Physikalische Grundlagen der Nuklearmedizin Dosis und ... · 224 Ra – Zerfallsschema...

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Physikalische Grundlagen der Nuklearmedizin: Dosis, allgemeine StrahlenbelastungK

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Dr. H. Künstner: Unterricht für MTRA

Dosis und natürliche Strahlenbelastung

•Begriffsklärung•Dosisarten•Messmöglichkeiten•Umrechnungen•Natürliche Strahlenbelastung

Physikalische Grundlagen der Nuklearmedizin: Dosis, allgemeine Strahlenbelastung

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ckDr. H. Künstner: Unterricht für MTRA

Dosis: Grundbegriffe und ihr Zusammenhang

Aktivität

Strahlung

Dosis

Bei spontanenKernumwandlungen

wird Energie frei

Freigesetzte Energiewird transportiert

Transportierte Energie

wird in Materieübertragen

Als Quant/Foton :Röntgen-, γ-Strahlung

Als Teilchen :α-, β-Strahlung

Energieumwandlung in Gasen, Flüssigkeitenund Festkörpern durch Ionisation, Streuung, Absorption

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Energiedosis D

�Maßeinheit: 1 Gray [Gy] = 1J/1kg�Dges = D1+D2+D3+... (kumulativ)�Energiedosisleistung D/Zeit [Gy/s]

Eein

Strahlung, die den Körpernicht trifft, bleibtunberücksichtigt

In den Körper

eindringende Strahlung

Körper absorbiert

Strahlungsenergievollständig oder

teilweise

Erwärmung

Energiedosis = Eein – EausIst die von einer Masseeinheit beimDurchtritt von ionisierender Strahlungaufgenommene Energie.Hängt ab von der Strahlungsenergieund dem Material, dass die Strahlungabsorbiert.

Eaus

Aus dem KörperaustretendeStrahlung

RadioaktiveQuelle


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Energiedosis D bei innerer Bestrahlung

�Maßeinheit: 1 Gray [Gy] = 1J/1kg�Dges = D1+D2+D3+... (kumulativ)�Energiedosisleistung D/Zeit [Gy/s]

im Körper absorbierte

Strahlungsenergie

Erwärmung

Energiedosis = EZerfälle – EausBei allen radioaktiven Zerfällenfreiwerdende Energie minus der aus dem Körper austretenden Strahlungsenergie.

Eaus

Aus dem KörperaustretendeStrahlung

RadioaktiveQuellen

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Dosis: Art, Messgrößen, Einheiten

Übertragene Energie pro Masseneinheit:Joule/kg [J/kg]

Durch welcheStrahlenart ?

An welchesMaterial ?

beliebigEnergie-Dosis D

aber:

Bewertung der biologischen Wirkungeiner Strahlenart durch Faktor WR

lebendes Gewebe Äquivalent-Dosis

Bestrahlung

voninnen

vonaußen

Effektiv-Dosis

Einzelorgane:Bewertung der Strahlenempfind-lichkeit eines Organsdurch Faktor WT

Körper:BewertungsfaktorWT = 1:Ganzkörper

1 J/kg = 1 Gray [Gy]

D*WR = Sievert [Sv]

D*WR*ΣWT = Sievert

WR = 1 für X, γ und β= 20 für α

WT = 0,03 für Schilddrüse


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Der Dosisbegriff - Übersichtsgrafik

Radiobiologisch bewertete Energie-

[Sv] Dosis [Sv]in Gewebe

Richtungs-Äquivalentdosis

H‘(0,07)

Oberflächen-Personendosis

Hp(0,07)

Tiefen-Personendosis

Hp(10)

Umgebungs-Äquivalentdosis

H*(10)

MessgrößenDosimeter

Äquivalentdosis

Personen-dosis

Orts-dosis

EffektiveFolgedosis

Organ-Folgedosis

Körperdosis

SchutzgrößenGrenzwerte

OrgandosisEffektive Dosis

gewichtete Summe der Organdosen

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Körperdosis - Energiedosis

Bindeglied zwischen Energiedosis und Körperdosis: Strahlungs-Wichtungsfaktoren

Körperdosis ist ein Maß für Gefährdung(keine physikalische Größe).

Energiedosis beschreibt physikalische Prozesse

(Energieübertrag auf Materie).

Einheit:Sievert (Sv)

Einheit:Gray (Gy)

Energieübertragvon Strahlung auf Materie

1 Gy = 1 J/kg

1 Sveffektive

Dosis

5 %tödliche

Krebsfälle

Risiko

=

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Qualitätsfaktor (Berücksichtigt Wirkung auf lebendes Gewebe)

Strahlung Qualitäts-faktor Q

RöntgenstrahlungGammastrahlung 1β-Strahlung

Neutronen 10

α-Strahlung 20

Energiedosisin Gray (Gy)

*

Qualitätsfaktor

=

Äquivalentdosisin Sievert (Sv)

Unbelebte Materie(z.B. Blei, Beton,…)

Lebendes Gewebe(z.B. Mensch odereinzelne Organe)

1 kg

Wichtungsfaktor

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Körperdosis - Äquivalentdosis

Die Äquivalentdosis ist ein Näherungswert für die Körperdosis.

von einem Dosimeter gemessene Dosis

Messgröße

Äquivalentdosis.und

Man unterscheidet

Körperdosistatsächliche Dosis,

Schutzgröße

nicht messbar!

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Personendosis - Ortsdosis

Bei der Äquivalentdosis unterscheidet man zwischen

Personendosis

gemessenvon einemPersonen-dosimeter

Seit der Einführung der neuen Messgrößen hat die Ortsdosis an einembestimmten Ort denselben Wert wie die entsprechende Personendosis.

gemessen von einemOrtsdosimeter

Ortsdosis .und

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Vergleich der Dosis-Größen

Dosis (in Sv): Maß für die Gefährdung durch ionisierende Strahlung

Organdosis: Maß für die Gefährdung des angegebenen Organs

Effektive Dosis: Maß für die Gefährdung des gesamten Organismus

Körperdosis: Sammelbegriff für Organdosis und effektive Dosis(nicht messbar !)

Äquivalentdosis: gemessene Dosis

Personendosis: mit einem Personendosimeter gemessene Dosis

Ortsdosis: mit einem Ortsdosimeter gemessene Dosis

Dosisleistung: gibt an, um wie viel sich die Dosis pro Zeiteinheit erhöht


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Strahlenart Energiedosis Äquivalentdosis Effektivdosis

αααα

γγγγ

ββββ 340 Gy

6800 Sv

340 Sv

340 Sv

340 Svam Kopf

68 Svam Thorax

3,4 Svam Fuß


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Dosisleistungsmessung

•Die Energiedosis ist sehr schwierig zu messen !•Einfacher ist die Messung der Energiedosisleistung , d.h. der Energie, die je Zeiteinheit auf eine Fläche/Volumen trifft.Sie ist z.B. proportional zum Strom eines Zählrohres.•Im medizinischen Bereich benötigen wir meist die Äq uivalentdosis

Zur Personenkontrollevorgeschrieben.Für Schwangere in zugelassenen Bereichenelektronisch mit sofortigerÄquivalentdosisanzeige und Warnfunktion

Filmdosimeter Dosisleistungsmessgerät

Zu Kontrollzwecken in allen Bereichen,auch zur Patientenmessung nach der Radioiodtherapie(Patient darf Klinik nur verlassen, wenn die Ortsdosisleistung in 1 m Abstandca. 14 µSv/h nicht mehr überschreitet)

Körperdosismessung Ortsdosismessung

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Dosismessung: Personendosis

ZukünftigHeute Standard

Zugelassene Auswertestelle

Sammelstelle Uni

Filmdosimeter

Rückinformation:Dosis je Mitarbeiterim vergangenen Monat

Filme

Elektronische Dosimeter, die von Lesestationen im Vorbeigehen ausgelesen werden und die Werte an zentralen Auswerte-PC übertragen.


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Natürliche und künstliche Strahlenbelastung

•Woher kommt die natürliche Strahlung ? •Belastungswege•Regionale Unterschiede

•Woher kommt die künstliche Strahlenbelastung ?•Belastete Arbeitsplätze•Atomwaffenversuche / Tschernobyl•Medizinische Untersuchungen

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Natürliche Radionuklide

Zerfallsreihen der Urane und des Thorium47 Radionuklide als Zwischen-produkte der Zerfallsreihen, mit sehr unterschiedlichen HWZ

25 weitere primordialeRadionuklide

Kalium-401,3*109 a

Rubidium-874,8*1010 a

Langlebige Radionuklide,die aus der Entstehungs-zeit der Erde stammen

KosmogeneRadionuklideRadionuklide, die in der Atmosphäre durch Beschuss mit kosmischer Strahlung entstehen

Kohlenstoff-145730 a

Wichtige Vertreter dieser Gruppen sind:

Radium-2243,64 dRadon-220 (Thoron)55,6 sRadon-2223,8 dPollonium-xxx

Blei-xxx


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224Ra – ZerfallsschemaThorium-Reihe

αααα

224 Ra 3.6 d

220 Rn

55 sec

216 Po 0.15 sec

212 Pb10.6 h

208 Pb stabil

212 Po 0,45 m sec

212 Bi 1 h

208 Tl 186 sec

αααα

αααα

= 22461518

( 64 % )

= 334572

=179415161283

( 100 % )

= 583 keV510277

γγγγ = 727 keVγγγγ = 238 keV

γγγγ = 549.7 keV

γγγγ = 241 keV

keV Reichweite :αααα ~ 6778 0.05 mm

ββββ ~ 2246 8 mm ( mittl.)

γγγγ

αααα

ααααββββ

ββββ

ββββ

228 Th1,9a

228 Ac6,13 h

228 Ra5,7 a

232 Th1,4 1010 a

EdelgasRadon

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Einwirkungsmechanismen der Radioaktivität auf den Menschen

Atmung

Nahrungsaufnahme

Innere Bestrahlung

Vor allem Radon und deren Folgeprodukte (α-Strahler) zeigen Strahlenwirkung auf Lungengewebe

Hier spielt das Kalium-40 (primodiales Radionuklid) eine maßgebliche Rolle, da es im Körper sehr häufig vorkommt (ca. 2 g/kg Körpergewicht)

Äußere Bestrahlung

Atmosphäre

Umgebung

Boden und Wasser


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Mittlere jährliche effektive Dosis

8506Iran: Ramsar

8006Brasilien: Esprito Santo

504Indien: Kerala, Madras

50,4Deutschland

Maxim. Ortsdosisim Freien

mSv/Jahr

mittl. effektive Dosisder Bevölkerung

mSv/Jahr

Gebiet

0,79Saarland0,069Bayern

0,063Thüringen0,048Niedersachsen

0,028Brandenburg0,036MV

Ortsdosis µSv/h

BundeslandOrtsdosis µSv/h

Bundesland

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Radonaktivitätsverteilung in der Bodenluft

Bereich von

10 kBq/m³ bis

über 500 kBq/m³

Mittelwerte der Radonaktivität in Deutschland:

15 Bq/m³ im Freien50 Bq/m³ in Gebäuden

Mittlere effektive Dosisaus der Bestrahlung mit

natürlichem Radon und seinen

Folgeprodukten

1,4 mSv/a

Wesentlich höhere Werte der Radonaktivität in:•Kellerräumen in Gebirgslagen•Bergwerken, Stollen•Höhlen•Grundwasserspeichern


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Strahlenexpositionen bei Flügen und Raumflügen

Nach etwa 400 Transatlantik-flügen im Jahr wird der Grenzwert von 20 mSv erreicht

Flugbelastung

Frankfurt – New York – Frankfurt100 µSv

Frankfurt – Singapur – Frankfurt60 µSv

Frankfurt- Mallorca – Frankfurt6 µSv

Bei 600 Flugstunden in mittlerer Höhe von 10 km in unseren Breiten ergibt sich eine effektive Dosis von etwa 3 mSv/a

Belastung bei Raumflügen

1572 µSv/h

209Mondlandung Apollo XIV

630 µSv/h

195MondlandungApollo XI

5513 µSv/h

4200ErdumkreisungSalut 6

3,614 µSv/h

260ErdumkreisungApollo VII

Dosis

mSv

Dauer

h

Flug

Höhere Werte bei den Mondflügen resultieren aus der Durchquerung der Strahlungsgürtel der Erde in 8000 bzw. 50000 km Höhe über dem Äquator

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Einfluss der Flughöhe und der geografischen Breite auf die Dosisleistung beim Fliegen


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Zivilisatorische StrahlenbelastungAtombombenversuche in der Atmosphäre und Reaktorunfall von Tschernobyl (1986)

Person in Mitteleuropa von 1960 bis 2050

aus Atombombenversuchen etwa 2 mSv

effektive Dosis (80% davon von 1960-70

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Strahlenexposition durch Bildschirme u.a.

50 pSv/h

Anderer Mensch (Abstand 0,5 m)

- Gammastrahlung von Ka-40

30 pSv/hZeitschriften (Abstand 0,35 m)- Gammastrahlung von Ra- und Th-Folgeprodukten

2 pSv/h100 pSv/h

Farbfernseher (Abstand 3 m)

- betriebsbedingte Röntgenstrahlung- Gammastrahlung enthaltener natürlicher radioaktiver Stoffe

6 pSv/h

1200 pSv/h

Bildschirmgeräte (Abstand 0,5 m)- betriebsbedingte Röntgenstrahlung

- Gammastrahlung enthaltener natürlicher radioaktiver Stoffe

100.000 pSv/hNatürliche Umgebungsstrahlung

pSv = Picosievert, 1 pSv = 0,000 000 001 mSv1 pSv = 0,000 001 µSv


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Natürliche und zivilisatorische Strahlungsbelastungfür Deutschland (statistisches Mittel)

Strahlenexposition ausnatürlichen Quellen Jährliche Dosis in mSv

Jährliche Dosis in mSvStrahlenexposition auszivilisatorischen Quellen

Kosmische Strahlung

Terrestrische Strahlung

Natürliche Radionuklide im Körper

Inhalation von Radon und Folgeprod.

Medizin

Kernwaffenfallout

Reaktorunglück Tschernobyl

Wissenschaft, Technik, KKW

Summe

Summe

0,3

0,5

0,3

1,3

2,4

1,5

0,02

0,02

0,01

1,55

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Anteile der jährlichen Strahlendosis


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Röntgendiagnostik Nuklearmedizinische Diagnostikkonventionell PET

•CT Abdomen

•CT Thorax

•Urogramm

•Abdomen-Übersicht

•Becken-Übersicht

•Schädel 2 Ebenen

•Thorax 2 Ebenen

•Herz 201Ti-Chlorid

•Hirn 99mTc-HMPAO

•Skelett 99mTC-Phosphat

•Lunge 99mTc-Mikrosphären•Schilddrüse 99mTc-Pertechnetat

•Nieren 99mTc-DMSA

•Schillingtest 57Co-Vit.B12•Clearance 51Cr-EDTA

•Glucosestoffwechse18F-FDG

•Herz 82Rb

•Herz 11C-Acetat •Hirn 15O-CO2

•Blutfluss 15O-H2O

0,1

1

10

mSv

Natürlicher Strahlenpegel

Strahlenbelastung bei medizinischen Untersuchungen

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Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad eines

Strahlenmessplatzes ist das

Verhältnis der

Anzahl der gemessenen Impulsezur tatsächlichen

Anzahl von Zerfällen.

Wirkungsgrad = ImpulsrateAktivität ηηηη =

RM – R0

A

Je höher der Wirkungsgrad, desto geringer ist der s tatistische Fehler.

Detektor erfasst nur einen Bruchteil der tatsächlich

emittierten Strahlung.

RM

A

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