Bildgebende Systeme in der Medizin

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1 10/27/2011 Page 1 Hochschule Mannheim Bildgebende Systeme in der Medizin Grundlagen Radioaktivität Faculty of Medicine Mannheim University of Heidelberg Theodor-Kutzer-Ufer 1-3 D Mannheim, Germany Friedrich.Wetterling@MedMa.Uni-Heidelberg.de 10/27/2011 Page 2 Übersicht 1) Historie 2) Radioaktive Stoffe 3) Radioaktive Strahlung 4) Interaktion von radioaktiver Strahlung mit Materie 5) Natürliche Radioaktivität 6) Strahlenschutzmaßnahmen Seite 1 1

2 10/27/2011 Page 3 Literatur Bildgebende Verfahren in der Medizin von der Technik zur medizinischen Anwendung, Buch. XIV, 377 S.: 345 s/w-abbildungen. Hardcover, Springer Berlin ISBN Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik, 3. wesentlich überarbeitete Auflage,1995 Heinz Morneburg, Publicis MCD Verlag 10/27/2011 Page 4 Historie 1895, Wilhelm Conrad Röntgen: elektromagnetische Strahlen, die Materie durchdringen 1896, Henri Becquerel: natürliche Radioaktivität 1898, Marie Curie: Radium, Polonium (2006 Alexander Walterowitsch Litwinenko) Seite 2 2

3 10/27/2011 Page 5 Bohrsches Atommodel Elektronen bewegen sich auf bestimmten Kreisbahnen, die einem bestimmten Energieniveau entsprechen. Solange sie sich auf einer Bahn bewegen, bleibt ihre Energie konstant. Ansonsten gelten die Gesetze der klassischen Mechanik (z.b. Anziehung durch den Kern). Die Bewegung der Elektronen erfolgt strahlungslos. Beim Übergang des Elektrons von einem Energieniveau E1 zu einem niedrigeren Niveau E2, wird ein Photon mit der Energie E=hf=E1-E2 freigesetzt. Der Bahndrehimpuls der Elektronen darf nur diskrete (gequantelte) Werte annehmen: mvr=fh/2π; h=6, Js 10/27/2011 Page 6 Definition Chemische Elemente charakterisiert durch die Ordnungszahl, Z, Z = Anzahl von Protonen im Kern = Anzahl von Elektronen in der Atomhülle Isotope Atome eines chemischen Elementes mit unterschiedlicher Anzahl an Neutronen, N Nuklide Ein durch Massenzahl, A, (A = N + Z) und Ordnungszahl, Z, spezifiziertes Atom Symbolische Schreibweise: A Z ELEMENT N Beispiel: U U U 146 Kurzform: 235 U 236 U 238 U oder Uran-235 Uran-236 Uran-238 Seite 3 3

4 10/27/2011 Page 7 Radioaktivität Eigenschaft mancher Nuklide, spontan (ohne Einwirkung äußerer Kräfte) durch Emission von Teilchen oder Energiequanten in andere Nuklide zu zerfallen oder sich in andere Nuklide umzuwandeln 10/27/2011 Page 8 Strahlenarten α-strahlung: Emission eines 4 He-Kernes: 226 Ra 222 Rn + α β-strahlung: Emission eines Elektrons: oder Emission eines Positrons: oder Elektroneneinfang: 14 C 14 N + e- + ν 40 K 40 Ca + e+ ν 40 K + e- 40 Ar + ν γ-strahlung: Emission energiereicher elektromagnetischer Strahlung (γ-quanten oder Photonen) Seite 4 4

5 10/27/2011 Page 9 Radioaktive Strahlung Ionisierende Strahlung: besitzt pro Photon genügend Energie um eine Elektron aus der Elektronenhülle herauszulösen. Das Atom ist danach ionisiert. 10/27/2011 Page 10 Radioaktivität: Messgrößen Energiedosis = absorbierte Energie/ Masse des absorbierenden Körper (Einheit: Gray, Gy) Dosisleistung = Energiedosis/Zeit (Einheit: Gray/h, Gray/a) Kann nicht im Körper direkt gemessen werden, aber in Dosimetersonder und Ionisationskammer! Seite 5 5

6 10/27/2011 Page 11 Radioaktivität: Messgrößen Äquivalentdosis = Energiedosis Bewertungsfaktor (Einheit: Sievert, Sv) Äquivalentdosisleistung = Äquivalentdosis/Zeit (Einheit: µsv/h, msv/a) 10/27/2011 Page 12 Radioaktivität: Messgrößen Ionendosis = gebildete Ladungsmenge pro Masse (Einheit: C/kg) Ionendosisleistung = Ionendosis pro Zeiteinheit (Einheit: C/t/kg, A/kg) Seite 6 6

7 10/27/2011 Page 13 Energiedosis und Ionendosis Zusammenhang zwischen Energiedosis D und Ionendosis J: D = Eion dq e dm = U ion J E ion = mittlerer Energieaufwand zur Erzeugung eines Elektron-Ion-Paares in Normal-Luft = 33,7 ev U ion = mittlere Ionisationsspannung ( = 33,7 V) 10/27/2011 Page 14 Radionuklide im Menschen 1 Becquerel: Ist die Einheit der Aktivität und gibt die mittlere Anzahl der Atomkerne an, die pro Sekunde radioaktiv zerfallen. Radionuklid Aktivität in Bq K C Rb Pb-210, Bi-210, Po kurzlebige Zerfallsprodukte des Rn H-3 25 Be-7 25 kurzlebige Zerfallsprodukte des Rn sonstige 7 Summe 9112 Seite 7 7

8 10/27/2011 Page 15 Umrechnung der Aktivität in die Dosisleistung D& = k A 2 r 10/27/2011 Page 16 Kritische Ionendosis Seite 8 8

9 10/27/2011 Page 17 Natürliche Radioaktivität Kosmische Höhenstrahlung: Energiereiche Teilchen aus dem Weltraum ( im wesentlichen Protonen) verursachen beim Zusammenstoß mit Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre Kernreaktionen bei denen u. a. Radionuklide entstehen Terrestrische Strahlung: Hauptsächlich Gammstrahlung, die von Radionukliden im Boden verursacht wird, welche durch stellare Nukleosynthese vor Milliarden Jahren gebildet wurde Nukleosynthese: - in Sternen: Verschmelzen leichter Kerne zu schwereren Kernen (bis ca. Masszahl A = 60) - in Sternexplosionen: komplizierte Kernreaktionspfade führen zu Kernen mit A > 60 - es werden instabile Nuklide erzeugt, die durch radioaktive Umwandlung oder radioaktiven Zerfall in stabile Nuklide übergehen 10/27/2011 Page 18 Strahlenexposition Fluggast auf Transatlantikflug (2x10h in 10km Höhe): 100µSv Pflegepersonal (2h in 0.5m Abstand): 30µSv Seite 9 9

10 10/27/2011 Page 19 Strahlenwirkung Strahlenwirkung abhängig von: -Milieufaktoren (wo wird bestrahlt) -Strahlenart/ qualität (harte weiche Röntgenstrahlung etc.) -Dosis (Ionen, Energie, Äquivalentdosis) -zeitl. Dosierung (Frage der Dosisleistung) -Räuml. Dosisverteilung (nur Melanom oder Gesamtorgan bestrahlen.) -Relative Strahlenempfindlichkeit Toleranzdosen: Dosis die die Bestrahlung eines bestimmten Organs mit definiertem Fraktionsschema noch akzeptiert wird Schwelldosis: Ganzkörper Erbrechen 500mSv Auge Katarakt ( grauer Star ) mSv Knochenmark Tod 1000mSv Haut Rötung, Haarausfall 3000mSv 10/27/2011 Page 20 Strahlenwirkung Seite 10 10

11 10/27/2011 Page 21 Natürliche Radioaktivität 10/27/2011 Page 22 Maßnahmen zum Strahlenschutz 1. Abstand 2. Aufenthaltsdauer 3. Abschirmung 4. Vermeidung von Kontamination 5. Vermeidung von Inkorporation Seite 11 11

12 10/27/2011 Page 23 Wechselwirkung von Strahlen mit Materie x I 0 Reflexion I Streuung P Linearer Schwächungskoeffizient µ = Summe aller Teilabschwächungen Quantifizierung der Wechselwirkung durch Schwächungsgesetz: I = I 0 e µ x I 0 = Intensität der Strahlung beim Auftreffen auf das Objekt I = Intensität der Strahlung nach dem verlassen des Objekts x = Dicke der Materie 10/27/2011 Page 24 Radioaktiver Zerfall: Halbwärtszeit Gesetz des radioaktiven Zerfalls N N 0 Anzahl radioaktiver Kerne N = N 0. e λt = N. λ : Aktivität - Anzahl der Zerfälle pro Zeitintervall N 0 /2 ln 2 T 1/2 : Halbwertzeit ( T 1/2 = ) λ λ : Zerfallskonstante N 0 /4 N 0 /8 N 0 /16 0 T 1/2 2T 1/2 3T 1/2 4T 1/2 t Seite 12 12

13 10/27/2011 Page 25 Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit Materie 3 physikalische Prozesse: -Photoeffekt -Streuung -Paarbildung Kann vernachlässigt werden! Laubenberger and Laubenberger. Technik der medizinischen Radiologie, Deutscher Ärzte-Verlag /27/2011 Page 26 Photoeffekt (Absorption) - Energie des Röntgenquants wird auf ein Elektron der Atomhülle übertragen - Elektron wird aus der Hülle geschleudert - Tritt hauptsächlich bei Röntgenstrahlen mit niedriger Energie auf - Auger-Elektron: Strahlungsfreier Übergang der Energie des auffüllenden Elektrons auf ein äußeres Hüllenelektron Seite 13 13

14 10/27/2011 Page 27 Photoeffekt 10/27/2011 Page 28 Streuung Klassische Streuung - Richtungsänderung des einfallenden Röntgenquants ohne Energieverlust - Hauptsächlich im langwelligen Strahlenbereich Compton Streuung Compton-Streuung - Richtungsänderung des Röntgenquants mit partieller Energieänderung - Hauptsächlich im kurzwelligen Bereich Seite 14 14

15 10/27/2011 Page 29 Paarbildung Bildung eines Elektrons und Positron - Nur bei hohen Strahlungsenergien (> 2* 511 kev) relevant in der Radiotherapie (Röntgen, CT < 200 kev) Positron zerfällt in zwei 511 kev Photonen - relevant für Radiotherapie und PET 10/27/2011 Page 30 Positronen-Emmission β + - Zerfall protonenreicher Kerne: Nachweis zweier γ-quanten (je 511 kev) Halbwärtszeiten 15 O 2 min 13 N 10 min 11 C 20 min 18 F 110 min Seite 15 15

16 10/27/2011 Page 31 Annihilation Maximale Wegstrecke vor der Annihilation 10/27/2011 Page 32 Totaler linearer Schwächungskoeffizient µ Koeffizient der Photoabsorption τ µ = τ + σ + χ σ Streuung σ R σ C χ η τ τ fl σ R η σ σ S Paarbildung η µ η Elektronen Photonen Morneburg. Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik 1995 Seite 16 16

17 10/27/2011 Page 33 Weitere Schwächungskoeffizienten Massenschwächungskoeffizient µ m, Division mit Dichte der Materieρ: µ = m µ ρ Lineare Schwächungskoeffizient Dichte τ ρ 3 = C λ Z 3 Massenabsorptionskoeffizient für Photonenabsorption (Näherung) - λ= Wellenlänge der Röntgenstrahlung - Z = Ordnungszahl des durchstrahlten Stoffes - C = materialunabhängige Konstante 10/27/2011 Page 34 Massenabsorptionskoeffizient (II) Diagnostische Energie (< 200 kev): Blei: Photoeffekt ist dominant, d.h. Photonenenergie wird in kinetische Energie von Elektronen übertragen tatsächliche Absorption Wasser: Compton Effekt ist dominant, z.b. Kontrast von Weichgewebe im Röntgenbild wird erzeugt durch verschiednen Compton Schwächungskoeffizienten der jeweiligen Gewebearten Problem: Compton Streuung kaskadierender Prozess erzeugt zweites Photon Körper eines Patienten wird zweite Strahlungsquelle Streustrahlung! Seite 17 17

18 RUPRECHT-KARLS 10/27/2011 Page 35 Schwächung: Zusammenfassung τ = C λ3 Z 3 ρ Dössel. Bildgebende Verfahren in der Medizin 2000 RUPRECHT-KARLS 10/27/2011 Page 36 Zusammenfassung - Radioaktivität: Eigenschaft mancher Nuklide, spontan (ohne Einwirkung äußerer Kräfte) durch Emission von Teilchen oder Energiequanten in andere Nuklide zu zerfallen oder sich in andere Nuklide umzuwandeln - Gammastrahlung ist hochenergetische elektromagnetische Strahlung - Wechselwirkung von Gammastrahlen mit Materie (Photo, Compton- und Paarbildungseffekt) Schwächungskoeffizienten Seite 18 18