Quantifizierung der Strahlenmenge - Dosis

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1 h K L M h Physikalische Aspekte der Strahlentherapie Quantifizierung der Strahlenmenge - Dosis Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung ist korreliert mit der durch ionisierende Strahlung in einem bestimmten Volumen DV deponierten Energie DE Diese Größe nennt man Dosis in Analogie zur Verschreibung von Pharmaka DE D D m Einheit: Gray (1 Gy = 1 J/kg) Energie der einfallenden Strahlung Gotthus-Draper-Gesetz: Von der auf ein biologisches Objekt treffenden ionisierenden Strahlung wird nur der absorbierte Anteil wirksam Klinik für Strahlentherapie Medizinische Physik E Volumen DV Energie der austretenden Strahlung E - DE auf den Stoff übertragene Strahlenenergie

2 h K L M h Physikalische Aspekte der Strahlentherapie Modifikation der Strahlenwirkung Welche Faktoren können die biologische Wirkung einer bestimmten Energiedosis beeinflussen? Strahlenart? Bestrahltes Volumen? E E - DE Strahlenenergie? Volumen DV Bestrahlte Region?

3 Modifikation der Strahlenwirkung - Strahlenart Homogene Bestrahlung von menschlichen Zellen mit Gammastrahlung Intakte Menschliche Zelle 1 Gy 3

4 Modifikation der Strahlenwirkung - Strahlenart Homogene Bestrahlung von menschlichen Zellen mit Alphastrahlung Intakte Menschliche Zelle 1 Gy 4

5 Modifikation der Strahlenwirkung - Strahlenart Intakte Menschliche Zelle Gamma- Strahlung Alpha- Strahlung Defekte Menschliche Zelle Biologische Wirkung = 1 Biologische Wirkung = 20 5

6 Relative Biologische Wirksamkeit (RBW) RBW i D D x i RBW(i): Relative Biologische Wirksamkeit der Strahlung i gegenüber einer Referenzstrahlung x (Röntgenstr.) D x, D i Dosis der Referenzstrahlung x bzw. der Strahlenart i für gleichen biologischen Effekt

7 Modifikation der Strahlenwirkung - Strahlenart Muster der Energiedeposition in den strahlensensiblen Strukturen einer Zelle durch verschiedene Strahlenarten Weber, Wenz Strahlentherapie, Kap. 2

8 Modifikation der Strahlenwirkung - Strahlenart Ionisationsdichte wird charakterisiert durch LET Physikalische Größe Linear Energy Transfer LET Energieverlust pro Weglänge in (kev/µm) Je nach Ionisationsdichte unterscheidet man Locker ionisierende Strahlung (LET < = 3.5 kev/µm) Photonen (z.b. 60 Co LET= 0.2 kev/µm Elektronen (z.b. 10 MeV-El. LET = 0.2 kev/µm Protonen (150 MeV: 0.5 kev/µm) Dicht ionisierende Strahlung (LET < = 3.5 kev/µm) Alpha-Strahlung (MeV-a LET > 300 kev/µm) Ionenstrahlung ( 12 C: 100/10 MeV: 25/150 kev/µm) Protonenstrahlung (2 MeV: 17 kev/µm) LET DE Dl

9 Modifikation der Strahlenwirkung - Volumen Physikalische Dosis ist definiert als Punktgröße Um die Strahlenwirkung auf ein Organ oder Gewebe zu charakterisieren müssen wir die gesamte im Organ deponierte Energie betrachten Definition der Organdosis H T Die Organdosis H T ist die durch ionisierende Strahlung R in einem Organ oder Gewebe T deponierte Energie E, geteilt durch dessen Masse m, multipliziert mit dem Strahlungswichtungsfaktor w R H w E m T R Photonen: w R = 1

10 Organdosis Strahlungs-Wichtungsfaktoren w R Strahlungswichtungsfaktoren w R sind eine für Strahlenschutzzwecke gemittelte RBW einer Strahlenart R Strahlung Strahlungs-Wichtungsfaktor w R Photonen 1 Elektronen, Myonen 1 Neutronen E n < 10 kev 5 E n 10 kev bis 100 kev 10 E n > 100 kev bis 2 MeV 20 E n > 2 MeV bis 20 MeV 10 E n > 20 MeV 5 Protonen E p > 2 MeV 5 a-teilchen und schwere Teilchen 20

11 Modifikation der Strahlenwirkung - Organabhängigkeit Gedankenexperiment zur Erläuterung der organabhängigen Radiosensibilität Homogene Exposition einer großen Population Quantifizierung der stochastischen Strahleneffekte Population: Dosis: Stochastische Effekte Gesamt: 508 davon 1 Mio 0,1 Gy Leukämie 57 Lunge 61 Brust 26 Blase 22

12 Stochastische Strahlenwirkung Effektive Dosis E E - Effektive Dosis H T - Organdosis w T - Gewebe-Wichtungsfaktoren berücksichtigen unterschiedliche Beiträge einzelner Organe und Gewebe zum gesamten stochastischen Strahlenrisiko E w T H T Quantifizierung des Risikos sowohl bei homogener als auch bei inhomogener Bestrahlung des Körpers T Einheit: Sv Basis für die Definition von Grenzwerten Begrenzung des stochastischen Strahlenrisikos E wt wr DT, T R R

13 Effektive Dosis Gewebe-Wichtungsfaktoren w T Organe oder Gewebewichtungsfaktoren Gewebe ICRP 26 (1977) ICRP 60 (1990) ICRP 103 (2007) Keimdrüsen Rotes Knochenmark Dickdarm Lunge Magen Blase Brust Leber Speiseröhre Schilddrüse Hirn 0.01 Speicheldrüsen 0.01 Haut Knochenoberfläche Andere Gewebe/Organe Normierte Größe Sw T = 1 Sw T = 1 Sw T = 1

14 Stochastisches Strahlenrisiko (ICRP 90) Stochastisches Risiko ist alters- und geschlechtsabhängig Mittleres Risiko Somatisches Risiko: 5 % Sv -1 Genetisches Risiko: 1 % Sv -1

15 Strahlenrisiko und Effektive Dosis Durchlassstrahlung Röntgenstrahler Nutzstrahlung Beispiel E 1mSv Strahlenrisiko Risikokoeffizient Dosis 5% / Sv 0,001 Sv Aus Literatur 0,005% Streustrahlung Patient bzw. Phantom Bei Personen erleiden 5 eine stochastische Wirkung (Organ unbestimmt) E=2 msv Bei Personen erkranken 10 E=10 msv Bei Personen erkranken 50

16 Strahlenrisiko Qunatifizierung Quantifizierung: Dosis Schadenswahrscheinlichkeit Angabe der Risikofaktoren in %/Sv wenn 100 Personen mit je 1 Sv exponiert werden, dann erkrankt im statistischen Mittel die angegebene Anzahl an einem zusätzlichen strahleninduzierten Tumor %/Sv (ICRP 26, 1977) %/Sv (ICRP 60, 1990) %/Sv (ICRP 103, 2007) Somatisches Risiko Vererbbare Defekte Gesamtrisiko Zur Bewertung eines Schadens und zur Begründung eines Basisgrenzwertes nicht hinreichend Liefert keine Aussage über den individuellen und mittleren Verlust an Lebenszeit und Lebensqualität bei heilbaren Krebsen

17 Strahlenrisiko Detriment ICRP: Einführung des Begriffs des Detriments (Schaden) als erweitertes, mehrdimensionales Risikokonzept Berücksichtigung von Einzelrisiken bei einer Strahlenexposition des Gesamtkörpers mit niedrigen Dosen: Krebssterberisiko in allen relevanten Organen unterschiedlicher Verlust an Lebenszeit durch Latenzzeitunterschiede der Krebsarten Morbidität aus nicht tödlich verlaufenden strahleninduzierten Krebsfällen schwere vererbbare Krankheiten in allen von der exponierten Person abstammenden zukünftigen Generationen

18 Strahlenrisiko Risikobewertung Begründung der Grenzwerte zur Limitierung der stochastischen Strahlenwirkungen mit sozialer Bewertung des Risikos Problem: weder die Dosis-Risiko-Beziehung noch die subjektive oder gesellschaftliche Akzeptanzskala für Risiken zeigen Schwellen bzw. qualitative Sprünge zwischen akzeptabel und unakzeptabel Grenzwerte stellen deshalb Grenze zwischen unakzeptabel und tolerabel dar. (tolerabel ist immer noch unerwünscht! Grundsätze zur weiteren Minimierung der Exposition!)

19 Strahlenrisiko und Dosisgrenzwerte Merkmale des Detriments durch Exposition von Beschäftigten Effektive Dosis/a 10 msv 20 msv 30 msv 50 msv Lebenszeitdosis 0.5 Sv 1.0 Sv 1.4 Sv 2.4 Sv Wahrscheinlichkeit Krebstod Lebenszeitverlust bei Krebstod Mittlerer Verlust an Lebenszeit 1.8 % 3.6 % 5.3 % 8.6 % 13 a 13 a 13 a 13 a 0.2 a 0.5 a 0.7 a 1.1 a Tolerabel Unakzeptabel Grenzwert der effektiven Dosis: 20 msv/a (ICRP: 100 msv/5a)

20 Grenzwerte effektive Dosis und Organdosis Körperdosis Grenzwert in msv/a Effektive Dosis 20 Augenlinse 150 Haut, Hände, Unterarme, Füße, Unterschenkel, Knöchel Keimdrüsen, Gebärmutter, rotes Knochenmark 500 Schilddrüse, Knochenoberfläche 300 Dickdarm, Lunge, Magen, Brust, Blase, Leber, Speiseröhre Berufslebensgrenzwert: 400 msv

21 Strahlenschutzgrundsätze Rechtfertigung der Anwendung Jede Anwendung ionisierender Strahlung muss gerechtfertigt sein: Nutzen muss höher als der zu erwartende Schaden sein Gilt gesamtgesellschaftlich als auch individuell Minimierung der Exposition Gerechtfertigte Anwendungen müssen mit minimal möglicher Exposition durchgeführt werden unter Beachtung ökonomischer, sozialer u.a. Aspekte ALARA-Prinzip: As Low As Reasonably Achievable Grenzwerte GW der effektiven Dosis zur Begrenzung des Risikos auf tolerables Niveau Teilkörperdosis-GW zum Ausschluss deterministischer Wirkungen

22 Körperdosisgrößen und Dosismessgrößen KATEGORIEN Körperdosisgrößen als Basis für die Abschätzung möglicher Strahlenschäden zur Begründung von Grenzwerten stochastischer Strahlenwirkungen in der Praxis nicht messbar Organdosis Effektive Dosis Dosismessgrößen zur praktischen Bestimmung von Schätzwerten der Körperdosen unter Berücksichtigung der Eindringtiefe in den menschlichen Körper mit physikalisch eindeutigen Definitionen anwendbar bei allen Strahlenarten und bei Messungen in gemischten Strahlenfeldern

23 Dosisgrößen am Patient Berechnung Organdosis Effektive Dosis K O K O H Rotes KM w Rotes KM =0.05 H Haut w Haut =0.05 H Lunge H Leber H Dickdarm H Lunge H Blase H w Leber Lunge =0.12 w Blase =0.05 wleber =0.05 H Dickdarm w Dickdarm =0.05 Berechnung/Abschätzung aus K o und Feldgröße mit Monte-Carlo-Berechnungen Berechnung aus Organdosen und Wichtungsfaktoren Abschätzung mit Konversionsfaktoren

24 Dosisgrößen am Patient Messung im Phantomen Körperähnliche Phantome (RANDO-Phantom) Scheiben-Phantom, gewebeäquivalente Materialien Bohrungen zur Aufnahme von Detektoren

25 Dosismessgrößen im Strahlenschutz des Personals Ortsdosis Schätzwert der effektiven Dosis für eine Person, die sich an einem bestimmten Ort aufhält Bsp: Ortsdosisleistung: 12.5 µsv/h Aufenthaltszeit: 3 h/wo. Dosis: 37.5 µsv/wo µsv/h

26 Dosismessgrößen im Strahlenschutz des Personals Personendosis Individuelles Maß für die Exposition einer einzelnen Person wird i.d.r mit einem Personendosimeter ermittelt

27 Messung der Personendosis Filmdosimeter (Gleitschattenkassette) Direktanzeigendes elektronisches Dosimeter

28 Messung der Personendosis Liefern Schätzwert für die Effektive Dosis Müssen an repräsentativer Stelle des Körpers getragen werden = Voraussetzung für Gleichsetzen von Personendosis und Körperdosis Sind unter der Schutzkleidung zu tragen Zur Überwachung müssen amtliche Dosimeter verwendet werden Werden von Messstelle ausgegeben Filmdosimeter, TLD (Fingerringe) Tragezeitraum ist üblicherweise 1 Monat