Physik/Technik Studentenvorlesung I. Strahlenschutz und Dosimetrie in der Nuklearmedizin

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1 Physik/Technik Studentenvorlesung I Strahlenschutz und Dosimetrie in der Nuklearmedizin Dr. L.F. Schelper Klinik für Radiologie und Nuklearmedizin UK-SH Lübeck

2 Inhalte Strahlenschutz Einführung von Grundbegriffen wie Aktivität und Dosis. Natürliche, zivilisatorische und berufliche Strahlenexposition. Strahlenbelastung von Mitarbeitern Betrieblicher Strahlenschutz Maßnahmen zum Strahlenschutz Dosimetrie Nuklearmedizinische Diagnostik und Therapie Standarddosimetrie bei Radioiodtherapie Individualdosimetrie bei sonstigen Radionukldtherapien

3 Grundbegriffe: Aktivität und Ionisation Radioaktiver Zerfall: Instabiler Atomkern (Radionuklid) zerfällt unter Abgabe von Strahlung in einen veränderten Endkern. Aktivität eines Radionuklides: Anzahl der Zerfälle pro Sekunde. Einheit: 1 Bq (Bequerel) = 1 Zerfall/s Ionisation: Auf dem Weg der Strahlung durch Materie (z.b. Körpergewebe) hinterlässt die Strahlung dort einen Teil Ihrer Energie.

4 Strahlungsarten in der Nuklearmedizin γ-strahlung: Ungeladene und massefreie Photonen Reichweite in Gewebe und Luft bis zu mehreren Metern (z.b. 99m Tc) ß - -Strahlung: negativ geladene Elekronen Reichweite in Gewebe im Millimeterbereich ( z.b. 131 I) ß + -Strahlung: positiv geladene Positronen Reichweite in Gewebe im Millimeterbereich (z.b. 18 F)

5 Grundbegriffe: Energiedosis Energiedosis: Strahlung durchquert das Gewebe und deponiert dort Energie. Je kürzer die Reichweite, desto größer ist der deponierte Energiebetrag pro zurückgelegte Wegstrecke => ß - - und ß + -Strahlung sind intensiver (kurze Reichweiten) Einheiten: 1 Sievert = 1 Sv = 1 Joule/kg Joule => Energie 1 Sv = msv = µsv

6 Natürliche Strahlenbelastung Inhalation und Ingestion Radioaktives Edelgas Radon-222 ( 222 Rn) aus dem Erdboden, Gesteinen und Baumaterialien. Wird durch Inhalation in den Körper aufgenommen. Durchschnittliche jährliche Belastung: ca. 1,3 msv/a Strahlenbelastung durch Nahrungsaufnahme: Hauptsächlich radioaktives Kalium ( 40 K). 70kg-Standardmensch => 4200 Bq Ganzkörperaktivität Durchschnittliche jährliche Belastung: ca. 0,3 msv/a

7 Natürliche Strahlenbelastung Terrestrische Strahlung Natürliche Radionuklide in der Erdkruste seit Erdentstehung Abhängig vom Radionuklidgehalt des Bodens und Art des Gesteins. Z.B. Erzgestein => Mittlere Exposition: ca. 0,5 msv/a

8 Natürliche Strahlenbelastung Kosmische Strahlung Hochenergetische atomare Teilchen aus dem Weltraum treffen auf Atmosphäre und bilden neue Teilchen. Strahlenbelastung höhenabhängig. => Z.B. Flug ( m) erzeugt 0,004 msv/h => Mittlere Exposition: ca. 0,3 msv/a

9 Zivilisatorische Strahlenbelastung Zivilisatorische Strahlenbelastung Medizinische Diagnostik: Ca. 1,80 msv/a Weitere künstliche Strahlung: Fallout Kernwaffenversuche Kerntechnische Anlagen Folgen Tschernobyl < 0,1 msv/a

10 Natürliche und Zivilisatorische Strahlenbelastung Zusammenfassung Effektive Strahlenbelastung ca. 4,3 msv pro Jahr

11 Strahlenschutz in der Medizin Relevante Gesetzestexte Regelung des Strahlenschutzes in der Nuklearmedizin: Verordnung über den Schutz vor Schäden durch ionisierende Strahlen Allgemein Strahlenschutzverordnung, Abkürzung StrlSchV Aktuelles Ausfertigungsdatum: Richtlinie für Strahlenschutz in der Medizin Genehmigung der Behörde für die nuklearmedizinische Abteilung oder Praxis.

12 Strahlenschutzbeauftragte tragen die Verantwortung für den Strahlenschutz und sind Weisungsberechtigt Berufung durch Einrichtung Werdegang: Strahlenschutzregelungen Strahlenschutzbeauftragte (SSB) Mezinstudium oder Uni/FH-Studium in naturwissenschaftlicher bzw. technischer Ausrichtung 24 Monate aktive Mitarbeit im jeweiligen Bereich (hier: Nuklearmedizin) Gutachten eines Mentors (Strahlenschutzbeauftragter mit Weiterbildungserlaubnis). Strahlenschutzkurs (3-14 Tage)

13 Beruflicher Strahlenschutz Gesetzgebung/Grenzwerte Maximale Dosis für beruflich Strahlenschutzüberwachte Personen (z.b. Nuklearmedizin): 57 Strahlenschutzverordnung: 6 msv/a Dosis für die Allgemeinbevölkerung: 46 Strahlenschutzverordnung: 1 msv/a = 1000 µsv/a

14 Beruflicher Strahlenschutz Patient in nuklearmedizinischer Therapie Abhängigkeiten der vom Patienten emittierten Dosis: Aktivität des Patienten (Entlassung aus der Strahlenschutzüberwachung bei 3,5 µsv in 2 m / 250 MBq). Höhe der applizierten Therapieaktivität Liegezeit des Patienten auf Station 44N (Reduktion durch physikalischen Zerfall und Abgabe aus dem Körper) Aktivität kann auf der Station jederzeit bestimmt werden. Abstand Patient Mitarbeiter Durch Verdoppelung des Abstandes viertelt sich die Dosis (Abstandsquadratgesetz).

15 Beruflicher Strahlenschutz Nuk-Patient auf Station Mitabeiterbelastung bei einem Patienten in nuklearmedizinischer Therapie : Dosisleistung [µsv/h] in Abhängigkeit von Aktivität und Entfernung!! Aktivität meist fast gänzlich in der Schilddrüse gespeichert!! Aktivität , Entfernung [m]

16 Beruflicher Strahlenschutz Nuk-Patient auf Station Die 3 As des Strahleschutzes, geordnet nach der Effektivität: 1. Abschirmung Effektivster Strahlenschutz durch Abschirmung mit Absorbermaterial mit hoher Kernladungszahl (z.b. Blei, Wolfram oder Barytbeton) Es gilt das Exponentialgesetz: D(d) = D(0) * exp(-ln2*d/d 1/2 ) 2. Abstand Effektiver Strahlenschutz durch Vergrößerung des Abstandes Es gilt das Abstandsquadratgesetz: D(s 1 ) = D(s 2 ) * (s 1 /s 2 ) 2 2. Aufenthaltsdauer Strahlenschutz durch verrigerung der Aufenthaltsdauer Es gilt das Lineargesetz D(t) = D pro Sekunde * t

17 Beruflicher Strahlenschutz Nuk-Patient auf Station Praktischer Strahlenschutz in der NUK: 1. Abschirmung: Präparationsarbeiten hinter Bleiwänden und Bleiglas Verwendung von Spritzenabschirmungen Spezielle Therapiestation notwendig Nur Zwei- oder Einbettzimmer Wände aus Barytbeton Türen mit Bleieinlagen

18 Beruflicher Strahlenschutz Nuk-Patient auf Station Praktischer Strahlenschutz in der NUK: 2. Abstand Benutzung von Abstandhaltenden Instrumenten Abstand zu Patienten wahren Patienten möglichst nur in Ein- oder Zweibettzimmern unterbringen

19 Beruflicher Strahlenschutz Nuk-Patient auf Station Praktischer Strahlenschutz in der NUK: 3. Aufenthaltsdauer Die Zeiten für Behandlung und Versorgung so gering wie möglich halten. Dabei bitte nicht die Sorgfaltspflicht vernachlässigen.

20 Beruflicher Strahlenschutz Sonstige Regelungen Mitarbeiter tragen ein Dosimeter, das monatlich ausgewertet wird. Existenz abgegrenzter Strahlenschutzbereiche die nur mit Berufsbekleidung betreten werden dürfen Existenz einer Strahlenschutzanweisung (vom Strahlenschutzbeauftragten verfasst). Jährliche Belehrungen (SSB) Jährliche Betriebsärztliche Untersuchungen

21 Betrieblicher Strahlenschutz Gesetzestexte / Praktische Entsorgung Die Art der Entsorgung wird gemäß der Halbwertszeit (HWZ) der Radionuklide bestimmt: HWZ > 100 Tage: Hier muss generell eine Abgabe der Radioaktiven Stoffe an eine von der Behörde bestimmten Landessammelstelle (z.b. in Geesthacht) erfolgen.

22 Betrieblicher Strahlenschutz Regelungen: HWZ < 100 Tage Beispiele: HWZ < 100 Tage: Bei solchen Radionukliden kann eine uneingeschränkte Freigabe, also eine Entsorgung als normaler Hausmüll unter Beachtung der Grenzwerte zur Freigabe in der Strahlenschutzanweisung erfolgen. Hier sind die oberen Grenzwerte für flüssige und feste radioaktive Stoffe zu beachten. Nuklid 18 F 99m Tc 111 In 123 I 131 I Uneingeschränkte Freigabe Anl.III Tab.1 Spalte 5 Feste Stoffe, Flüssigkeiten Bq/g

23 Betrieblicher Strahlenschutz Regelungen: HWZ < 100 Tage Zwischenlagerung bis zum Erreichen des Freigabegrenzwerts Unterbringung in speziellen Lagerräumen mit feuersicherer Tür. Lagerung über mindestens 15 HWZ Sortierung nach HWZ und Aktivität. Freigabemessplatz:

24 Betrieblicher Strahlenschutz Radioaktive Abwässer der Therapiestation Sammlung der Abwässer der Therapiestation in einer Wasserschutzanlage mit mehreren Stapelbehältern (UKSH: 5 Stück á 10 m3) Durch serielle Befüllung und Abgabe kann so jeder Behälter ca. 4-5 Monate physikalisch abklingen (15-19 HWZ).

25 Betrieblicher Strahlenschutz Radioaktive Abwässer der Therapiestation Voraussetzungen für den Betrieb einer Therapiestation: Aktivitätsgrenzwert für die Abgabe an die Kanalisation (UK-SH): 3700 Bq/l Getrennte Abwasserführung im Gebäude Strahlenschutzanweisung Über Bezug, Verbrauch und Verbleib von Radionukliden muss ein jährlicher Bericht an die Behörde erfolgen.

26 Diagnostische Untersuchungen Nuklearmedizin Häufigkeit - diagnostische Referenzwerte (DRW) - mittl. Dosen der dosisintensivsten Untersuchungen Organ ( Häufigkeit ) Scan/Test Radiopharmakon DRW [MBq] Mittl. Dosis Dosisintensivste Untersuchungen [msv] Schilddrüse (57%) Szintigraphie [ 99m Tc]Pertechnetat 75 Skelett (23%) Knochenszintigraphie - benigne Erkrankungen - maligne Erkrankungen [ 99m Tc]MDP,-DPD,-HDP ,1 Herz (10%) Perfusion/Vitalität [ 99m Tc]Sestamibi, [ 99m Tc]Tetrofosmin - Zweitagesprotokoll - Eintagesprotokoll [ 201 Tl]Chlorid ,0 RNV [ 99m Tc]Erythrozyten 750 Nieren (4%) Funktionsszintigraphie [ 99m Tc]MAG3 [ 99m Tc]DTPA Szintigraphie [ 99m Tc]DMSA 70 Lunge Perfusion [ 99m Tc]MAA - planar - SPECT Ventilation [ 99m Tc]Aerosol 1000 Gehirn Perfusion [ 99m Tc]HMPAO [ 99m Tc]ECD ,8 PET Glukose-Uptake [ 18 F]FDG - 2D Modus - 3D Modus ,6 Mittlere Belastung (alle Verfahren) : 2,7 msv. Mittlere Belastung pro Bürger und Jahr: 0,11 msv (im Vergleich: 2 msv in der Radiologie)

27 Nuklearmedizinische Therapie Radioiodtherapie der Schilddrüse Benigne Therapien: Herddosen ca Sv Maligne Therapien: Herddosen > 500 Sv Es besteht direkte Abhängigkeit zwischen der Iodkinetik der Schilddrüse und der mit der Aktivität erreichbaren Herddosis! Bestimmung der Iodkinetik der Schilddrüse vor der Therapie Berechnung der Aktivität für die vom Arzt bestimmten Herddosis mit den bestimmten Kinetikparametern. => Radioiodtest

28 Nuklearmedizinische Therapie Radioiodtest Verabreichung einer geringen I-131-Testaktivität (ca. 4 MBq, keine therapeutische Wirkung). Durch die Ioditpumpe des Körpers wird das Iod (teilweise) in die Schilddrüse befördert und dort gespeichert. Maximale Anreicherung meist nach 24 h, dann exponentieller Abfall. Vormessung der Testaktivität auf der Gammakamera (100%-Wert). Applikation! Messung der SD des Patienten nach ca. 7h, 24h, 48h und ggf. 72h nach Applikation auf der Gammakamera. Quantitative Auswertung der Messungen (Counts der Kapsel u. SD) Bestimmung folgender Parameter: 24h-Uptake => SD-Counts(24h)/Counts Kapselvormessung in % Halbwertszeit für t > 24h. Bestimmung der Halbwertszeit der Aktivitätsreduktion in der SD (exponentiell) Einsetzen der Parameter in die modifizierte Marinelliformel (s. nächste Seite)

29 Nuklearmedizinische Therapie Radioiodtest Mod. Marinelli-Formel

30 Individualdosimetrie Einführung und Theorie Ermittlung der Strahlendosen auf die Organe Lunge, Leber, Milz, Nieren und rotes Knochenmark bei nuklearmedizinischen Therapien gemäß dem MIRD-Konzept (Medical Internal Radiation Dose). Aktivität wird in den einzelnen Organen unterschiedlich angereichert und abgegeben (Biokinetik). Bestimmung der Kinetik für jedes Organ notwendig, das dosimetriert werden soll. BEISPIEL

31 Individualdosimetrie Einführung und Theorie Bestimmung der Kinetik der Verbindung in den einzelnen Organen über mehrere Tage Gabe einer Testaktivität (ca. 200 MBq) Ermittlung der Retention der Organaktivitäten aus der quantitativen Auswertung von täglichen Ganzkörperszintigraphien (3-7 Tage). Berechnung der Gesamtzahl der stattgefundenen radioaktiven Zerfälle (Kumulierte Aktivität). Bestimmung der Organdosis mit experimentell und theoretisch ermittelten Werten zur Energiedeposition pro Zerfall und der kumulierten Aktivität.

32 Individualdosimetrie Quantitative Auswertung der Messungen ROIs (Region-of-Interest) von dorsal und ventral auf den Ganzkörper und die Organe legen. Anzahl der akquirierten Counts innerhalb der ROIS aufzeichnen.

33 Individualdosimetrie Aktivitätsberechnung der Organe Zur Umrechnung der ROI-Counts wird ein Kalbrierfaktor anhand des ersten Scans berechnet: K = ApplizierteAktivität [ MBq] Anzahl der Counts in der GK ROI Die Aktivität der Organe berechnet sich dann wie folgt: Organaktivität = K * Anzahl Counts in der Organ ROI

34 Individualdosimetrie Aktivitätsberechnung der Organe Aktivitätsergebnisse in Abhängikeit zur Zeit graphisch auftragen (z.b. mit EXCEL) => Aktivitätsretention im Organ Analytische oder numerische Integration des (exponentiellen) Kurvenverlaufs ergibt die kumulierte Aktivität => Anzahl aller Zerfälle im Organ

35 Individualdosimetrie Kurvenanpassung Beispiel: Aktivitätsretention einer Niere mit Anpassung eines monoexponentiellen Modells Anpassung von exponentiellen Funktionen A( t) = A 1 (0) ln(2)* t / T Anpassung bringt initiierte Aktivität und Halbwertszeit Durch analytische Integration wird die Kumulierte Aktivität errechnet. e 1

36 Individualdosimetrie Weitere Berechnung der Dosis Bestimmung der mittleren Verweildauer der Aktivität im Körper: τ = A A Kum Appl Mittlere Verweildauern der Organe in Dosimetrieprogramm (Mirdose, Olinda) eintragen. Ergebnis sind dann die Dosisfaktoren (Dosis pro GBq) Multiplikation mit der Therapieaktivität ergibt die gewünschte Therapiedosis.