Häufigkeit der Röntgenuntersuchungen in Deutschland

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Otto Brandt
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1 Häufigkeit der Röntgenuntersuchungen in Deutschland Häufigkeit der Röntgenuntersuchungen in Deutschland (angegen in Untersuchungen je 1000 Einwohner) 350 aus Strahlenthemen, Januar 2003, BfS Brustkorb Zahnaufnahmen Gliedm aßen Kopf Wirbelsäule 104 Sonstiges 85 Becken / Hüfte 76 Mammografie 70 omputertomografie 47 Bauchraum 22 Magen-Darm

2 Langstreckenflüge aus Strahlenthemen, März 2003, BfS Abflug Ankunft Dosisbereich [µsv] Frankfurt Gran Canaria Frankfurt Johannesburg Frankfurt New York Frankfurt Rio de Janeiro Frankfurt Rom 3-6 Frankfurt San Francisco Frankfurt Singapur Die Schwankungsbreite geht hauptsächlich auf die Einflüsse von Sonnenzyklus und Flughöhe zurück

3 Aufbau der Materie 1

4 Aufbau der Materie 2

5 Zerfallsreihe

6 Reichweiten

7 Zerfallsarten

8 Radioaktivität Zerfallsgesetz dn dt = λ N Einheit: 1 Bq = 1 s -1 (1 Zerfall je Sekunde) Halbwertszeit (T 1/2 ) N0 N( T1/ 2) = = N 2 T und somit gilt ln 2 λ 1 / 2 = = 0 e λt 1/ 2 0,693 λ N t = N 0 e λt

9 Das elektromagnetische Spektrum

10 Wechselwirkung ionisierender Strahlung mit Materie Photonen Strahlenarten Röntgenstrahlung - Röntgenbremsstrahlung - charakteristische Röntgenstrahlung K-Einfang γ-strahlung Schwächung von Photonenstrahlung in Materie Photoeffekt Comptoneffekt Paarbildung Teilchenstrahlung Reichweite von Teilchenstrahlung LET Direkt ionisierende Strahlung Elektronen Ionen Indirekt ionisierende Strahlung Neutronen Strahlendosis Sekundärelektronengleichgewicht Dosismessung und Ionendosis Tiefendosiskurven

11 Röntgenstrahlung Röntgenbremsstrahlung (kontinuierliches Spektrum) Charakteristisches Spektrum Wärmeentwicklung Strahlungsausbeute: f (Heizstrom) E max = f (Hochspannung)

12 Röntgenbremsstrahlung Energiebilanz: E e = hν + q Maximale Röntgenenergie: E max = hν max = hc / λ g λ g = hc / E max

13 Bremsspektrum mit charakteristischen Linien

14 Charakteristische Röntgenstrahlung

15 Elektronen K-Einfang (electron capture)

16 Der Photoeffekt Quantencharakter von Licht (Nobelpreis für A. Einstein) h ν = A + 1/2 m e v²

17 Der Comptoneffekt h ν = A + 1/2 m e v² + h ν

18 Die Paarbildung h ν = A + 1/2 m e v² + 1/2 m p v²

19 Massenschwächungkoeffizient = f (Energie) Verlauf des Schwächungskoeffizienten µ als Summe seiner Anteile aus dem Photoeffekt, dem Comptoneffekt und der Paarbildung

20 Schwächung von Photonenstrahlung in Materie Der Intensitätsverlust von Strahlung beim Durchgang durch Materie ist abhängig von: Dicke - Lambert-Beer sches Gesetz 0 µ:schwächungskoeffizient [cm -1 ] Dichte Ordnungszahl - Photoeffekt - Comptoneffekt - Paarbildung Quantenenergie di = µ I dx µx I = I e 0

21 Aktivität und Energiedosis Mittlere Energiedosis: D = E m Einheit: 1 Gray (Gy) = 1 J/kg

22 Meßgeräte

23 Das Sekundärelektronengleichgewicht Man muss zwischen der von der Strahlung abgegebenen Energie E a und der in einem Volumenelement deponierten Energie E d unterscheiden. E Dabei ist in der Regel und es gilt. a E d E d = E a E sek Falls Sekundärelektronengleichgewicht herrscht (linkes Bild), gilt: E d = E a

24 Tiefendosiskurven

25 Reichweite von α- und ß-Teilchen in Materie α-teilchen ß-Teilchen annähernd gleiche Reichweite für α-teilchen gleicher Energie (R = mittlere Reichweite) Exponentielle Abnahme der rel. Intensität mit der Eindringtiefe (R max =größte Reichweite)

26 Das LET-Konzept Die räumliche Verteilung der Energiedeposition spielt eine wichtige Rolle für die Ausprägung der Strahlenwirkung. Unter dem Linearen-Energie-Transfer versteht man die pro Weglängeneinheit in der Teilchenbahn und in der unmittelbaren Umgebung deponierte Energie. LET de dx Der LET ist längs einer Teilchenbahn nicht konstant! Strahlenart Co-60-γ-Strahlen 2 MeV-Elektronen 200 kv-röntgenstrahlen H-3-ß-Strahlen 50 kv-röntgenstrahlen 5,3 MeV-α-Strahlen LET (kev/µm) 0,22 0,20 1,70 4,70 6,30 43,00

27 Direkt ionisierende Teilchenstrahlung: Elektronen Wechselwirkung mit der Atomhülle (niedrige Energien) Elastische Atomstöße Weiche Stöße (Anregung) Inelastische Stöße (Ionisation) Wechselwirkung mit dem Atomkern (mittlere bis hohe Energien) Elastische Streuung am Atomkern Inelastische Streuung am Atomkern Kernprozesse (sehr hohe Energien)

28 Direkt ionisierende Teilchenstrahlung: Ionen Elektroneneinfang (niedrige Energien) Wechselwirkung mit der Atomhülle (mittlere Energien) Elastische Atomstöße Weiche Stöße mit Atomhülle Inelastische Stöße mit Hüllenelektronen Wechselwirkung mit dem Atomkern (hohe Energien) Elastische Streuung am Atomkern keine Bremsstrahlenerzeugung!!! Kernreaktionen

29 Ionisationsdichte entlang einer Bahnspur Ion 1 H 12 C 12 C Energie 1 MeV/u 1 MeV/u 10 MeV/u LET 25 kev/µm 625 kev/µm 105 kev/µm (in Wasser)

30 Abhängigkeit des LET eines Ions von dessen Energie LET ~ z* 2 LET ~ 1/v I 2

31 Natürliche Strahlenquellen Zivilisatorisch veränderte natürliche Strahlenexposition Strahlenthemen, Januar 2003, BfS 1,1 direkte kosmische Strahlung direkte terrestrische Strahlung 0,3 0,3 Nahrung 0,4 Inhalation von Radon und seinen Zerfallsprodukten Angaben in msv/jahr

32 Künstliche Strahlenquellen Zivilisatorische Strahlenexposition Strahlenthemen, Januar 2003, BfS < 0,01 msv/a Tschernobyl 2,0 msv/a Medizin < 0,01 msv/a Atombomben-Fallout < 0,01 msv/a Kerntechnische Anlagen < 0,01 msv/a Forschung, Technik, Haushalt

33 Äquivalenzdosis

34 Effektive Dosen bei verschiedenen Untersuchungsarten (Angaben in Millisievert) aus Strahlenthemen, März 2003, BfS Dosis [msv] Dosis [msv] Zahnaufnahme 0,01 Galle 4 Knochendichtemessungen 0,01 Harntrakt 5 Brustkorbaufnahme (Thorax) 0,03 Magen 10 Gliedmaßen 0,05 Darm 15 Kopf 0,1 Röntgenuntersuchung der Schlagadern 18 Hüfte 0,3 Mammografie (Brustuntersuchung) 0,5 Computertomografie (CT) Becken 0,6 CT Schädel 3 Wirbelsäule 1 CT Wirbelsäule 7 Bauchraum 1 CT Brustkorb 10 Röntgenuntersuchung der Venen 1 CT Bauchraum 20

35 Indirekt ionisierende Teilchenstrahlung Neutronen- Neutronen- hauptsächliche energien geschwindigkeit Wechselwirkung 10 MeV 1 MeV ca km/s Unelastische Streuung Elastische Streuung Ein Teil der kinetischen Energie des Neutrons dient zur Anregung des Kerns Die Summe der kinetischen Energien bleiben konstant 100 kev ca km/s Rückstoßprotonen 10 kev 1 kev Resonanzabsorption Bei bestimmten Neutronenenergien Kernspaltung Teilchenemission (α, ß) 0,1 ev ca. 2,3 m/s Neutroneneinfang Absorption führt zur Emission von Photonen

36 Stationen der biologische Strahlenwirkung Intra-Bahn-Effekte Energie Absorption Läsionswechselwirkung Initialläsionen Reparatur/Fixierung ChromosomenSchäden Gewebsreaktionen Zelluläre Effekte Späteffekte Akute Effekte

37 Direkter und Indirekter Strahleneffekt Elektromagnetische Strahlung (z.b. Röntgenstrahlung) schädigt die DNA indirekt durch die Erzeugung von Radikalen, aber auch direkt

38 DNA-Schäden

39 Zelluläre Strahleneffekte und Strahlenrisiko Teilungsinhibierung Akute Strahlenschäden Mutation Genetisches Risiko Neoplastische Transformation Krebsrisiko

40 Strahlenwirkung auf den Menschen Akute Wirkungen Akutes Strahlensyndrom, Organdysfunktion, Augenkatarakte, TeratogeneWirkungen Schadensgrad steigt mit der Dosis Wirkung ist deterministisch Schwellendosen Spätwirkungen Genetisches Risiko, Krebsrisiko Wahrscheinlichkeit steigt mit der Dosis Wirkung ist stochastisch Keine Schwellendosen

41 Zelluläre Strahlenwirkung Endpunkte Überleben Mutation Transformation Subzelluläre und molekulare Effekte Chromosomenaberrationen DNA-Schäden Strahlenchemie Strahlenmodifikatoren Strahlensubstanzen Strahlensensibilisatoren Strahlenqualität, RBW Zeitliches Bestrahlungsmuster Reparaturprozesse Biodosimetrie

42 Überleben

43 Mutation

44 Neoplastische Transformation

45 Neoplastische Transformation in vitro

46 Chromosomenaberrationen

47 Chromosomenbilder (1) Durchlichtmikroskopie Giemsa-Färbung Fluoreszenzmikroskopie 3-Farben-FISH

48 Vielfarben-FISH (m-fish) Chromosomenbilder (2) Fluoreszenzmikroskopie Tumormarker

49 Chromosomenbilder (3) Fluoreszenzmikroskopie Vielfarben-FISH (m-band) zum Nachweis intra-chromosomaler Aberrationen

50 Direkter und Indirekter Strahleneffekt Elektromagnetische Strahlung (z.b. Röntgenstrahlung) schädigt die DNA indirekt durch die Erzeugung von Radikalen, aber auch direkt

51 Radiochemie des Wasser

52 Strahlenschutz-Substanzen ohne Radikalfänger mit Radikalfänger

53 Strahlensensibilisatoren

54 RBW Relative Biologische Wirksamkeit 1 13 Überlebensfraktion 0,1 0,01 Röntgen RBW Alpha-Teilchen Dosis (Gy)

55 Überlebenskurven

56 Reparaturmechanismen

57 DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur

58 Menschliche Erbkrankheiten mit Reparaturdefizienzen

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