Jakob Roth: Strahlenschutz in der Medizin, Verlag Hans Huber, Bern by Verlag Hans Huber, Hogrefe AG, Bern Keine unerlaubte Weitergabe oder

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Jakob Roth Strahlenschutz in der Medizin Praktische Anleitung zum Strahlenschutz in Röntgendiagnostik, Nuklearmedizin und Strahlentherapie Verlag Hans Huber

Anschrift des Autors: Prof. Dr. Jakob Roth Kirchackerstrasse 28 CH-4422 Arisdorf Lektorat: Dr. Klaus Reinhardt Herstellung: Daniel Berger Umschlaggestaltung: Atelier Mühlberg, Basel Druckvorstufe: KONKORDIA GmbH Das Medienunternehmen, Bühl Druck und buchbinderische Verarbeitung: KONKORDIA GmbH Das Medienunternehmen, Bühl Printed in Germany Bibliographische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Dieses Werk, einschließlich aller seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen sowie die Einspeicherung und Verarbeitung in elek - tronischen Systemen. Die Verfasser haben größte Mühe darauf verwandt, dass die therapeutischen Angaben insbesondere von Medikamenten, ihre Dosierungen und Applikationen dem jeweiligen Wissensstand bei der Fertigstellung des Werkes entsprechen. Da jedoch die Medizin als Wissenschaft ständig im Fluss ist und menschliche Irrtümer und Druckfehler nie völlig auszuschließen sind, übernimmt der Verlag für derartige Angaben keine Gewähr. Jeder Anwender ist daher dringend aufgefordert, alle Angaben in eigener Verantwortung auf ihre Richtigkeit zu überprüfen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen oder Warenbezeichnungen in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Anregungen und Zuschriften an: Verlag Hans Huber Lektorat Medizin Länggass-Strasse 76 CH-3000 Bern 9 Tel: 0041 (0)31 300 4500 Fax: 0041 (0)31 300 4593 verlag@hanshuber.com www.verlag-hanshuber.com 1. Auflage 2008 ISBN 978-3-456-84537-1

5 Inhalt Geleitwort von Werner Zeller, Leiter der Abteilung Strahlenschutz im Bundesamt für Gesundheit...................... 14 Vorwort...................................................................... 15 1. Physikalische Grundlagen................................................ 17 1.1 Aufbau der Materie....................................................... 17 1.1.1 Von der Körperzelle zum Atomteilchen................................ 17 1.1.2 Der Mensch physikalisch betrachtet................................... 20 1.2 Strahlung................................................................ 21 1.2.1 Teilchen- und Wellenstrahlung....................................... 22 1.2.2 Strahlung aus radioaktiven Quellen................................... 23 1.2.3 Röntgenstrahlung.................................................. 27 1.3 Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie.............................. 30 1.3.1 Schwächung von Photonenstrahlung.................................. 30 1.3.2 Elektronen- und Beta-Strahlung...................................... 33 1.3.3 Lineares Energieübertragungsvermögen (LET).......................... 34 1.4 Dosis und Dosismessung................................................... 34 1.4.1 Dosisbegriffe...................................................... 35 1.4.2 Nachweis ionisierender Strahlung..................................... 36 1.4.3 Phantome......................................................... 41 1.4.4 Berechnung von Dosen.............................................. 42 1.5 Bildgebende Systeme...................................................... 44 1.5.1 Röntgenfilm....................................................... 44 1.5.2 Speicherfolie...................................................... 45 1.5.3 Bildverstärker (BV)................................................. 46 1.5.4 Flachdetektor...................................................... 46 1.5.5 Szintillationskamera................................................ 47 1.5.6 Digitalisierung..................................................... 47 1.5.7 Molekulare Bildgebung.............................................. 48 1.6 Abbildungsgesetze und Unschärfen.......................................... 49 2. Strahlenbiologische Grundlagen......................................... 53 2.1 Strahlenbiologische Begriffe................................................ 53 2.2 Mechanismus der biologischen Strahlenwirkung............................... 54

6 Inhalt 2.3 Beeinflussung der biologischen Strahlenwirkung............................... 58 2.4 Strahlenbiologie in der Strahlentherapie...................................... 61 3. Strahlenwirkung, Strahlenrisiken......................................... 65 3.1 Strahlenwirkungen........................................................ 65 3.1.1 Dosis-Wirkung-Beziehung........................................... 65 3.1.2 Auswirkungen von ionisierender Strahlung auf den Körper............... 66 3.2 Stochastische Strahlenwirkung.............................................. 68 3.2.1 Risikoabschätzung.................................................. 68 3.2.2 Beurteilung des Strahlenrisikos....................................... 70 3.3 Deterministische Strahlenwirkung........................................... 70 3.4 Pränatale Strahlenwirkung................................................. 73 3.5 Genetische Strahlenwirkung................................................ 74 4. Schwangerschaft und Strahlung.......................................... 77 4.1 Risikobeurteilung......................................................... 77 4.2 Abschätzung der Dosis am Embryo bzw. Fetus................................. 77 4.2.1 Röntgenuntersuchung.............................................. 77 4.2.2 Nuklearmedizinische Untersuchung................................... 79 4.2.3 Strahlentherapie................................................... 80 4.3 Maßnahmen nach einer pränatalen Strahlenexposition.......................... 81 4.4 Spezielle Maßnahmen zur Dosisreduktion am Fetus............................ 81 5. Technik und Methoden in der Röntgendiagnostik........................ 85 5.1 Röntgengeräte............................................................ 87 5.1.1 Aufbau und Funktion der Röntgenanlage.............................. 87 5.1.2 Röntgenaufnahme.................................................. 89 5.1.3 Durchleuchtung................................................... 91 5.1.4 Computer-Tomographie (CT)........................................ 92 5.1.5 C-Bogen mit Computer-Tomographie................................. 95 5.2 Einrichtungen, Zubehör................................................... 96 5.2.1 Streustrahlenraster................................................. 96 5.2.2 Belichtungsautomatik............................................... 96 5.2.3 Ausgleichsfilter.................................................... 96 5.3 Bildgebende Systeme...................................................... 97 5.3.1 Film-Folien-Kassetten............................................... 97 5.3.2 Digitale Radiographie............................................... 100 5.4 Beeinflussung der Strahlexposition des Patienten............................... 102 5.4.1 Streustrahlung..................................................... 102 5.4.2 Einblendung...................................................... 102 5.4.3 Abschirmung...................................................... 103 5.5 Besonderheiten in der zahnärztlichen Radiologie............................... 106

Inhalt 7 6. Technik und Methoden in der Nuklearmedizin............................ 109 6.1 Nuklearmedizinische Diagnostik............................................ 109 6.2 Geräteeigenschaften....................................................... 111 6.2.1 Gamma-Kamera................................................... 111 6.2.2 Einzelphotonen-Emissions-Computer-Tomographie (SPECT)............. 112 6.2.3 Positronen-Emissions-Tomographie (PET)............................. 113 6.2.4 Ganzkörperzähler.................................................. 114 6.2.5 Aktivimeter....................................................... 115 6.3 Nuklearmedizinische Therapie.............................................. 116 6.4 Spezielle Betrachtungen.................................................... 117 6.4.1 Halbwertszeiten.................................................... 117 6.4.2 Zählstatistik....................................................... 117 6.4.3 Messfehler........................................................ 118 7. Technik und Methoden in der Strahlentherapie.......................... 119 7.1 Hochvolttherapie mit Linearbeschleuniger.................................... 119 7.2 Photonenstrahlung........................................................ 121 7.2.1 Multi-Leaf-Kollimator (MLC)........................................ 121 7.2.2 Abschirmblöcke für irreguläre Felder.................................. 122 7.2.3 Plexiglas-Trägerplatten.............................................. 123 7.2.4 Keilfilter.......................................................... 123 7.2.5 Schädelmasken.................................................... 124 7.2.5 Patiententisch..................................................... 125 7.3 Elektronenstrahlung....................................................... 126 7.3.1 Irreguläre Felder................................................... 128 7.3.2 Schutz des Auges................................................... 129 7.4 Neue Bestrahlungstechniken................................................ 130 7.4.1 Intensitätsmodulierte Radiotherapie (IMRT)........................... 130 7.4.2 Stereotaktische Radiotherapie........................................ 131 7.4.3 Bildgesteuerte Radiotherapie......................................... 131 7.4.4 Protonen und schwere geladene Teilchen............................... 132 7.4.5 Bestrahlungsplanung und Bildgebung................................. 133 7.5 Brachytherapie........................................................... 133 7.6 Röntgentherapie.......................................................... 134 7.7 Hyperthermie............................................................ 136 7.8 Ganzkörperbestrahlung (TBI).............................................. 136 7.9 Wechselwirkungen zwischen Strahlung und nichtbiologischen Materialien......... 137 7.9.1 Moulagen......................................................... 137 7.9.2 Metallimplantate................................................... 137 7.9.3 Herzschrittmacher................................................. 139 7.10 Bestrahlunsgplanung...................................................... 139 7.11 Immobilisation des Patienten bzw. des Zielvolumens............................ 140

8 Inhalt 8. Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik............................ 143 8.1 Allgemeine Maßnahmen................................................... 143 8.2 Konventionelle Röntgengeräte.............................................. 146 8.3 Durchleuchtungsgeräte.................................................... 147 8.4 Computer-Tomographen (CT-Geräte)....................................... 148 8.5 Mammographie-Geräte.................................................... 150 8.6 Bildgebung.............................................................. 151 8.6.1 Filmverarbeitung................................................... 151 8.6.2 Digitale Bildgebung................................................ 153 8.6.3 Diagnostische Qualitätskriterien...................................... 154 8.7 Besonderheiten in der zahnärztlichen Radiologie............................... 154 8.7.1 Zahnärztliche Röntgenanlagen....................................... 154 8.7.2 Filmverarbeitung................................................... 154 8.7.3 Digitale Dental-Röntgensysteme...................................... 155 8.8 Diagnostische Referenzwerte (DRW)......................................... 156 9. Qualitätssicherung in der Nuklearmedizin................................ 161 9.1 Allgemeine Maßnahmen................................................... 161 9.2 Gammakamera........................................................... 163 9.2.1 Konstanzprüfung.................................................. 163 9.2.2 Zustandsprüfung................................................... 164 9.3 Aktivimeter.............................................................. 165 9.4 In-vivo- und In-vitro-Messplätze............................................ 166 9.5 Strahlenschutz-Messgeräte................................................. 167 9.6 Diagnostische Referenzwerte (DRW)......................................... 169 10. Qualitätssicherung in der Strahlentherapie............................. 171 10.1 Von den physikalischen Kontrollen zum Qualitätssicherungskonzept.............. 171 10.2 Bestrahlungsgeräte........................................................ 172 10.2.1 Linearbeschleuniger................................................ 173 10.2.2 Afterloadingsystem................................................. 175 10.2.3 Röntgentherapiegerät............................................... 176 10.3 Bestrahlungsplanungssystem und bildgebende Systeme......................... 177 10.3.1 Bestrahlungsplanungssystem (TPS)................................... 177 10.3.2 Computer-Tomograph (CT)......................................... 178 10.3.3 Simulator......................................................... 179 10.3.4 Electronic Portal Imaging Device (EPID)............................... 180 10.4 Kontrolle der Lagerung und Einstellung des Patienten.......................... 180 10.5 Kontrolle der Dosis bei der individuellen Bestrahlungsplanung................... 181 10.5.1 Hochvolttherapie.................................................. 181 10.5.2 Brachytherapie.................................................... 183

Inhalt 9 10.6 In-vivo-Messungen....................................................... 185 10.7 Konstanzprüfung der Dosimeter............................................ 186 10.8 Kontrolle des gesamten Bestrahlungsablaufs................................... 188 10.9 Registrierung und Aufbewahrungspflicht von Daten............................ 188 10.10 Statistische Auswertung der Therapieergebnisse................................ 188 11. Grundlagen des Strahlenschutzes....................................... 191 11.1 Gegenwärtiger Stand des Strahlenschutzes.................................... 191 11.2 Grundsätze des Strahlenschutzes............................................ 193 11.3 Praktischer Strahlenschutz................................................. 194 11.4 Gesetzliche Grundlagen.................................................... 195 11.4.1 Bewilligungswesen................................................. 196 11.4.2 Strahlenschutz-Bereiche............................................. 197 11.4.3 Bauliche Strahlenschutzmassnahmen.................................. 198 11.5 Möglichkeiten der Dosisreduktion........................................... 198 12. Strahlenschutz in der Röntgendiagnostik............................... 201 12.1 Allgemeine Strahlenschutzmaßnahmen....................................... 201 12.2 Strahlenschutz des Patienten................................................ 202 12.2.1 Röntgenaufnahmen................................................ 203 12.2.2 Durchleuchtungsuntersuchungen..................................... 205 12.2.3 CT-Untersuchungen................................................ 206 12.3 Strahlenschutz des Personals und von Drittpersonen............................ 206 12.4 Strahlenschutz in der Dentalradiologie....................................... 208 12.5 Schutzmaterial........................................................... 210 13. Strahlenschutz in der Nuklearmedizin................................... 217 13.1 Allgemeine Strahlenschutzmaßnahmen....................................... 217 13.2 Strahlenschutz des Patienten bei nuklearmedizinischer Diagnostik................ 218 13.3 Strahlenschutz des Patienten bei nuklearmedizinischer Therapie.................. 219 13.4 Strahlenschutz des Personals................................................ 220 14. Strahlenschutz in der Strahlentherapie.................................. 225 14.1 Allgemeine Strahlenschutzmaßnahmen...................................... 225 14.2 Abschirmung des Bestrahlungsraumes....................................... 225 14.3 Aktivierung durch hochenergetische Photonenstrahlung........................ 226 14.4 Durchlassstrahlung des Bestrahlungsgerätes................................... 227 14.5 Geschlossene radioaktive Quelle............................................. 227 14.6 Röntgentherapieanlage.................................................... 228

10 Inhalt 15. Ausbildung.............................................................. 229 15.1 Bezeichnung von Funktionen............................................... 229 15.2 Aufgaben und Pflichten der Strahlenschutz-Sachverständigen.................... 230 15.3 Strahlenschutzausbildung für Ärzte.......................................... 231 15.4 Strahlenschutzausbildung für Zahnmediziner................................. 233 15.5 Strahlenschutzausbildung für medizinisches und zahnmedizinisches Personal...... 234 15.6 Medizinphysiker mit Fachanerkennung....................................... 235 15.7 Fortbildung.............................................................. 235 15.8 Demonstrationen für die Ausbildung......................................... 236 16. Strahlenexpositionen durch natürliche und künstliche Strahlenquellen......................................................... 237 16.1 Bestimmung der Strahlenexposition......................................... 237 16.2 Natürliche Strahlenexpositionen............................................ 239 16.2.1 Strahlenquellen.................................................... 239 16.2.2 Natürliche Radioaktivität, natürliche Zerfallsreihen...................... 242 16.3 Zivilisatorische Strahlenexpositionen........................................ 244 17. Strahlenexposition des Patienten....................................... 245 17.1 Röntgendiagnostische Untersuchungen....................................... 245 17.1.1 Röntgenaufnahmen................................................ 248 17.1.2 Durchleuchtungen................................................. 250 17.1.3 Computer-Tomographien (CT)...................................... 250 17.2 Nuklearmedizin.......................................................... 254 17.3 Strahlentherapie.......................................................... 257 17.4 Bewertung............................................................... 261 18. Strahlenexposition bei beruflich strahlenexponierten Personen........ 263 18.1 Gesetzliche Grundlagen.................................................... 263 18.2 Dosisüberwachung........................................................ 265 18.3 Berufliche Tätigkeit und Schwangerschaft..................................... 267 18.4 Ergebnisse der Personendosimetrie.......................................... 267 19. Strahlenunfall........................................................... 271 19.1 Symptome bei hoher Strahlenexposition...................................... 272 19.2 Vorgehen und Maßnahmen bei Strahlenverletzten.............................. 272 19.2.1 Grundsätzliches zu kontaminierten Patienten........................... 274 19.2.2 Vorgehen bei externer Bestrahlung.................................... 274

Inhalt 11 19.2.3 Vorgehen bei Kontamination......................................... 274 19.2.4 Vorgehen bei Inkorporation.......................................... 275 19.2.5 Kontaktstellen..................................................... 275 19.3 Beispiele von Strahlenunfällen.............................................. 276 19.3.1 Medizinische und industrielle Strahlenunfälle........................... 276 19.3.2 Auswirkungen des Kernkraftwerkunfalls in Tschernobyl von 1986.......... 277 20. Gefährdung durch nichtionisierende Strahlung (NIS).................... 279 20.1 Ultraschall (US).......................................................... 279 20.2 Laser und lichtemittierende Diode (LED)..................................... 280 20.3 Magnet-Resonanz (MR)................................................... 282 20.4 Ultraviolette Strahlung (UV)............................................... 283 20.5 Schall................................................................. 285 20.6 Mobilfunk............................................................... 286 20.7 Elektrosmog............................................................. 287 21. Geschichtliche Entwicklung der Strahlenanwendung in der Medizin.... 291 21.1 Zeittafel................................................................. 291 21.2 Wichtige Personen........................................................ 294 21.3 Fachgesellschaften und gesetzliche Regelungen................................. 295 21.4 Blick in die Zukunft....................................................... 295 Anhang A: Begriffe.............................................................. 299 Anhang B: Abkürzungen......................................................... 301 Anhang C: Elemente............................................................. 305 Anhang D: Maßeinheiten........................................................ 309 Literatur................................................................. 311 Sachwortverzeichnis............................................................. 317

Seite 12 Vakat

13 Dieses Buch ist allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der ehemaligen Abteilung Radiologische Physik am Universitätsspital Basel gewidmet. Verantwortlich ist man sowohl für das, was man tut, als auch für das, was man nicht tut. (Laotse, chinesischer Philosoph, wahrscheinlich 604 v. Chr. geboren) Die Dinge sollten so einfach wie möglich dargestellt werden aber nicht einfacher. (Albert Einstein, Physiker und Nobelpreisträger, 1879 1955)

14 Geleitwort Das vorliegende Buch von Prof. Dr. Jakob Roth füllt eine echte Lücke beim Thema Strahlenschutz in der Medizin. Dieses umfassende und sehr sorgfältig erarbeitete Buch, welches sich sowohl für Studierende der Medizin und alle medizinisch technischen Fachleute insbesondere auch für die radiologisch tätigen Ärzte eignet, erklärt verständlich und ohne viele Formeln auch komplexe Sachverhalte im Strahlenschutz und in der medizinischen Radiologie. Vierzig Jahre Berufserfahrung finden hier ihren Niederschlag, dabei fehlen auch sehr aktuelle und kritische Auseinandersetzungen mit wissenschaftlichen Themen nicht. Speziell erwähnenswert ist, dass die gesetzlichen Aspekte und Besonderheiten der Schweiz mitberücksichtigt und kritisch diskutiert werden. Der Autor kann sich dabei auf eigene Forschungsresultate, landesweite Erhebungen und Messungen im Bereich des Strahlenschutzes in der Medizin abstützen. Man spürt das hohe persönliche Engagement des Leiters der früheren Abteilung Radiologische Physik am Universitätsspital Basel und des ehemaligen Präsidenten der Eidgenössischen Strahlenschutzkommission, der sich seit Jahrzehnten für einen zielgerichteten und wirkungsvollen Strahlenschutz einsetzt. Möge dieses Buch dazu beitragen, den Strahlenschutz im dosisintensiven Bereich zu verstärken. Werner Zeller Leiter der Abteilung Strahlenschutz im Bundesamt für Gesundheit

15 Vorwort Der Begriff Strahlenschutz löst in vielen Fällen negative Assoziationen aus: Vorschriften, Kontrollen, Einschränkungen und Auflagen. Und dies erst noch in der Medizin, wo behördliche Regulierungen bei Abklärungen und Behandlungen von Patienten vom ärztlichen Personal mit Argwohn beurteilt werden. Der Strahlenschutz verlangt in der Medizin ungewohnte Einschränkungen, wie sie bei anderen Tätigkeiten kaum gefordert werden. Es ist sicher unbestritten, dass ionisierende Strahlen ein Risiko für unerwünschte Auswirkungen an betroffenen Personen darstellen können. Dass ihre Anwendungen so stark reglementiert sind, ist jedoch weniger mit einer besonders großen Gefährlichkeit im Vergleich mit andern Noxen (chemische und biologische Schadstoffe, schädigende Umwelteinflüsse) zu begründen, sondern eher mit dem großen Wissensstand auf diesem Gebiet. Damit können Einschränkungen zum Schutze vor allfälligen Strahlenschäden zielgerichtet erlassen werden. Die Wirkungen von ionisierenden Strahlen und deren Folgen kennt man heute sehr gut. Das umfassende Wissen erlaubt es, die Anwendungen von ionisierenden Strahlen auf das Notwendige und auf akzeptierte Risiken einzuschränken. Trotzdem gibt es noch viele offene Fragen, z. B. in der Strahlenbiologie. Es ist erfreulich, dass neue Erkenntnisse auf dem Gebiet des Strahlenschutzes in der Schweiz jeweils relativ rasch in der Gesetzgebung Einzug finden. So war die Schweiz nach 1994 während fast zehn Jahren ein Musterknabe bezüglich Strahlenschutz. Als erstes Land hat die Schweiz damals neue Erkenntnisse der internationalen Strahlenschutz-Kommission (ICRP, 1990) sowie Schlussfolgerungen aus dem KKW-Unfall in Tschernobyl (1986) im Strahlenschutzgesetz (1991) und in der Strahlenschutzverordnung (1994) rasch umgesetzt. Die Anregung für das vorliegende Buch entstammt der Idee, die über viele Jahre gesammelten Messungen, Abklärungen und Ideen sowie Diskussionen bei der Mitarbeit in Kommissionen und Arbeitsgruppen festzuhalten. Vielleicht können sie anderen, im Strahlenschutz tätigen Personen dienlich sein. Der Strahlenschutz besteht nicht aus Blei, oder wie F. Wachsmann bereits im Jahre 1969 geschrieben hat: «Im Strahlenschutz wiegt ein Gramm Gehirn mehr als eine Tonne Blei». Zudem wurde im Unterricht immer wieder beklagt, dass kein Lehrbuch für den Strahlenschutz in der Medizin zur Verfügung steht, welches die spezifischen Verhältnisse in der Schweiz berücksichtigt. Sowohl in den Vorlesungen für Medizin- und Zahnmedizin- Studierende, in Strahlenschutzkursen für ärztliche Sachkundige und Sachverständige, im Unterricht für MTRA oder MPA, in Fortbildungskursen usw. wurde mehrfach der Wunsch nach einem entsprechenden Lehrmittel geäußert. Dies ist auch ein Grund dafür, dass der Strahlenschutz für alle Gebiete der Medizin (insbesondere Röntgendiagnostik, Nuklearmedizin und Strahlentherapie) in einem Buch beschrieben wird. Damit sollen Gemeinsamkeiten aufgezeigt und Quervergleiche sowie Synergien zum Nutzen des Strahlenschutzes ermöglicht werden. Es sei darauf hingewiesen, dass zahlreiche verwendete Begriffe und Abkürzungen in den Anhängen A und B erläutert sind. Im Anhang C sind die zurzeit bekannten Elemente aufgelistet und in Anhang D die Maßeinheiten beschrieben. Am Ende jedes Kapitels ist empfohlene und weiterführende Literatur angegeben. Zudem sind die zitierten Stellen in einem umfangreiches Literaturverzeichnis am Schluss des Buches