Grundlagen Radioaktivität - umm.uni-heidelberg.de · „Technik der medizinischen Radiologie“,...
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Computer Assisted Clinical MedicineDr. Friedrich Wetterling
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Bildgebende Systeme in der Medizin
Grundlagen RadioaktivitätDr. Friedrich Wetterling
Hochschule Mannheim
Computer Assisted Clinical MedicineFaculty of Medicine Mannheim University of HeidelbergTheodor-Kutzer-Ufer 1-3D-68167 Mannheim, GermanyFriedrich.Wetterling@MedMa.Uni-Heidelberg.dewww.ma.uni-heidelberg.de/inst/cbtm/ckm/
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10/27/2011 | Page 2Übersicht
1) Historie
2) Radioaktive Stoffe
3) Radioaktive Strahlung
4) Interaktion von radioaktiver Strahlung mit Materie
5) Natürliche Radioaktivität
6) Strahlenschutzmaßnahmen
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10/27/2011 | Page 3Literatur
Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik, 3. wesentlich überarbeitete Auflage,1995Heinz Morneburg, Publicis MCD Verlag
Bildgebende Verfahren in der Medizin von der Technik zur medizinischen Anwendung, 1999. Buch. XIV, 377 S.: 345 s/w-Abbildungen. Hardcover, Springer Berlin ISBN 978-3-540-66014-9
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10/27/2011 | Page 4Historie
1895, Wilhelm Conrad Röntgen: elektromagnetische Strahlen, die Materie durchdringen
1896, Henri Becquerel: natürliche Radioaktivität
1898, Marie Curie: Radium, Polonium
(2006 Alexander Walterowitsch Litwinenko)
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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=6,62 10-34Js
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10/27/2011 | Page 6Definition
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: AZELEMENTN
Beispiel: 23592U143
23692U144
23892U146
Kurzform: 235U 236U 238U
oder Uran-235 Uran-236 Uran-238
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10/27/2011 | Page 7Radioaktivität
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
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10/27/2011 | Page 8Strahlenarten
α-Strahlung: Emission eines 4He-Kernes: 226Ra → 222Rn + α
β-Strahlung: Emission eines Elektrons: 14C → 14N + e- + ν
oder
Emission eines Positrons: 40K→ 40Ca + e+ ν
oder
Elektroneneinfang: 40K + e- → 40Ar + ν
γ-Strahlung: Emission energiereicher elektromagnetischer Strahlung
(γ-Quanten oder Photonen)
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10/27/2011 | Page 9Radioaktive Strahlung
Ionisierende Strahlung: besitzt pro Photon genügend Energie um eine
Elektron aus der Elektronenhülle herauszulösen. Das Atom ist danach
ionisiert.
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10/27/2011 | Page 10Radioaktivität: 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!
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10/27/2011 | Page 11Radioaktivität: Messgrößen
Äquivalentdosis = Energiedosis ⋅ Bewertungsfaktor
(Einheit: Sievert, Sv)
Äquivalentdosisleistung = Äquivalentdosis/Zeit
(Einheit: µSv/h, mSv/a)
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10/27/2011 | Page 12Radioaktivität: Messgrößen
Ionendosis = gebildete Ladungsmenge pro Masse
(Einheit: C/kg)
Ionendosisleistung = Ionendosis pro Zeiteinheit
(Einheit: C/t/kg, A/kg)
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10/27/2011 | Page 13Energiedosis und Ionendosis
Zusammenhang zwischen Energiedosis D und Ionendosis J:
JUdme
dQED ion
ion ⋅=⋅
⋅=
Eion = mittlerer Energieaufwand zur Erzeugung eines Elektron-Ion-Paares in Normal-Luft = 33,7 eV
Uion = mittlere Ionisationsspannung ( = 33,7 V)
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10/27/2011 | Page 14Radionuklide im Menschen
Radionuklid Aktivität in Bq
K - 40 4500
C - 14 3800
Rb - 87 650
Pb-210, Bi-210, Po-210 60
kurzlebige Zerfallsprodukte des Rn-220 30
H-3 25
Be-7 25
kurzlebige Zerfallsprodukte des Rn-222 15
sonstige 7
Summe 9112
1 Becquerel: Ist die Einheit der Aktivität und gibt die mittlere Anzahl der
Atomkerne an, die pro Sekunde radioaktiv zerfallen.
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Umrechnung der Aktivität in die Dosisleistung
2r
AkD ⋅=&
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10/27/2011 | Page 16Kritische Ionendosis
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10/27/2011 | Page 17Natürliche 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
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10/27/2011 | Page 18Strahlenexposition
Fluggast auf Transatlantikflug (2x10h in 10km Höhe): 100µSv
Pflegepersonal (2h in 0.5m Abstand): 30µSv
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10/27/2011 | Page 19Strahlenwirkung
Toleranzdosen: Dosis die die Bestrahlung eines bestimmten Organsmit definiertem Fraktionsschema noch akzeptiert wird
Schwelldosis:Ganzkörper Erbrechen 500mSvAuge Katarakt (‚grauer Star‘) 750-1500mSvKnochenmark Tod 1000mSvHaut Rötung, Haarausfall 3000mSv
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
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10/27/2011 | Page 20Strahlenwirkung
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10/27/2011 | Page 21Natürliche Radioaktivität
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10/27/2011 | Page 22Maßnahmen zum Strahlenschutz
1. Abstand
2. Aufenthaltsdauer
3. Abschirmung
4. Vermeidung von Kontamination
5. Vermeidung von Inkorporation
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10/27/2011 | Page 23
I0
∆x
P
Reflexion
Streuung
Linearer Schwächungskoeffizient µ= Summe aller Teilabschwächungen
Quantifizierung der Wechselwirkungdurch Schwächungsgesetz:
xeII
∆−= µ0
Wechselwirkung von Strahlen mit Materie
I
I0 = Intensität der Strahlung beimAuftreffen auf das Objekt
I = Intensität der Strahlung nach demverlassen des Objekts
∆x = Dicke der Materie
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10/27/2011 | Page 24Radioaktiver Zerfall: Halbwärtszeit
N /20
t
N /40
N /80
N0
2T 3TT1/2 1/2 1/2
N /160
N
N = N e0. −λt
Gesetz des radioaktiven Zerfalls
4T1/20
Anzahl radioaktiver Kerne
λ : Zerfallskonstante
T : Halbwertzeit ( T = )ln 2
λ1/2 1/2
: Aktivität - Anzahl der Zerfälle pro Zeitintervall
= N λ.
N /20
t
N /40
N /80
N0
2T 3TT1/2 1/2 1/2
N /160
N
N = N e0. −λt
Gesetz des radioaktiven Zerfalls
4T1/20
Anzahl radioaktiver Kerne
λ : Zerfallskonstante
T : Halbwertzeit ( T = )ln 2
λ1/2 1/2
: Aktivität - Anzahl der Zerfälle pro Zeitintervall
= N λ.
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10/27/2011 | Page 25
Kann vernachlässigt werden !
Laubenberger and Laubenberger. „Technik der medizinischen Radiologie“, Deutscher Ärzte-Verlag 1999
Wechselwirkung von ionisierenderStrahlung mit Materie
3 physikalische Prozesse:
-Photoeffekt
-Streuung
-Paarbildung
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10/27/2011 | Page 26Photoeffekt (Absorption)
- Energie des Röntgenquants wird auf ein Elektron der Atomhülleübertragen
- Elektron wird aus der Hülle geschleudert
- Tritt hauptsächlich bei Röntgenstrahlen mit niedriger Energie auf
- Auger-Elektron: Strahlungsfreier Übergang der Energie des auffüllendenElektrons auf ein äußeres Hüllenelektron
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10/27/2011 | Page 27Photoeffekt
http://www.desy.de/pr-info/Roentgen-light/roentgenstrahlung/roentgenstrahlung7B.html
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10/27/2011 | Page 28Streuung
� Klassische Streuung
- Richtungsänderung des einfallenden Röntgenquantsohne Energieverlust
- Hauptsächlich imlangwelligen Strahlenbereich
� Compton Streuung
- Richtungsänderung des Röntgenquants mit partiellerEnergieänderung
- Hauptsächlich imkurzwelligen Bereich
Compton-Streuung
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10/27/2011 | Page 29Paarbildung
� Bildung eines Elektronsund Positron
- Nur bei hohenStrahlungsenergien (> 2* 511 keV)
� relevant in derRadiotherapie (Röntgen, CT < 200 keV)
� Positron zerfällt in zwei 511 keV Photonen
- relevant für Radiotherapieund PET
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10/27/2011 | Page 30
ββββ+ - Zerfall protonenreicher Kerne: Nachweis zweier γ-Quanten (je 511 keV)
15O 2 min13N 10 min11C 20 min18F 110 min
Positronen-Emmission
Halbwärtszeiten
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10/27/2011 | Page 31Annihilation
Maximale Wegstrecke vor der Annihilation
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10/27/2011 | Page 32
µ = τ + σ + χ
τ
σ
χσCσR
τflητ σSησσR
η µ−η
Morneburg. “Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik” 1995
Totaler linearer Schwächungskoeffizient µ
Elektronen Photonen
Koeffizient der
PhotoabsorptionStreuung
Paarbildung
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10/27/2011 | Page 33
• Massenschwächungskoeffizient µm, Division mit Dichte der Materie ρ:
Weitere Schwächungskoeffizienten
Massenabsorptionskoeffizient fürPhotonenabsorption (Näherung)
- λ= Wellenlänge der Röntgenstrahlung
- Z = Ordnungszahl des durchstrahlten Stoffes
- C = materialunabhängige Konstante
ρ
µµ =
m
33ZC ⋅⋅= λ
ρ
τ
Lineare
Schwächungskoeffizient
Dichte
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10/27/2011 | Page 34
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 !
Massenabsorptionskoeffizient (II)
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10/27/2011 | Page 35
Dössel. “Bildgebende Verfahren in der Medizin” 2000
Schwächung: Zusammenfassung
ρλτ ⋅⋅⋅= 33ZC
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10/27/2011 | Page 36Zusammenfassung
- 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