Dosimetrie der ionisierenden Strahlungen. Institut für Biophysik&Strahlenbiologie

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1 Dosimetrie der ionisierenden Strahlungen 1

2 Entdeckung (Röntgenstrahlung, Radioaktivität usw.) Anwendung (Vorteile, positive Wirkungen) Dosimetrie (schädliche Folgen) Das Abschätzen des Ausmasses der schädlichen Wirkung ist die Aufgabe der Dosimetrie, in erster Linie zur Prophyilaxe. 2

3 Teilchenstrahlungen α, β -, β + n EMS γ, X 3

4 Physikalische Strahlendosimetrie: sie soll in den Geweben an einer vorliegenden Stelle die absorbierte Energie bestimmen Aus dem Aspekt der biologischen Wirkung ist die Kenntnis der absorbierten Energie zwar von elementarer Bedeutung, aber nicht ausreichend. Biologische Strahlendosimetrie: sie soll auf eine erlittene Dosis von unbekannter Größe anhand von gut meßbaren, statistisch auswertbaren biologischen Änderungen geschlossen werden. 4

5 Primäre Wechselwirkung Chemische/Biochemische Reaktionskette Biologische Manifestation Zeitskala: ~ps ~ ns µs Stunden/ /Jahren Ereignis Physikalische Wechselwirkung Chemisch-physikalische Vorgänge (photo)chemische/biochemische Vorgänge Schädigungen der biologischen Makromoleküle/Moleküle Frühschäden (Zelltod, Absterben des Organismus infolge der strukturellen Schaden) Spätschädigungen (Tumoren, Mutationen ) Zeitskala <10-14 s s ~ 10-7 s Stunden 10-3 s Stunden Stunden Wochen Jahren Jahrzehnten 5

6 Der Mechanismus der Strahlenwirkung Primäre Prozesse Primärschäden des Makromoleküls (DNS) 2 3 Schädigung des Makromoleküls (DNS) 1 Bildung aktiver Wasserradikale (z.b.: HO. ) Bildung von Mutationen Störungen der biochem. Mechanismen Sekundäre Prozesse morphologische Veränderungen Zelltod Absterben des Organismus 6

7 Ionisierende Strahlung UV-Strahlung Chemikalien 34 nm Dimerisation 2 nm Einzelstrangbruch Doppelstrangbruch Basisverlust Basisaustausch 7

8 Strahlenwirkung reversibel irreversibel Reparatur-Mechanismen Strahlenverletzung, Strahlenkrankheit akut chronisch Dosis der erlittenen Strahlenbelastung Biologische Wirkung der Strahlung (Strahlenschäden) Stochastische Wirkung Deterministische Wirkung 8

9 Stochastische Wirkung auf Molekül- oder Zellebene jeder Strahlenschädigung Wahrscheinlichkeit der Schädigung Erhöhung der Dosis erhöht nur die Wahrscheinlichkeit der Geschwulstentstehung, aber nicht den Schweregrad der Krankheit. Dosis Es gibt keine Schwellendosis! z.b.: Entstehung von bösartigen Geschwülsten (Krebs) 9

10 Deterministische Wirkung 100% Wahrscheinlichkeit der Schädigung Schwellendosis Dosis z.b.: Strahlenschädigung des roten Knochenmarks, Abnahme der Leukozyten, Erythem Erhöhung der Dosis erhöht den Grad der Schädigung 10

11 Wahrscheinlichkeit der Schädigung Schweregrad 100 % 50 % Dosis Schwere Veränderung (zb. Gewebenekrosis) mittlere Veränderung leichte Veränderung (zb. Erythema) Schwelledosis Dosis Empfindlichkeit E 1 > E 2 > E 3 Schweregrad pathologischen Veränderung D 1 D 2 D 3 Dosis Schwelledosis der pathologischen Veränderung 11

12 Dosisbegriffe Physikalische Dosisbegriffe Charakterisierung der physikalischen Wirkung Biologische Dosisbegriffe biologische Effekte werden berücksichtigt 12

13 Physikalische Dosisbegriffe Das grundlegende Ziel ist es die mit der biologischen Wirkung zusammenhängenden physikalischen Größen zu definieren und mit messbaren Größen in Beziehung zu setzen. 13

14 A. Energiedosis Energiedos is absorbierte Strahlungsenergie Masse E E J D m ρ V kg [ D] Gy (Gray) Gültigkeit: für sämtliche Strahlungen keine Beschränkung auf Energie oder Materie Louis Harold Gray (* 10. November 1905 in London, 9. Juli 1965 in Northwood) war ein britischer Physiker und Radiologe sowie Begründer der Radiobiologie. 14

15 Strahlenbelastung und Dosisniveaus letale Dosis (LD): Diejenige Dosis, die innerhalb 30 Tagen beim 100 % der bestrahlten Personen zum Tod führt: D > 8 Gy bei Ganzkörperbestrahlung halbletale Dosis (LD 50 ): Diejenige Dosis, die innerhalb 30 Tagen beim 50 % der bestrahlten Personen zum Tod führt: D > 5-8 Gy bei Ganzkörperbestrahlung 15

16 Organ/ Bildgebung/Test Aktivität(MBq) Skelett Knochen/Knochenmark 600/400 Herz Perfusion/Vitalität/Ventrikuläre Funktion 800/75/600 Schilddrüse Speicherungskurve und Scan 3-50 Hirn Blutfluß 500 Benzodiazepin-Rezeptoren 185 Dopamin-Rezeptoren 185 Nieren unterschiedliche Methoden Lunge Perfusion 100 Ventilation 1000 Gebräuchliche Dosen in der Medizin bei normaler Fraktionierung 5 x 2 Gy/Woche Strahlensensible Tumoren Gy Mittelmäßig empfindliche Gy Tumoren Strahlenresistente über 60 Gy Tumoren 16

17 B. Ionendosis Ionendosis elektrische Ladung eines Luftmasse Vorzeichens X Q m Luft ρ Q V Luft [ X ] C kg Gültigkeit: für Röntgen und Gamma-Strahlung in Luft bis ~ 3 MeV beim Elektronengleichgewicht! 17

18 Zusammenhang zwischen Ionendosis (X) und der Energiedosis (D) in einem Gewebe Bezeichne f 0 die mittlere Energie zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft (~34 ev) f 0 34 J/C f o : Energie/Ionenpaare X Ionenpaare/Masse D absorbierte Energie/Masse D Luft f o X X ist in Luft gemessen! Wie kann man aus der Dosis in Luft die Dosis im Gewebe errechnen? 18

19 19 x J J ~ µ Schwächung der Strahlung x J t A E µ ~ x J t A E ρ µ ρ ~ x t t J x A V m E m µ ~ t J D m ~ µ D µ m ~

20 20 Bremsvermögen s x E x A V V m ρ, A s D m 1 s m D ~ x s E m x s m E V x s D ρ x A x s D ρ A s D ρ 1 ρ s s m Massenbremsvermögen

21 Das Elektronengleichgewicht Elektronengleichgewicht: die Zahl der aus dem Volumen V austretenden Elektronen mit der Zahl der eintretenden Elektronen übereinstimmt Gewebe luftgefüllter Hohlraum (V) Kammerwand Primärelektron Sekundärelektronen Sekundärelektronen werden gemessen; sie tragen hauptsächlich zur Ionendosis bei. 21

22 Gewebe luftgefüllter Hohlraum Kammerwand Die Kammerwand hat aus Sicht der Ionisation ähnliche Eigenschaften wie die Luft ausreichend dick, deshalb gelangen die in den Geweben entstandenen Elektronen nicht in die Kammer Jede Substanz, die ähnlich wie Luft absorbiert und streut, ist als luftäquivalent bezeichnet. Oberhalb ~0,6 MeV besitzen die Photonen ein zu großes Durchdringsvermögen Elektronengleichgewicht kann nicht mit luftäquivalentem Material erfüllt werden. 22

23 Photonendetektor (bei Energien unter 0,6 MeV) Beim Elektronengleichgewicht ist die Menge der Sekundärelektronen proportional zur Absorption der Photonen, welche mit dem Massenschwächungskoeffizient des Absorbents verbunden ist. 2 τ m (cm /g) Wellenlänge ( pm) Wasser Luft Photonenenergie ( kev) D D Gewebe Luft µ m, Gewebe µ D Gewebe D Luft D Gewebe f o m, Luft X µ µ m, Gewebe µ m, Luft m, Gewebe µ m, Luft 23

24 Das Bragg-Gray Meßprinzip Gewebe luftgefüllter Hohlraum a Kammerwand a.) die Kammerwand ist so dünn, dass die Elektronen aus dem Gewebe ohne Hinderniss in den Hohlraum eindringen können. b.) Die Kammerwand besteht aus einem gewebsäquivalenten Stoff : Bragg-Gray Meßprinzip b 24

25 Elektronendetektor (bei Energien über 0,6 MeV) Es gibt kein Elektronengleichgewicht zwischen der Luft im Hohlraum und seiner Umgebung a Gewebe luftgefüllter Hohlraum Kammerwand b Im Gegenteil: Die Ionendichte im Hohlraum ist dieselbe wie im umgebenden Gewebe Die Anzahl der Sekundärelektronen hängt vom Massenbremsvermögen der Strahlung im Absorbent ab. D Gewebe D Luft s m, Gewebe s m, Luft 25

26 Biologische Dosisbegriffe Reichen die physikalische Überlegungen und Beziehungen in jedem Fall aus, um aus der absorbierten Energie auf das Risiko der biologischen Schädigung zu schließen? 26

27 27

28 C. Äquivalentdosis Zielsetzung: Charakterisierung der biologischen Wirkung einer Bestrahlung am Organ-Niveau Ideen: a.) die Wirkungen es handelt sich jetzt um hauptsächlich biologische Wirkungen hängen wegen der unterschiedlichen Ionisationsfähigkeiten von der Strahlungsart ab. b.) Bei Bestrahlungen ist die Dosis im Körper nicht homogen verteilt: auf die Organe wirkt unterschiedliche Dosis ein. Sei: D T,R : Energiedosis der untersuchten Strahlung (R) in einem Organ (T) 28

29 H T : Äquivalentdosis H T wr DT, R Der Strahlungswichtungsfaktor drückt aus, um wieviel die Wirksamkeit der gegebenen Strahlung bei der Auslösung der stochastischen Wirkung größer ist, als die der X bzw. γ-strahlung. 29

30 Wenn unterschiedliche Strahlungsarten gleichzeitig wirken, ist die Äquivalentdosis: H w D, T R [ H ] T Sv (Sievert) R T R Rolf Maximilian Sievert (* 6. Mai 1896 in Stockholm; 3. Oktober 1966 in Stockholm) war ein schwedischer Physiker, der sich um die Einführung und die Weiterentwicklung des Strahlenschutzes verdient gemacht hat. Nach ihm wurde die Maßeinheit der Äquivalentdosis Sievert (Einheitenzeichen: Sv) benannt. 1 Sv ist diejenige Dosis einer ionisierenden Strahlung, die einen biologischen Effekt desselbes Maßes wie eine Röntgen oder Gamma-Strahlung mit einer Energiedosis von 1 Gy verursacht. 30

31 D. Effektivdosis Idee: Organe sind unterschiedlich empfindlich Die körpergewebeabhängige Wichtungsfaktoren Organ/Gewebe Wichtungsfaktor w T Gonaden 0.20 rotes Knochenmark 0.12 Lunge 0.12 Magen 0.12 Brust 0.05 Schilddrüse 0.05 Leber 0.05 Blase 0.05 Knochenoberfläche 0.01 Haut 0.01 Übrige 0.22 Summe 1.00 E w T H T T [ E ] Sv (Sievert) W T drückt die Wahrscheinlichkeit der relativen stochastischen Schädigung des bestrahlten Gewebes oder Organs T aus 31

32 Abgeleitete Dosisbegriffe Kollektivdosis Die Kollektivdosis ist die summierte Strahlendosis einer Population bekannter Größe, die in gegebener Zeitdauer aus einer gegebenen Strahlung auf den ganzen Körper (kollektive Effektivdosis) S N i E i i oder auf einzelne Organe (kollektive Äquivalentdosis) einwirkt. S T Ni HT, i i 32

33 Dosisleistung (Dosisrate): P D Für punktförmige γ-strahlungsquellen in Luft: P D D t K A r D K γ 2 γ mgy µ Gy P D, h h [ ] At 2 r Quelle 60 Co 131 I K γ 2 µgy Luft m GBq h Siehe Praktikum: Dosimetrie 137 Cs 80 Bedeutung: Strahlenschutz 33