhtes Lungenkrebsrisiko durch Radonexposition. Radon ist die zweithäufigste Lungenkrebsursache (ca. 10%) nach dem Rauchen: Jährlich ~ 400 Tote aufgrund radonbedingtem Lungenkrebs in Österreich. Für starke Raucher, welche noch dazu in einem radonbelasteten Haus leben erhöht sich die Wahrscheinlichkeit an Lungenkrebs zu erkranken auf über 30 %. [Quelle: EPA, USA] (Quelle: Statistik Austria) 42

44 Einflussfaktoren auf die Radonkonzentration Radoneintritt und Luftwechsel im Gebäude Der Austausch zwischen Raumluft und Außenluft hat einen wesentlichen Einfluss auf die Höhe der Radonkonzentration in Innenräumen. Undichte Fenster und Türen - höherer Luftwechsel Wird der Luftwechsel dagegen verringert, zum Beispiel durch den Einbau dicht schließender Fenster und Türen - Radonkonzentration kann ansteigen.

45 Tägliche Lungendosis durch Radon Durchschnittliche Radonbelastung (< 100 Bq/m³): 1500 µsv/a = 4 µsv/d Effektivdosis => 33 µsv/d Lungendosis

46 Tägliche Lungendosis durch Radon Hohe Radonbelastung von 1000 Bq / m³ ergibt µsv/a = 45 µsv/d Effektivdosis => 380 µsv/d Lungendosis

47 Tägliche Lungendosis durch Rauchen 20 Zigaretten pro Tag ergibt 240 µsv/a = 0,7 µsv/d Effektivdosis => 6 µsv/d Lungendosis

48 Radondicht bauen Dicht gegen nichtdrückendes Wasser

49 Radonsanierung Unterboden- Absaugung

50 Radonsanierung Abdichten zwischen Keller und bewohnten Gebäudeteilen Belüften mit leichtem Überdruck

51 Radon in Oberösterreich

52 Radon in Oberösterreich

53 Was kann man tun? Fördermöglichkeiten des Landes Messungen derzeit alle Messungen kostenlos zahlt der Bund Sanierungen Messergebnis über Bq/m³ - Sanierungsmaßnahmen werden mit ca. 22% der anrechenbaren Kosten, jedoch max Euro pro Wohneinheit gefördert. Neubauten: Bauvorhaben in den drei Gemeinden (Risikogebiet) mit ständig bewohnten erdberührenden Wohn- oder Schlafräumen werden nach einer Beratung mit 364 Euro gefördert. Anfragen zum Thema: Ing. Heribert Kaineder, Land OÖ Gruppe Tel / oder per Mail an radon.us.post@ooe.gv.at

54 Radon in Oberösterreich Internationale Informations-Broschüren Radon