01-Teil1 [Kompatibilitätsmodus] - uniklinikum-jena.de · das entsprechende Atom Die Anzahl der...
Transcript of 01-Teil1 [Kompatibilitätsmodus] - uniklinikum-jena.de · das entsprechende Atom Die Anzahl der...
11.05.2017
1
Radioaktiver Zerfall
Kern:
Atombau
S. WiegandS. Wiegand
Proton
Neutron
ElektronHülle:
Elektronenschalen:
Die Energie wächst mit dem Abstand zum Kern
=
Radioaktiver Zerfall
Atombau
S. WiegandS. Wiegand
I13153
Ordnungszahl
Massezahl
Element
= Anzahl Protonen
= Anzahl Protonen + Neutronen
Schreibweise:
EMZ
Beispiel:
Jod mit 53 Protonen und 78 Neutronen
Radioaktiver Zerfall
Ion
S. WiegandS. Wiegand
Anzahl ist ungleich der Anzahl Elektronen
Proton Elektron< >
B1-
Das Ion besitzt andere chemische Eigenschaften als das entsprechende Atom
Die Anzahl der Nukleonen ist Verantwortlich für die physikalischen Eigenschaften
Radioaktiver Zerfall
Begriffe
S. WiegandS. Wiegand
Nuklid: gleiche Protonen und Neutronenzahl I
13153
Isotope: gleiche Protonen ungleiche Neutronenzahl I
13153 I
12353
Isotone: gleiche Neutronenzahl H
31 He
42 Li
53
Isobare: gleiche Nukleonenzahl N
177 O
178 F
179
11.05.2017
2
Radioaktiver Zerfall
Begriffe
S. WiegandS. Wiegand
Isomere Umwandlung: Übergang in einen energieärmeren Zustand unter Emission von Gammastrahlung Tc
99m43
Elementarladung: 1 eV – Einheit für die Energie von Strahlung
S. WiegandS. Wiegand
Welche Teilchen sind in jedem Atom vorhanden?
a) Protonenb) Neutronenc) Elektronend) Positronene) Nukleonen
010
000
Fragen zum Atombau
1. alle sind richtig2. a, c und e sind richtig3. a und b sind richtig4. b, c und d sind richtig5. e ist richtig.
S. WiegandS. Wiegand
Welche Teilchen befinden sich im Atomkern?
a) Protonenb) Neutronenc) Elektronend) Positronene) Neutrinos
010
000
Fragen zum Atombau
1. alle sind richtig2. c und d sind richtig3. a und b sind richtig4. a, b und e sind richtig5. d ist richtig.
S. WiegandS. Wiegand
Welche Teilchen sind geladen?
a) Protonenb) Neutronenc) Elektronend) Atomee) Ionen
010
000
Fragen zum Atombau
1. alle sind richtig2. a und e sind richtig3. b und d sind richtig4. e ist richtig5. a, c und e sind richtig
11.05.2017
3
S. WiegandS. Wiegand
Was ist richtig?
a) Ordnungszahl = Anzahl Nukleonenb) Kernladungszahl = Ordnungszahlc) Kernladungszahl = Anzahl Protonend) Massezahl = Anzahl Nukleonene) Massezahl = Ordnungszahl
010
000
Fragen zum Atombau
1. alle sind richtig2. a ist richtig3. b, c und d sind richtig4. c ist richtig5. e ist richtig
Zerfallsarten
S. WiegandS. Wiegand
Teilchenstrahlung:
elektromagnetische Strahlung:
Strahlung
Strahlung
Strahlung
Spontane Umwandlung instabiler Atomkerne unter Aussendung ionisierender Strahlung
Radioaktivität
Unterscheidung
Zerfallsarten
- 2 Neutronen + 2 Protonen - = He-Kern
Strahlung
S. WiegandS. Wiegand
- groß und schwer- geringe Reichweite (mm in Luft) - hohe biologische Wirksamkeit - Nuklearmedizinisch für therapeutische Anwendungen geeigent.
(XofigoR - ambulante paliative 223Ra-Therapie bei fortgeschrittenem Prostata CA)
- OZ -2; MZ -4
Zerfallsarten
- - = Elektron
- Strahlung
S. WiegandS. Wiegand
- mittlere Reichweite (cm in Luft)- nuklearmedizinische
Bedeutung in der Therapie(z.B. Radio – Iod – Therapie mit 131I)
- Masse eines Elektrons
- es entstehen isobare des Mutternuklids OZ + 1; MZ =
11.05.2017
4
Zerfallsarten
+ Strahlung
S. WiegandS. Wiegand
- + = Positron
- kurze Lebensdauer durch schnelle Rekombination mit frei beweglichen Elektronen
- nuklearmedizinischeBedeutung für diePositronen – Emissions - Tomographie
- Masse eines Elektrons
- es entstehen isobare des Mutternuklids OZ -1; MZ =
Zerfallsarten
Strahlung
S. WiegandS. Wiegand
- keine Ruhemasse- hohe Reichweite
(m in Luft) - geringe biologische
Wirksamkeit - Bedeutung für die
nuklearmedizinische Diagnostik
Eigenschaften der Strahlung:
- Photonenstrahlung
Zerfallsarten
S. WiegandS. Wiegand
Entstehung von Strahlung
- Energieüberschuss nach Kernumwandlung - Metastabil
- keine Kernumwandlung,Mutter und Tochternuklid sind gleich
Isomere Umwandlung:
Zerfallsarten
- Elektron aus innerer Schalewird vom Kern eingefangen
S. WiegandS. Wiegand
- Elektron aus äußerer Schale rückt nach
- Überschüssige Energie wird als Strahlung abgegeben
- es entstehen Isobare des MutternuklidsOZ < 1; MZ =
Entstehung von StrahlungElektroneneinfang:
11.05.2017
5
Zerfallsarten
S. WiegandS. Wiegand
Heliumkern ElektronPhotonen-strahlung
mm cm m
schwach stark nicht ablenkbar
Zerfallsarten
S. WiegandS. Wiegand
Zerfallsarten
S. WiegandS. Wiegand
Zerfallsarten
S. WiegandS. Wiegand
11.05.2017
6
S. WiegandS. Wiegand
Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
- Wahrscheinlichkeit des Zerfalls innerhalb einer Sekunde- Einheit [1/s]- Statistischer Prozess – Berechnungen gelten nur bei
großer Anzahl zerfallender Atome
- Lambda
HWZ - Halbwertszeit
- gut geeignet für Überschlagsrechnung
- proportional zu (anschaulicher)
HWZ2ln
- Zeit nach der die Hälfte vorhandener Atome zerfallen ist Einheit [s]
bzw. die HWZ sind nuklidspezifisch!
Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
HWZ2ln
Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
11.05.2017
7
Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
zerfallendes Nuklid=
Mutternuklid
entstehendes Nuklid =
Tochternuklid
durch instabile Tochternuklide entstehen Zerfallsreihen
Zerfallsreihen
Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
At = Aktivität nach t
tHWZ
ttλ
t eAAodereAA
2ln
00
A0 = Aktivität zum Zeitpunkt 0
t = Zeitspanne
HWZ = Halbwertszeit ln = natürlicher Logarithmus (ln2 ~ 0,69)
e = Eulersche Zahl (Konstante ~ 2,72)
1.3. Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
At = Aktivität nach 24 Stunden
Ein Radiopharmakon hat folgende Daten:Nuklid: 99mTc (HWZ = 6h)Ausgangsaktivität: 500 MBq
a) Welche Aktivität ist nach 24 Stunden noch vorhanden?
Aufgabe:
ges.:
HWZ = 6 hA0 = 500 MBq
geg.:
t = 24 h
tHWZ
t eAA
2ln
0
hh
t eMBqA24
669,0
500
MBq,At 2531
Nach 24 Stunden sind noch 31,25 MBq vorhanden.
1.3. Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
Ein Radiopharmakon hat folgende Daten:Nuklid: 99mTc (HWZ = 6h)Ausgangsaktivität: 500 MBq
b) Welche Aktivität ist 17:30 Uhr vorhanden, wenn die Ausgangsaktivität 08:00 Uhr gemessen wurde?
Aufgabe:
min)570(5,9 ht
t = Zeitspanne zwischen 08:00 und 17:30.ges.:
min570min36069,0
500
eMBqAt
min)360(6hHWZ
MBqAt 167 17:30 Uhr sind noch 167 MBq vorhanden.
11.05.2017
8
1.3. Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
At = Aktivität zum Zeitpunkt der Herstellung
Für eine PET Untersuchung in Jena müssen 300 MBq FDG appliziert werden. Das Nuklid, 18F (HWZ = 110 min) wird aus Dresden Rossendorf geliefert. Die Transportzeit beträgt 2 Stunden. Welche Aktivität muss bestellt werden?
Aufgabe:
ges.:
HWZ = 110 minA0 = 300 MBq
geg.:
t = - 2 h (-120 min)
tHWZ
t eAA
2ln
0
min120min11069,0
300
eMBqAt
MBqAt 639
639 MBq müssen bestellt werden.
1.3. Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
A0= 1kBq (1000 Bq)
Bei einer Kontaminationsmessung wird 1 kBq gemessen. Nach 24 Stunden (ohne Dekontamination) wird eine zweite Messung durchgeführt die 796,5 Bq ergibt. Um welches der angegebenen Nuklide handelt es sich? (111In = 67,2 h, 201Tl = 71,6 h, 99mTc = 6 h, 131I = 192 h)
Aufgabe:
ges.: HWZ
At = 796,5 Bq geg.:
t = 24 h
1.3. Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
A0= 1kBq (1000 Bq)ges.: HWZ
At = 796,5 Bq geg.:
t = 24 h t
HWZt eAA
2ln
0
tHWZt e
AA
2ln
0
hHWZ 9,72
hHWZe
BqBq 2469,0
10005,796
HWZh
e56,16
7965,0
HWZh56,167965,0ln
HWZh56,162275,0
2275,056,16 hHWZ
Es handelt sich um 201Tl.
1.3. Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
tA = Aktivität zum Zeitpunkt der Applikation
Für eine Applikation 12 Uhr werden 185 MBq 90Yttrium (HWZ 64h) benötigt. Das Radiopharmakon ist auf den Folgetag 13 Uhr mit 205 MBq kalibriert und hat ein Volumen von 0,88 ml. Eine Messung der Aktivität ist nicht möglich. Welches Volumen muss für die Applikation verwendet werden?
Aufgabe:
ges.:aV = Applikationsvolumen
HWZ = 64 hA0 = 205 MBq
geg.:
t = - 25 h (At liegt vor dem Kalibrierzeitpunkt)
11.05.2017
9
1.3. Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
tA
HWZ = 34 h
t = - 25 h
Für eine Applikation 12 Uhr werden 185 MBq 90Yttrium (HWZ 64h) benötigt. Das Radiopharmakon ist auf den Folgetag 13 Uhr mit 205 MBq kalibriert und hat ein Volumen von 0,88 ml. Eine Messung der Aktivität ist nicht möglich. Welches Volumen muss für die Applikation verwendet werden?
Aufgabe:
ges.:
geg.:
aV
A0 = 205 MBqt
HWZt eAA
2
0
ln
Betrachtet man die 205 MBq als Ausgangsaktivität A0 so liegt At in der Vergangenheit, folglich ist t negativ
Man benötigt die Gesamtaktivität zum Applikationszeitpunkt.
1.3. Zerfallsgesetz
S. WiegandS. Wiegand
tHWZ
t eAA
2ln
0
tAHWZ = 34 ht = - 25 h
Für eine Applikation 12 Uhr werden 185 MBq 90Yttrium (HWZ 64h) benötigt. Das Radiopharmakon ist auf den Folgetag 13 Uhr mit 205 MBq kalibriert und hat ein Volumen von 0,88 ml. Eine Messung der Aktivität ist nicht möglich. Welches Volumen muss für die Applikation verwendet werden?
Aufgabe:
ges.: geg.:
Lsg.:
88,0269185 aV
MBqMBq
mlVa 6,0h
ht eMBqA
2564
69,0
205
MBqAt 269
aVA0 = 205 MBq
1.3. Radioaktive Quellen
S. WiegandS. Wiegand
Eigenschaften
Aktivität
Energie
Strahlungsart
HWZ
Folgende Größen bestimmen die Eigenschaften einer radioaktiven Quelle
1.3. Radioaktive Quellen
S. WiegandS. Wiegand
Unterscheidung von Aktivität und Energie einer radioaktiven Quelle
ACHTUNG
Aktivität:Anzahl von einer Quelle emmitierter „Teilchen“
Energie:Gegeben durch Masse und Geschwindigkeit des „Teilchens“Nuklidspezifische Größe
11.05.2017
10
2. Wechselwirkungen von Strahlung mit Materie
S. WiegandS. Wiegand
AllgemeinTrifft ionisierende Strahlung auf Materie, tritt sie mit dieser in WW
- Strahlung verliert Energie und ändert die Richtung- Materie verändert sich in seinen physikalischen, chemischen
oder biologischen Eigenschaften
Für die nuklearmedizinische Diagnostik sind vor allem die WW von Photonen ( - Strahlung) und Materie von Bedeutung
WW von Photonen mit Materiea) klassische Streuung
Photon wird ohne Energieverlust abgelenkt. Der Ablenkwinkel ist dabei klein.
b) (Bremsstrahlung (LET))Dieser Effekt ist bei Photonen sehr klein und kann für unsere Betrachtungen vernachlässigt werden
2.2. Wechselwirkungen von Photonen
S. WiegandS. Wiegand
Das Photon wird ohne Energieverlust abgelenktc) Rayleigh-Streuung (klassische Streuung)
Für die Anwendung negativFührt zu Fehlinformationen
2.2. Wechselwirkungen von Photonen
S. WiegandS. Wiegand
Das Photon wird ohne Energieverlust abgelenktc) Rayleigh-Streuung (klassische Streuung)
Für die Anwendung negativFührt zu Fehlinformationen
2.2. Wechselwirkungen von Photonen
S. WiegandS. Wiegand
Die gesamte Energie des Photons wird auf ein Elektron der Atomhülle übertragen –vollständige Absorption
c) Photoeffekt
Für die Anwendung -Positiv: Im Detektor, da Energieumwandlung auf kleinstem Raum
Negativ: Im Patienten und der Umgebung, da Verlust von Information
11.05.2017
11
2.2. Wechselwirkungen von Photonen
S. WiegandS. Wiegand
Die gesamte Energie des Photons wird auf ein Elektron der Atomhülle übertragen – vollständige Absorption
c) Photoeffekt
Für die Anwendung -Positiv: Im Detektor, da Energieumwandlung auf kleinstem Raum
Negativ: Im Patienten und der Umgebung, da Verlust von Information
2.2. Wechselwirkungen von Photonen
S. WiegandS. Wiegand
Das Photon wird durch den Zusammenstoß mit einem Elektron abgelenkt. Dabei verliert es an Energie. Das Elektron emittiert.
d) Comptoneffekt
Für die Anwendung -Positiv: Im Detektor, Meist führen mehrere Prozesse zur vollständigen Absorption
Negativ: Im Patienten und der Umgebung, da Verlust-bzw. Fehlinformation
2.2. Wechselwirkungen von Photonen
S. WiegandS. Wiegand
Das Photon wird durch den Zusammenstoß mit einem Elektron abgelenkt. Dabei verliert es an Energie. Das Elektron emittiert.
d) Comptoneffekt
Für die Anwendung -Positiv: Im Detektor, Meist führen mehrere Prozesse zur vollständigen Absorption
Negativ: Im Patienten und der Umgebung, da Verlust-bzw. Fehlinformation
2.2. Wechselwirkungen von Photonen
S. WiegandS. Wiegand
Das Photon wird in ein Elektron – Positronpaar umgewandelt. Das Positron rekombiniert nach kurzer Zeit mit einem freien Elektron und zerfällt dabei zu 2 Photonen mit jeweils 511 keV, die 180 ° zueinander emittiert werden.
e) Paarbildungseffekt
Für nuklearmedizinische Anwendung spielt dieser Effekt als WW eine untergeordnete Rolle, da so hohe Energien klinisch nicht verwendet werden.
Aber!Die Anihilation in Positronenstrahlern ist das Grundprinzip der Positronen-Emissions-Tomographie
11.05.2017
12
2.3. Wahrscheinlichkeit der WW-Prozesse von Photonen
S. WiegandS. Wiegand
Die Häufigkeit wann welche Prozesse auftreten ist von der Kernladungszahl des Absorbers und der Energie des Photons abhängig
S. WiegandS. Wiegand
Schwächungsgesetz
Wechselwirkung eines Photonenstrahls mit einer Materialschicht
µ = p + c + v
S. WiegandS. Wiegand
Schwächungskoeffizient µ
- Energie der Photonen (Nuklid)
Spezifische Größe abhängig von:
- Kernladungszahl des Absorbers
Energie µ
Kernladungszahl µ
Halbwertsschichtdicke (HWS)Dicke des Absorbermaterials bei dem 50 % der Strahlung absorbiert werden!
HWSµ 2ln Einheit [1/mm]
S. WiegandS. Wiegand
Halbwertsschichtdicken
Energie der Strahlung Schwächendes MaterialWasser Beton Blei
20 keV50 keV100 keV200 keV1 MeV
8 mm20 mm40 mm70 mm120 mm
0,1 mm2 mm7 mm
20 mm50 mm
0,005 mm0,02 mm0,1 mm0,4 mm10 mm
11.05.2017
13
S. WiegandS. Wiegand
Schwächungsgesetz
Der Anteil der durchdringenden Strahlung fällt exponentiell
xHWS
xxµ
x eIIodereII
2ln
00
S. WiegandS. Wiegand
Schwächungsgesetz
xHWS
x eII
2ln
0
0II x x = 0,1 cm
E = 0,075 MeV (Bestimmung der HWS)
a) Wie viel % der Strahlung mit der Energie 0,075 MeV (201Tl) durchdringen 0,1 cm Blei?
Aufgabe:
ges.: geg.:
Lsg.:
xHWSx e
II
2ln
0
cmcmx e
II 1,0
022,069,0
0
%1000428,00
II x
%28,40
II x
4,28 % der Strahlung durchdringen 0,1 cm Blei.
S. WiegandS. Wiegand
Schwächungsgesetz
0II x x = 1 mm
E = 0,075 MeV (Bestimmung der HWS)= 0,1 cm
Aufgabe:b) Wie viel % der Strahlung durchdringen 1 mm Wasser?
ges.: geg.:
Lsg.:cm
cmx eII 1,0
6,369,0
0
%1,980
II x
98,1 % der Strahlung durchdringen 1 mm Wasser.
S. WiegandS. Wiegand
Schwächungsgesetz
xHWS
x eII
2ln
0
HWS = 0,022 cm
Aufgabe:c) Welche Schichtdicke Blei ist Notwendig um die Strahlung
auf ¼ zu reduzieren?
ges.: geg.:
Lsg.:
2lnln2ln
ln
0
0 HWSII
HWS
II
x x
x
mmx 44,0
0,44 mm Blei sind notwendig.
x 25,00
II x
69,0022,025,0ln cmx
11.05.2017
14
S. WiegandS. Wiegand
Schwächungsgesetz
xµx eII 0
E = 364 keV
Aufgabe:d) Welches Material von 10 mm Dicke schirmt 95 % der
Strahlung mit der Energie 364 keV (131I) ab?ges.: geg.:
Lsg.:
xII
µ
x
0
ln
3,0µ
Es handelt sich um Blei.
µ
mmµ
1005,0ln
x = 10 mm05,00
II x
3,069,02ln
µ
HWS
cmmmHWS 23,03,2
Fragen zu Grundlagen
S. WiegandS. Wiegand
! M = Massezahl = Nukleonen = Protonen + Neutronen (99)! K = Kernladungszahl = Protonen (43), Elementname! Ladung = Anzahl Elektronen (44, einfach negativ), Ion! Metastabil = Energieüberschuss nach Kernumwandlung
? Was ist aus der schreibweiße eines Nuklids über den atomaren Aufbau erkennbar?
! gleiche Kernladungszahl – gleiches Element! Unterschiedliche Neutronenzahl
? Was sind Isotope?
Tc -99m43
! Alpha (kurz), ß, Gamma
? Ordnen Sie die 3 Strahlungsarten nach ihrer Reichweite?
Fragen zu Grundlagen
S. WiegandS. Wiegand
! Aktivität [Bq], Zerfälle pro Sekunde! Energie [eV], Elektron durch 1 Volt
? Nennen sie die Einheiten für Aktivität und Energie?
! a) K + 1, M bleibt gleich! b) K - 2, M - 4
? Welche Kernladungs- und Massezahl hat das Tochternuklid bei a) ß- Zerfall und b) Alpha-Zerfall?
! Photoeffekt = vollständige Absorption! Comptoneffekt = teilweise Absorption! Paarbildungseffekt = Emission einer Positrons,
2 x 551 keV Quanten nach Rekombination
? Welche Wechselwirkungen treten zwischen Photonen und Materie auf?
S. WiegandS. Wiegand
Dosimetrie
- durch Wechselwirkung übertragene Energie
- Strahlungsart
Dosis
Wie viel Energie übertragen wird ist Abhängig von:
- Intensität (Aktivität)
- Dauer der Exposition
- Absorptionseigenschaften
11.05.2017
15
S. WiegandS. Wiegand
Dosisgrößen
S. WiegandS. Wiegand
Dosisgrößen
S. WiegandS. Wiegand
? Wie hoch ist die Exposition beim Umgang mit Aktivitäten
Zusammenhang zwischen Dosis und Aktivität
1. Abstand zur Strahlenquelle
Faktoren:
2. Energie und HWZ der Strahlenquelle
Für Punkt 2 ist als Nuklidspezifische Konstante definiert
Nuklid ΓµS m²h GBq
HWZ
51Cr 5,135 27,6 d59Fe 176 46 d57Co 24,3 270 d75Se 54,1 125 d
99mTc 18,9 6 h111In 54,1 2,8 d123J 21,6 13,1 h125J 10,8 60 d131J 59 8,02 d
133Xe 2,7 5,3 d198Au 62,2 2,7 d201Tl 76 3 d
hµS
RAH 2
Die Äquivalentdosisleitung errechnet sich aus:
S. WiegandS. Wiegand
? Ein(e) MTA hält sich 20 min in 1m Abstand zu einem Patienten auf, dem 185 MBq 99mTc appliziert wurden.Welche Äquivalentdosis erhält er (sie)?
Zusammenhang zwischen Dosis und Aktivität
Beispiel:
Nuklid ΓµS m²h GBq
51Cr 5,13559Fe 17657Co 24,375Se 54,1
99mTc 18,9111In 54,1123J 21,6125J 10,8131J 59
133Xe 2,7198Au 62,2201Tl 76
2RAH
tHH
min.GBqminm
GBq,²mµS,H 20601
18509182
µSv,H 051
11.05.2017
16
S. WiegandS. Wiegand
Dosisgrößen
Effektive DosisOrgane und Gewebe wT nach
ICRP 60 (1991)Keimdrüsen 0,20Knochenmark (rot) 0,12Dickdarm 0,12Lunge 0,12Magen 0,12Blase 0,05Brust 0,05Leber 0,05Speiseröhre 0,05Schilddrüse 0,05Haut 0,01Knochenoberfläche 0,01Rest 0,05Summe 1,00
T
TTeff HwD
Die effektive Dosis ist ein Maß für die Strahlenexposition des Menschen. Sie berücksichtigt die unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe.
20 µSv
20 µSv
40 µSv
µSv,D,,D
eff
eff
841202012020
µSvD,,D
eff
eff
20502005020
20 µSv20 µSv
40 µSv