Strahlenschutz? Sinn und Unsinn

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1 Inhaltsangaben Strahlenschutz? Sinn und Unsinn Jakob Roth Radiologische Physik, Universitätsspital Basel, Schweiz Einige Grundlagen zu den Eigenschaften von Röntgenstrahlen Dosisbegriffe und Strahlenwirkung Dosen bei pädiatrischen Röntgenuntersuchungen Welche Parameter beeinflussen die Röntgenaufnahme und die Strahlenexposition? Das grosse Problem: die Streustrahlung Woher kommt die Streustrahlung? Isolette und Strahlenschutz Wahrnehmung des Strahlenschutzes 1 2 Schwächung von Röntgenstrahlen Röntgenspektrum hinter dem Patienten Absorption und Streuung im Patienten 7' Röntgenröhre Patient Detektor Detektor (z.b. Film) Absorption Transmission relative Intensität 6' 5' 4' 3' 2' Röntgenspektrum beim Auftreffen der Röntgenstrahlen auf den Patienten Streuung ' Röntgenspektrum hinter 2 cm Weichteilgewebe Schwächung = (Energie-) Absorption + Streuung Photonen-Energie in kev 3 4

2 Röntgenspektren vor und hinter dem Patienten Einfluss der Röhrenspannung auf Schwächung relative Intensität 7' 6' 5' 4' 3' 2' vor dem Patienten Röntgenspektrum beim Auftreffen der Röntgenstrahlen auf den Patienten Dosis in µgy Schwächung durch Körper bei Thorax-Röntgenaufnahme ' Photonen-Energie in kev 8 kv relative Intensität 2'5 2' 1'5 1' 5 hinter dem Patienten Photonen-Energie in kev Röntgenspektrum hinter 2 cm Weichteilgewebe Ordinate: 3 mal kleiner als oben Nur wenige % der Röntgenstrahlung durchdringen den Patienten. Die Röntgenstrahlung wird aufgehärtet (höhere mittlere Energie) Eintritt Oberfläche 12 kv Austritt Film notwendige Bilddosis 6 Dosisbegriffe Wichtungsfaktoren w T für Strahlenrisiko Dosis D Äquivalentdosis H Auf einen Punkt bezogen Schilddrüse.5 Speiseröhre.5 Brust.5 Leber.5 rotes Knochenmark.12 Knochenoberfläche.1 Lunge.12 Haut.1 Magen.12 Dickdarm.12 Blase.5 Gonaden.2 effektive Dosis E Restkörper (übrige Organe).5 Σ w T = 1. T 7 8

3 Spontane und strahleninduzierte Tumoren Vergleich der Empfindlichkeit von verschiedenen Organen bezüglich spontaner und strahlenbedingter Tumorinduktion (nach BEIR III, 198) Stochastisches Strahlenrisiko vs. Alter zusätzliches Risiko während der Lebenszeit, % pro 1 msv Tumortyp spontan strahleninduziert myeloische Leukämie mässig sehr hoch Schilddrüse selten sehr hoch (niedrige Mortalität) weibliche Brustdrüse sehr hoch hoch Verdauungstrakt hoch hoch Lunge (Bronchus) sehr hoch mässig Bauchspeicheldrüse mässig mässig maligne Lymphome mässig mässig Pharynx selten mässig Leber-, Gallenwege selten mässig Haut sehr hoch selten Niere, Blase mässig selten Larynx mässig selten Gehirn, Nerven selten selten gemittelt über die Bevölkerung FRAUEN MÄNNER 5 Alter in Jahren zum Zeitpunkt der Exposition Kinder bis ins Alter von Jahren sind 2.5 bis 3 mal strahlenempfindlicher als der Durchschnitt der Bevölkerung. Jugendliche zwischen und 2 Jahren sind etwa 1.5 bis 2 mal strahlenempfindlicher als der Durchschnitt der Bevölkerung. (aus ICRP 6 [199]: multiplikatives Modell) Parameter für Strahlenwirkung Dosis und DFP in Abhängigkeit von der BV-Grösse Strahlenwirkung Milieufaktoren relative Strahlenempfindlichkeit Dosis räumliche Dosisverteilung Strahlenart, -energie zeitliche Dosisverteilung µgy/s Dosisleistung Eintritt Zentralstrahl klein (15 cm) mittel (21 cm) Bilddurchmesser am BV-Eingang gross (37 cm) Mit zunehmendem Bilddurchmesser nimmt die Dosisleistung an der Patientenoberfläche ab. Diese Reduktion hängt auch noch vom Patientendurchmesser ab. cgy/s x m klein (15 cm) Dosisflächenprodukt mittel (21 cm) Bilddurchmesser am BV-Eingang gross (37 cm) Das Dosisflächenprodukt (DFP) ist ein Mass für die gesamte Strahlenenergie im Patienten. Es nimmt zu mit dem Bilddurchmesser. Schlussfolgerung: Wahl eines möglichst kleinen Bilddurchmessers. Dadurch kleinere Strahlenexposition, weniger Gewebe und Organe bestrahlt, weniger Streustrahlung, bessere Bildqualität. (Messungen an der Universitäts-Kinderklinik beider Basel) 12

4 Oberflächendosen bei Kindern Beiträge zur Strahlenexposition der Bevölkerung Oberflächendosen im Zentralstrahl in mgy Röntgen-Aufnahme 3 Jahre 6 Jahre Jahre 12 Jahre 15 Jahre Thorax Wirbelsäule ap lat Hüften ap Alter lat Oberschenkel Knie Unterschenkel Fuss Die für eine gute Bildqualität erforderliche Dosis ist dem Alter des Patienten anzupassen. (Messungen an der Universitäts-Kinderklinik beider Basel) 13 effektive Dosis in msv/jahr kosmische Strahlung terrestrische Strahlung inkorporierte Radionuklide Radon und Folgeprodukte Reaktorunfall Tschernobyl Kernwaffenausfall Kleinquellen usw. 5 3 natürlich (2.8 msv / Jahr) künstlich (1.2 msv / Jahr) Kernanlagen andere Betriebe berufliche Strahlenexp. Röntgendiagnostik 3 Nuklearmedizin 8 Maximalwert Mittelwert (4. msv/jahr) Minimalwert 14 Transmissionen bei Röntgenaufnahme Parameter bei einer Röntgenuntersuchung Beispiel: Thoraxaufnahme, 125 kv, Filterung 3 mm Al (quadratisches Abstandsgesetz berücksichtigt, d.h. Fokus-Messort-Distanz = konstant) Röntgengerät abhängig vom Personal Fokus-Oberflächen-Distanz Patient Distanz Patient - Bildempfänger Auflagefläche Streustrahlenraster Belichtungsautomatik Bildgebendes System Röntgenröhre Patient Transmission Patient Auflage, Streustrahlenraster, Belichtungsautomatik Vorderer Teil der Filmkassette 7 % 39 % 53 % % 7 % 3 % 1.5 % Von der Strahlung auf der Patientenoberfläche erreicht nur ca. 1.5 % den Film. 15 Anzahl Pulse/s Leistung Steuerung Fokus Filter Einblendung (Kollimation) Röhrenspannung (kv) Röhrenstromstärke (ma) Expositionszeit (s) Fokusgrösse MTRA / MPA Indikationsstellung, Diagnose Positionierung Qualitätsbeurteilung Ausbildung Dicke Grösse Alter Geschlecht Untersuchungsgebiet strahlenempfindliche Organe Lagerung, Positionierung Bleigummi-Abdeckung? Untersucher, Arzt Dimension Empfindlichkeit Dynamikumfang Bildbearbeitung analog (z.b. Film): Entwicklungsmaschine Chemikalien Bildbetrachtung digital (Speicherfolie, Flat Panel, BV usw.): Auswertesystem (PC) Bildbearbeitung Optimierung 16

5 Die Streustrahlung Das grosse Problem: die Streustrahlung Streustrahlung: Röntgenröhre ein grosses Problem für den Strahlenschutz beim Patienten und beim Personal sowie für die Bildqualität Streustrahlung 17 Verringerung der Streustrahlung 18 Wirkung des Streustrahlenrasters auf die Bildqualität Jede Verringerung der Streustrahlen verbessert die Bildqualität und reduziert die Strahlenexposition ausserhalb des Nutzstrahlenfeldes. ohne Streustrahlenraster (6 kv, 28 mas) mit Streustrahlenraster (73 kv, 5 mas) Massnahmen: mit Raster 3x höhere Strahlenexposition als ohne Raster Einblendung (Bestrahlungsvolumen verkleinern) Kompression (Bestrahlungsvolumen verkleinern) Verwenden eines Streustrahlenrasters Alderson-Phantom 19 2

6 Streustrahlenraster Herkunft der Streustrahlung bei einer Röntgenaufnahme Einsatz des Streustrahlenrasters: bessere Bildqualität (höherer Kontrast, schärfere Abbildung) vs. zusätzliche Strahlenexposition (3 bis 5 %) Verzicht auf Streustrahlenraster, falls nicht erforderlich (z.b. kleiner Anteil an Streustrahlung bei Kindern oder bei Extremitäten) Durch Streustrahlenraster steigt die Dosis am Patienten um Faktor 3 bis 5 (bei gleicher Bilddosis). [gemäss Literatur: 2.6 (beim Schädel pa) bis 9.5 (beim Becken lat.)] Beispiel: kv, F = 2 x 2 cm 2, 2 cm dick Aus dem Körper treten 8 % Streu- und 2 % Primärstrahlung aus. Streustrahlung Primärstrahlung Gesamtstrahlung ohne Raster 8 % 2 % % mit Raster * ) 4 % 12 % 16 % * ) Selektivität des Streustrahlenrasters Σ = 12 Die Exposition muss mit dem Raster für die gleiche Filmschwärzung um Wandstativ, Filmkassette einen Faktor 6.25 mal grösser sein! Röntgenröhre Streustrahlung (Blendensystem, Luft) 2 Durchlassstrahlung ( Leckstrahlung ) aus dem Röhrengehäuse, extrafokale Strahlung 3 Streustahlung von Wandstativ und Filmkassette (Rückstreuung) 4 Streustrahlung aus dem Körper des Patienten Der grösste Beitrag zur Streustrahlung im Patienten stammt von ihm selber. Woher kommt die Strahlung ausserhalb des Nutzstrahls? Röntgenaufnahme des Thorax FFD = 2 cm, kv Simulation einer Thorax-Röntgenaufnahme, 125 kv, FOD = 15 cm Wandstativ, Kassette Thorax-Phantom (Streukörper) Thorax-Phantom (Streukörper) % 93 % Bleigummi (.5 mm Pb) cm 3 mm Pb % 78 % 5 % 18 % % Bleigummi (.5 mm Pb) Rundumschürze.5 mm Pb 23 24

7 Röntgenaufnahme des Schädels seitlich FOD = 12 cm, 6 kv Bleigummi-Abdeckung Thorax-Röntgenuntersuchung: 12 kv, FOD = 175 cm, F = 3 cm x 35 cm;,5 mm Pb (,2 µgy) % 88 % Hoden 27 % 15 % 8 cm 3 mm Pb % (,5 µgy) 95 % Ovarien 9 % 85 % % 98 % 2 % Rundumschürze.5 mm Pb 25 Eine Bleigummiabschirmung hat fast immer eine sehr beschränkte Wirkung für den Patienten. 26 Isolette und Bleiabschirmung Isolette und Bleiabschirmung 66 kv, Filterung 2.5 mm Al FOD = 9 cm, F = 15 cm x cm 66 kv, Filterung 2.5 mm Al FOD = 9 cm, F = 15 cm x cm Isolette Isolette 9cm Messort µgy/mas % 9cm Messort µgy/mas % A 12. C 1.3 A B C D E C D E A B C D E Blei Position 1 D 1.1 Streukörper (Masonit) cm Distanz vom Feldrand Streukörper (Masonit) cm Distanz vom Feldrand (Messungen in der Geburtshilfe des Universitätsspitals Basel) 27 (Messungen in der Geburtshilfe des Universitätsspitals Basel) 28

8 Isolette und Bleiabschirmung Isolette und Bleiabschirmung 66 kv, Filterung 2.5 mm Al FOD = 9 cm, F = 15 cm x cm 66 kv, Filterung 2.5 mm Al FOD = 9 cm, F = 15 cm x cm Isolette 3 cm Blei Position 2 Isolette 3 cm Blei Position 2 9cm Messort µgy/mas % 9cm Messort µgy/mas % B 1.3 B cm A B C D E Blei Position 1 5 cm A B C D E Blei Position 1 Blei Position 3 Streukörper (Masonit) cm Distanz vom Feldrand Streukörper (Masonit) cm Distanz vom Feldrand (Messungen in der Geburtshilfe des Universitätsspitals Basel) 29 (Messungen in der Geburtshilfe des Universitätsspitals Basel) 3 Isolette und Bleiabschirmung: Zusammenfassung Verstärkerfolien und optische Dichte 66 kv, Filterung 2.5 mm Al FOD = 9 cm, F = 15 cm x cm 2 mm Blei ohne Position 1 Position 2 Messort A C D E C D B µgy/mas % 12 6 (Film: Lanex Medium Plus von Kodak. n: Medium Plus von Kodak) Papier Film Papier Papier Film Film Papier Film Position 3 B 1.3 Isolette 3 cm Blei Position 2 9cm Streukörper (Masonit) 5 cm A B C D E Blei Position 1 Blei Position 3 cm Distanz vom Feldrand Schlussfolgerung: Die verwendeten Bleiabdeckungen haben keinen Einfluss auf die Dosis am Neugeborenen, sofern korrekt eingeblendet wird. optische Dichte: (Schleier:.21) (Messungen in der Geburtshilfe des Universitätsspitals Basel) % der Schwärzung kommt durch die Verstärkerfolie zustand. 32

9 Die 5 A des praktischen Strahlenschutzes Ausbildung Abstand Abschirmung (weitaus am wichtigsten) (am billigsten) (Nutzen wird überschätzt) Arbeitsvorbereitung (ohne Strahlung!) Arbeitsweise (sorgfältig und rasch) Wirkungsvolle Schutzmassnahmen bei Röntgenuntersuchungen kleinstmögliche Einblendung (auf jeden Fall: kleiner als Bildempfänger) grosser Abstand zwischen Feldrand und Organ. Voraussetzung: Übereinstimmung zwischen Licht- und Strahlenfeld (Qualitätskontrolle) empfindliches Bildsystem (Film-n-Kombination, Durchleuchtung mit Speicherbild usw.) Qualitätssicherungsprogramm durchführen (Wartung, Zustands- und Konstanzprüfungen), Interpretation der Resultate, erforderliche Massnahmen Ausbildung des Personals in Indikationsstellung, Einstelltechnik und praktischem Strahlenschutz Schutz des Personals Die Strahlenexposition beim Personal ist etwa 1 % der Dosis am Patienten. % jeweils ohne Bleigummischürze (.5 mm Blei) 4 % 3 % cm cm Patient 8 kv 35 Grundsätze Forderung nach einer hohen Bildqualität = Akzeptanz einer hohen Strahlenexposition Schutz des Patienten = Schutz des Personals 36

10 Zusammenfassung Kinder und Jugendliche sind wesentlich strahlenempfindlicher als Erwachsene und müssen besonders geschützt werden. Die Dosis wird durch zahlreiche Parameter beeinflusst. Die Strahlendosis ist der wichtigste, aber nicht der einzige Parameter für die Strahlenwirkung. Bei höherer Röhrenspannung ist die Strahlenexposition kleiner. Der Bildkontrast nimmt dadurch jedoch ab. Nur wenige % der Röntgenstrahlung durchdringen den Patienten. Von den auf den Patienten auftreffenden Röntgenstrahlen erreicht nur ein kleiner Teil das bildgebende System. Der grösste Beitrag zur Streustrahlung im Patienten stammt von ihm selber. Das Streustrahlenraster kann bei Kleinkindern fast immer und bei Kinder meistens weggelassen werden, da wenig Streustrahlung. Eine Bleigummiabschirmung hat eine sehr beschränkte Wirkung für den Patienten. 37 Strahlenschutz: Sinn oder Unsinn? Das Ziel einer Röntgenuntersuchung muss stets ein aussagekräftiges Bild sein, um eine optimale bzw. zuverlässige Diagnose stellen zu können. Der Strahlenschutz ist immer sekundär. ( Der Patient geht nicht zum Röntgen, damit er vor Strahlung geschützt wird. ) Jede Strahlenschutzmassnahmen muss wirksam sein für den Patienten und nicht einer Routinetätigkeit entsprechen. Sie soll keine Alibifuntion sein, um den Strahlenschutz abzuhaken ( Feigenblatt ). 38 Strahlenschutz: Sinn oder Unsinn? Im Strahlenschutz wiegt ein Gramm Gehirn mehr als eine Tonne Blei! (F. Wachsmann, 1969) 39