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1 Vorlesung zu Q11: Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz Strahlenschutz - Überlegungen mit Bezug auf natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition Prof. Dr. Willi Kalender, Ph.D. Institut t für Medizinische i i Physik Universität Erlangen-Nürnberg Das pdf ist unter abrufbar!

2 Der Strahlenschutz in Deutschland ist geregelt durch Gesetze, Verordnungen, Richtlinien und Normen. Q11 Vorlesung Strahlenschutz 2

3 Q11 Vorlesung Strahlenschutz 3

4 Q11 Vorlesung Strahlenschutz 4

5 Strahlenschutz bedeutet: Jede unnötige Strahlenbelastung l t von Mensch und Umwelt ist zu vermeiden. Jede nötige Strahlenexposition ist so gering wie möglich zu halten. ALARA-Prinzip: As Low As Reasonably Achievable! Q11 Vorlesung Strahlenschutz 5

6 Vorbemerkungen Definitionen / Überlegungen zur Dosis Natürliche Strahlenexposition Kosmische Strahlung Natürliche Radionuklide Zivilisatorische Strahlenexposition Kernkraft, Nuklearwaffentests Technische Anwendungen Luftfahrt u.a. Strahlenexposition in der Medizin Risikobetrachtungen Z.B.: Wie hoch h ist das Risiko ik bei einer Thoraxübersicht? ht? Grundsätze des Strahlenschutzes in der Medizin Q11 Vorlesung Strahlenschutz 6

7 Definitionen Natürliche Exposition: Strahlung aus natürlichen Quellen, welcher der Mensch seit Urzeiten naturgemäß ausgesetzt ist (z.b. Kosmische Strahlung, körpereigene Radionuklide) Zivilisatorisch erhöhte natürliche Exposition: Durch menschliche Gepflogenheiten und technologische Hilfsmittel zusätzlich auftretende Exposition (z.b. Leben in Häusern, Fliegen in 10 km Höhe) Zivilisatorische Exposition: Künstliche, vom Menschen verursachte Strahlung (z.b. Röntgen in der Medizin, zivile und militärische Nutzung der Kernkraft) Q11 Vorlesung Strahlenschutz 7

8 Dosisbegriffe Ionendosis I Energiedosis D Äquivalentdosis H Effektive Dosis E erzeugte Ladung pro Masseneinheit in C/kg (alte Einheit: Röntgen, 1 R = C/kg) absorbierte Energie pro Masseneinheit in J/kg oder Gy (Gray) (alte Einheit: rad, 1 rad = 0,01 Gy) Energiedosis x RBW-Faktor in J/kg oder Sv (Sievert) (alte Einheit: rem, 1 rem = 001Sv) 0,01 gewichtete Summe der mittleren Äquivalentdosen in J/kg oder Sv (Sievert) (alte Einheit: rem, 1 rem = 0,01 Sv) Q11 Vorlesung Strahlenschutz 8

9 Dosisbegriffe Äquivalentdosis H Energiedosis x RBW-Faktor in J/kg oder Sv (Sievert) H = D x RBW RBW - relative biologische i Wirksamkeit k i (ICRP 60) = 1 Photonen, Elektronen = 5 Protonen = 5-20 Neutronen = 20 Alphateilchen, schwere Kerne Q11 Vorlesung Strahlenschutz 9

10 Effektive Dosis E = effektive (Ganzkörper-)Äquivalentdosis H E Definition Summe der gewichteten mittleren Äquivalentdosen in den einzelnen Organen und Geweben des Körpers. E = w 1 H 1 + w 2 H w n H n = Σ w i H i i Die Wichtungsfaktoren w i ergeben sich aus den relativen Empfindlichkeiten der einzelnen Organe und Gewebe, ermitelt bei gleichförmiger Ganzkörperexposition. Q11 Vorlesung Strahlenschutz 10

11 Risikoabschätzungen, basierend auf den Daten für die Atombombenüberlebenden in Japan * (ICRP 60) Gewebe oder Organ Zusätzliche Krebsfälle pro 10 5 Personen pro 0,1 Sv Risikokoeffizient in %/Sv w T für tissue T Keimdrüsen , ,20 rotes Knochenmark 50 0,50 0,12 Dickdarm 85 0,85 0,12 Lunge 85 0,85 0,12 Magen 110 1,10 0,12 Blase 30 0,30 0,05 weibliche Brust 20 0,20 0,05 Leber 15 0,15 0,05 Speiseröhre , ,05 Schilddrüse 8 0,08 0,05 Haut 2 0,02 0,01 Knochenoberfläche , ,01 Restkörper 50 0,50 0,05 Summe 500 5,0 1,0 * Datenbasis: Exponierte, 5734 Krebsfälle, 260 mehr als in Kontrollgruppe Q11 Vorlesung Strahlenschutz 11

12 Effektive Dosis aus natürlicher Strahlenexposition Belastung einzelner Organe in msv/jahr Keimdrüsen 1,1 Magen-Darmtrakt 1,2 Leber 1,2 Knochenmark 1,6 Lungen 12, Radon!!! Effektive Dosis E = w 1 H 1 +w 2 H w n H n = 0,20 1,1 + 0,12 1,21,2 + 0,05 1,2 + 0,12 1,61,6 + 0,12 12,012, = 2,4 msv/a Q11 Vorlesung Strahlenschutz 12

13 Natürliche Strahlenexposition Kosmische Strahlung Teilchenstrahlung und energiereiche Photonenstrahlung t hl aus dem Weltall ll Protonen 93,0% Heliumkerne 63% 6,3% schwere Kerne 0,7% Zusammenprall mit den Molekülen der Lufthülle und Auslösung vielfältiger Sekundärprozesse, z.b. Erzeugung der Radionuklide H-3, Be-7, C-14 und Na-22. Q11 Vorlesung Strahlenschutz 13

14 Kosmische Strahlung Kaskadenschauer bei Einfall eines hochenergetischen kosmischen Protons in die Erdatmosphäre Es entstehen - γ-quanten - Elektronen e - Müonen μ - Nukleare Bausteine p, n, sekundäre Kerne Que elle: Musiol, Kern- und Elem mentarteilche enphysik Kosmogene Radionuklide H ( β ) Be ( γ ) C ( β ) Na ( β +γ ) Q11 Vorlesung Strahlenschutz 14

15 Natürliche Strahlenexposition Kosmische Strahlung Der größte Teil der Exposition resultiert aus Gammastrahlung. Die Erdatmosphäre schwächt die Intensität entscheidend. Die Dosis steigt mit der Höhe über dem Meeresspiegel: Höhe, km Dosisleistung msv/a µsv/h 0 0,3-1 0,5-3 1, Beachte: Die Dosis für Flugpersonal kann signifikant sein (ca. 600 h/a) Q11 Vorlesung Strahlenschutz 15

16 Natürliche Strahlenexposition Natürliche Radionuklide Radionuklide mit relativ kurzer Halbwertszeit: ständig in der Atmosphäre durch kosmische Strahlung erzeugt (z.b. H-3, Be-7, C-14, Na-22) Radionuklide mit sehr großer Halbwertszeit: 20 Nuklide mit nur einem Zerfallsschritt (z.b. K-40, Rb-87, Se-82, Te-123, Sm-147) 3 Nuklide mit Zerfallsreihen (Th-232, U-235, U-238) Radionuklide mit kurzer Halbwertszeit: aus Zerfallsreihen natürlicher Radionuklide mit langer Halbwertszeit (z.b. Radon aus den 3 obigen Reihen) Q11 Vorlesung Strahlenschutz 16

17 Natürliche Strahlenexposition: Terrestrische Strahlung HH HB H Harz MD HRO B Gamma-Ortsdosisleistung in der BRD (μsv/h) K SB F Thüringer Wald D Erzgebirge Rhön N Fichtelgebirge Schwarzwald S M Bayerischer Wald Q11 Vorlesung Strahlenschutz 17

18 Natürliche Strahlenexposition Natürliche Radionuklide im 'Standardmenschen' (70 kg, 20-30J.) Radionuklid K-40 C-14 Rb-87 Pb-210 ff. Rn-220 ff. Aktivität, Bq ff ff. 30 H-3 25 Be-7 25 Rn sonstige 7 Summe 9112 Alles ganz natürlich! D.h.: >9000 radioaktive Zerfälle pro Sekunde >30 Millionen Zerfälle in dieser Stunde in jedem von uns! Q11 Vorlesung Strahlenschutz 18

19 Natürliche Strahlenexposition Belastung einzelner Organe in msv/jahr Keimdrüsen 1,1 Magen-Darmtrakt 1,2 Leber 12 1,2 Knochenmark 1,6 Lungen 12,0 (Radon!!) Effektive Dosis E = w 1 H 1 + w 2 H w n H n = 0,20 1,1 + 0,12 1,21,2 + 0,05 1,2 + 0,12 1,61,6 + 0,12 12,012, = 2,4 msv/a Q11 Vorlesung Strahlenschutz 19

20 Natürliche Strahlenexposition Strahlenquellen Mittlere effektive Dosis, msv/a von außen von innen gesamt kosmische Strahlung 0,3-0,3 terrestrische Strahlung 0,5-0,5 Inhalation von Radon - 1,3 1,3 Inkorporation von Radionukliden - 0,3 * 0,3 Summe 0,8 1,6 2,4 in der BRD: 2,4 msv/a (1,0-10,0 msv/a) * im 'Standardmenschen': >9000 Zerfälle/s >30 Millionen Zerfälle/h!!!!! Q11 Vorlesung Strahlenschutz 20

21 Zivilisatorische Strahlenexposition I Medizinischer Einsatz ionisierender Strahlung (ca µsv/a) Fallout nach Reaktorunfällen (max. 40 µsv Sv/a nach Tschernobyl) Fallout nach Atombombentests (<10 µsv/a durch oberirdische Tests) Betrieb von Kernkraftwerken und kerntechnischen Anlagen (<10 µsv/a) Q11 Vorlesung Strahlenschutz 21

22 Zivilisatorische Strahlenexposition II Technische Anwendungen ionis. Strahlen (<10µSv/a) Technischer Einsatz radioaktiver Stoffe (<10 µsv/a) Störstrahler t - Def. Nach RöV: <1µSv/h (z.b. Fernseher, typ. 0,02 µsv/a) Flugreisen (ca. 1 µsv/a für die BRD) Q11 Vorlesung Strahlenschutz 22

23 Mittlere effektive Jahresdosis durch ionisierende Strahlung im Jahr 1999: ca. 4,5 msv Natürliche Strahlenquellen (2,4 msv/a) Künstliche Strahlenquellen (2,1 msv/a) Kosmische Strahlung 0,3 msv/a Nahrung 0,3 msv/a Inhalation von Radon und seinen Zerfallsprodukten 1,4 msv/a Tschernobyl < 0,02 msv/a Atombombenfallout <001 0,01 msv/a Forschung, Technik < 0,01 msv/a Kerntechnische Anlagen < 0,01 msv/a Anwendung radioaktiver Stoffe und ionisierender Strahlung in der Medizin 2,0 msv/a Terrestrische Strahlung 0,4 msv/a Berufliche Exposition 0,17 msv/a Mittelwerte für die Bundesrepublik Deutschland Q11 Vorlesung Strahlenschutz 23

24 Häufigkeit von Röntgenuntersuchungen in der BRD Tausend Stationär Ambulant Brustkorb Glied iedmaßen Schädel Wirb irbelsäule Becken und Hüfte Art rteriendarstellu llung und Inter tervention Harntrakt Bau auchraum Speiseröhr hre, Magen, Dünndarm Dickdarm Mammog mographie Computertomog mographie nicht klas assifiziert sonstiges Zahnuntersuc uchungen Strahlenexposition in der Medizin i Q11 Vorlesung Strahlenschutz 24

25 Strahlenexposition in der Medizin Q11 Vorlesung Strahlenschutz 25

26 Typische Expositionswerte in der Medizin effektive Dosis in msv 30.0 Röntgendiagnostik CT Abdomen CT Thorax, Arteriographie Dünndarm Nuklearmedizinische Diagnostik Myocard 10.0 CT WS, Magen Urogramm Gehirn CT Schädel LWS Abdomen Becken BWS Mammographie Leber/Galle Skelett Lunge Schilddrüse Niere Schwankungsbreite der natürlichen Umgebungsstrahlung 0.3 Thorax 0.1 BfS Jahresbericht 1998 Q11 Vorlesung Strahlenschutz 26

27 Dose Values are no Secret! Typical patient dose values in MSCT: E =10mSv(1-20 msv) Germany, 2003 Dose distribution calculated by Monte Carlo Methods on cadaver scans

28 Dose Values are no Secret! 3D dose distribution If dose distribution is known Organ dose and eff. Dose E Scan parameters (CTDI, DLP) are known k = E/DLP In general: Effective Dose E = k DLP EC Radiation Protection Report N 154, 2008

29 Dose Values are no Secret! EC Radiation Protection Report N 154, 2008

30 Natural background radiation: 3 msv/y. (range: msv/y.) Senior author: A. Niroomand-Rad Natural background radiation levels in Ramsar are approximately times higher than that of the global average rate. (typ. 260 msv/y.) no increased level l of chromosome aberrations. It can be concluded that prolonged exposure decreases the frequency of chromosome aberration and the cancer incidence rate.

31 Strahlenexposition in der Medizin Maßnahmen zur Dosisreduktion in der Röntgendiagnostik 1. Alle technischen Maßnahmen ausschöpfen 2. ALARA (As Low As Reasonably Achievable) umsetzen 3. Indikationsstellung prüfen!!! Kontraindikationen: diagnostische Unsicherheit und juristische / versicherungsrechtliche Absicherung Q11 Vorlesung Strahlenschutz 31

32 Strahlenschutzbereiche Ortsdosis als relevante Größe ( 36 StrlSchV 2001): Allgemeines Staatsgebiet: 1 msv/8760 h Betriebsgelände: 1 msv/2000 h Überwachungsbereich: b h > 1 msv/2000 h Kontrollbereich: > 6 msv/2000 h Sperrbereich: > 3 msv/h 1 Jahr = 24 h/tag 365 Tage = 8760 h Arbeitszeit: 50 Wochen 40 h/woche = 2000 h Zaun, Hausmauer, Wand zur Nachbarwohnung,... Q11 Vorlesung Strahlenschutz 32

33 Grundregeln im Strahlenschutz Expositionszeit so kurz wie möglich halten! Kurzer Aufenthalt = niedrige Dosis Abstand so groß wie möglich halten! D.h., das Abstandsquadratgesetz nutzen! Abschirmung nutzen! z.b. Baulichen Strahlenschutz, Bleischürzen u.ä. Inkorporation von Nukliden vermeiden! z.b. kein Essen, Trinken im Heißlabor Q11 Vorlesung Strahlenschutz 33

34 Wie können wir das mit einer Röntgenuntersuchung verbundene Risiko abschätzen? Zum Beispiel für eine Thoraxübersicht a.p.:.: Organdosis H T = 300 µsv Effektive Dosis E = 60 µsv Q11 Vorlesung Strahlenschutz 34

35 Ansatz für Abschätzungen des Patientenrisikos Schadensrisiko: R = a x E Organrisiko: R T = a T x H T a = 5 %/Sv * a T = Geweberisikokoeffizient, %/Sv * E = effektive Dosis, Sv H T = Organdosis, Sv Beispiel: Thoraxübersicht R = 005/Svx60µSv=3x10 0,05 x -6 = ca. 1 : R T = 0,0085 /Sv x 300 µsv = 2,55 x 10-6 = ca. 1 : * bei Kindern bis 18 J. x 2, bei Erwachsenen >70 J. x 0,2!?!? Sagen Sie dem Patienten, dass sein Risiko, an einem durch die Röntgenaufnahme a e induzierten Krebs zu sterben, 1 : beträgt!?!? Q11 Vorlesung Strahlenschutz 35

36 Risiko Mortalitätsrate pro Jahr a) Alltagsrisiken (nachweislich) Blitzschlag 1: Verkehrsunfall 1: Autofahrer 1: Radfahrer 1: Fußgänger 1: Zigaretten täglich 1: Drachenfliegen 1: 500 b) Berufsrisiken (nachweislich) Handel 1: Transport 1: Landwirtschaft 1: c) Medizinische Eingriffe (hypothetisch) Röntgen (kollektiv 2 msv) 1: (Thoraxübersicht 1: pro U.) (CT mit E = 5 msv 1: pro U.) (Narkose 1: pro U.) (Angiokardiographie 1: pro U.) Q11 Vorlesung Strahlenschutz 36

37 Dual Action of Ionizing Radiation Cancer incidence Deterministic negative effects in the high dose range Natural background radiation: 3.0 msv (range: 1-10 msv) The linear no-threshold (LNT) hypothesis? Resulting dual-action curve Adapted from Feinendegen 1999 normal? average patient dose in CT: 10 msv Biopositive effects in the low dose range Dose (msv) Kalender WA. Computertomographie. Publicis, Erlangen 2006 Q11 Vorlesung Strahlenschutz 37

38 Dosis sola facit venenum! Paracelsus, Septem Defensiones, 1564 Nur die Dosis macht das Gift! Only the dose makes the poison! Slechts de dosis maakt het gif! Q11 Vorlesung Strahlenschutz 38

39 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! ZMPT Zentrum für Medizinische Physik und Technik, Erlangen, Henkestr. 91