Strålings vekselvirkning med stof · Direkte stød på enkelt elektron giver løsrevet elektron...
Transcript of Strålings vekselvirkning med stof · Direkte stød på enkelt elektron giver løsrevet elektron...
Strålebeskyttelse | Helsefysik
Accelerator- og detektorfysikAarhus Universitet, Efterår 2020
Christian Skou SøndergaardDansk Center for Partikelterapi (DCPT)
Aarhus Universitetshospital
Med udgangspunkt i:
Kapitel 16 [16.1-5,16.17-19], ”Radiation protection and safety in radiotherapy”, fra ”Radiation oncology physics: a handbook for teachers and students”, redigeret at E. B. Podgorsak (udgivet af IAEA 2005).
5/12-2013
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Stråling fra omgivelserne
Menneskeskabt stråling… medicinske undersøgelser
diagnostikterapi…
… industriel anvendelsesteriliseringgennemlysning…
… forskningacceleratorerradioaktive materialer
Ioniserende stråling er godt! men brugen skal godtgøres/reguleres strålebeskyttelse
Ioniserende stråling har helsefysiske konsekvenser…som kan være fatale … fra umiddelbar død til kræft på lang sigt.
Ioniserende stråling i hverdagen
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Radiobiologi
H2O + energi H2O+ + e-
► H2O+ + H2O H3O+ + HO●
Strålingen forårsager direkte eller indirekte skadesvirkning på DNA-molekylet
Cellen indeholder mest vand (70%)
► e- + H2O H2O- OH- + H●
De frie radikaler er meget kemisk reaktive og kan skade DNA. O2 reagerer nemt med DNA radikal hvilket mindsker mulighed for reparation.
Virkning afhænger af strålingstypen:
Røntgen (lav LET): Indirekte virkning dominerer.
Tunge partikler (høj LET): Direkte virkning dominerer.
Forøget chance for ’double strand breaks’ på DNA som cellen ikke kan reparere.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
NB: Absolut måling af absorberet dosis er en (ikke triviel) disciplin for sig.
[D] = J/kg = Gy (gray)
Ioniseringen forårsaget af vekselvirkningen mellem stråling og stof kan beskrives vha. de fysiske størrelser: afsat energi og absorberet dosis.
Afsat energi:
Absorberet dosis:
Absorberet dosis
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Afsat dosis versus dæmpning af røntgenγ
Absorberet dosis er ikke det samme som intensiteten af den indkommende stråling.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Deterministiske effekter
Stokastiske effekter
Dosis (Gy)
Helkropsbestråling
Effekt
0.5 Ingen observerbar effekt
1 Strålingssyge, men oftest ingen varige men
4.5 LD 50/30 (halvdelen af populationen død inden for 30 dage)
10 Død inden for få uger
100 Død efter 24-48 timer
Kurativ strålebehandling: 35-80 Gy inden for et lille område af kroppen!
Udvikling af kræft over lang tid. Observerbar i epidemiologiske undersøgelser af en befolkning.
Helsefysik
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålings hormesis?
Hvilken effekt lave doser har er ikke klart fra epidemiologiske data.
Forsøg er hverken etisk (eller praktisk) muligt; data kommer fra indirekte kilder (atomsprængninger, geologisk variation, …).
Alm. antagelse indenfor strålebeskyttelse.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
… alene defineret for strålings vekselvirkning i mennesket.
Strålingsvægtfaktor (wR) og
Ækvivalent dosis (H):
Biologisk effekt afhænger af strålingstypen og ikke blot absorberet dosis.
[H] = J/kg = Sv (sievert)
Ækvivalent dosis
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
… alene defineret for strålings vekselvirkning i mennesket.
Vævsvægtfaktorer (wT) og
Effektiv dosis (E):
Effektiv dosis
[E] = J/kg = Sv (sievert)
Forskellige organer giver forskellig endelige skadesvirkning
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Naturlig strålingsmiljø
…kosmisk stråling, naturligt forekommende radionuklider
Medicinsk bestråling
… diagnostik, terapi
Erhvervsmæssig bestråling
Gennemsnitlig årlig effektiv dosis til hver dansker ca. 4 mSv.
Menneskets strålingsmiljø
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Protection quantities vs Operational quantities
Mattsson, S., & Söderberg, M. (2013). Dose Quantities and Units for Radiation Protection. In Radiation Protection in Nuclear Medicine.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Anbefalinger, love, …
ICRP (International Commission on Radiological Protection)
IAEA (International Atomic Energy Agency)
WHO (World Heatlh Organization)
NCRP (National Commission on Radiation Procection) [U.S]
ICRU (International Commission on Radiological Units and Measurements)
IEC (International Electrotechnical Commission)
SIS (Statens Institut for Strålebeskyttelse)
… et institut i Sundhedsstyrelsen. SIS forvalter bl.a. røntgen- og radioaktivitetsloven og varetager opgaver af faglig og administrativ karakter inden for de områder, hvor der anvendes ioniserende stråling.
SIS opretholder en døgnvagt. Døgnvagten retter sig primært mod ulykker og hændelser m.m. i forbindelse med medicinsk, industriel og forskningsmæssig brug radioaktivestoffer og røntgenstråling samt ved transport af radioaktive stoffer.
Det danske atomberedskab varetages af Beredskabsstyrelsen
UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the effects of Atomic Radiation)
International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources (BSS)
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Dosisgrænser
BEK nr 669 af 01/07/2019 om ioniserende stråling og strålebeskyttelse.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Dosisgrænser
BEK nr 669 af 01/07/2019 om ioniserende stråling og strålebeskyttelse.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Risikoen for strålefremkaldt dødelige cancer antages at være ca. 50 tilfælde ved en helkropsdosis (effektiv dosis) på 1 mSv til alle i en gruppe på 1 million personer.
Hvor meget betyder 1 mSv ekstra?
r ≈ 0.05 pr. Sv
Relativ risiko:
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
… alt er relativt ;-)
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Tid Afstand Afskærmning
Strålingsbeskyttelse er en kompleks disciplin, da et utal af parametre kan indgå (typer af strålekilder, placering (i rum og tid) af kilder, materialer, personer, ...).
Elementær strålebeskyttelse
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
AfstandskvadratlovenInverse-square law
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Linac - generelt
EPID
Fotoner: 6 & 15 MVElektroner: 6, 8, 10, 12, 15, 18 MeV
Feltform: 40x40 cm2
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Ikke længere gældende
Tidligere lovgivning havde en eksplicit bekendtgørelse til denne type maskine.
Den nuværende lovgivning benytter sig af mere generelle bekendtgørelser. I dette tilfælde:
● BEK nr 671 af 01/07/2019 om brug af strålingsgeneratorer.
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Strålebeskyttelse
1. Primær stråling fra target (behandlingsfelterne)
2. Spredt stråling (fra patient, vægge)
3. Lækstråling (fra accelerator)
Stråling fra en accelerator (strålekilde):
Linac: Høj energi fotoner og neutroner
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Afskærmningstykkelse
?
En kombination af:
F.eks.: dosisgrænse bag afskærmning: P =1 mSv/år (0.3 mSv/år diagnostisk anlæg)
Faktorer: Workload, Brugsfaktor, Opholdsfaktor, Afstand
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Transmissionsfaktor
B = P / DP = design mål for dosisD = dosis hvis barrieren ikke var der
≈ 1 MeV
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Bunker til linac til stråleterapi
Fotoner skærmes med tykke betonvægge (eller tungere materialer)
Neutroner, frembragt fra (γ,n) reaktion, udgør et særligt problem: spredes elastisk og kan nå ud af mazen.
1-2 meter beton
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Maze
Modereres og stoppes med lette materialer; men neutron capture gamma stråling!
Neutrondør (bor-holdig polyethylen + bly)
Neutroner fra (γ,n) udgør et særligt problem: spredes elastisk og kan nå ud af mazen.
ww
w.e
ldom
et.c
om
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
Facilitet til protonterapiAcceleratoren er ikke længere i behandlingsrummet (forskellige workloads, forskellige steder i bygningen).
Høj energi neutroner – frembragt når protoner rammer udstyr (degrader) og stoppes i patienten – er den væsentligste strålingskilde, der skal beskyttes i mod.
Maze
Behandlingsrum
Accelerator (cyklotron)
ca. 4 m beton
... men også: aktivering af luft, aktivering af kølevand, aktivering af udstyr (kort tid), aktivering af beton (dekommisionering)
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
• Bibliografien i kaptiel 16 i IAEA ”Radiation oncology physics …” (2005) har mange henvisninger til forordninger, anbefalinger, … i forbindelse med strålebeskyttelse og faciliteter til strålebehandling.
• ”Kursus i helsefysik” (Risø-R-677, 3. udg. 2001).• ”Basic Clinical Radiobiology”, Joiner & Van der Kogel (2009)
• J-C. Nénot, ”Radiation accidents over the last 60 years”, J. Radiol. Prot. 29 (2009) 301-320.• B. Lindell, ”The history of radiation protection”, Radiation Protection Dosimetry 68 (1996) 83-95.• J. K. Shultis og R. E. Faw, ”Radiation shielding technology”, Health Phys. 88 (2005) 297-322.
• ”Afskærmning af røntgenanlæg, 2009”, Statens Institut for Strålebeskyttelse (28. august 2009).
• IAEA. (2006). Radiation protection in the design of radiotherapy facilities, Safety Reports Series No. 47.
• IAEA. (1988). Radiological Safety Aspects of the Operation of Proton Accelerators (TRS no. 283).• PTCOG. (2010). Shielding Design and Radiation Safety of Charged Particle Therapy Facilities.
Hvis du vil vide mere …
Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland
● LOV nr 23 af 15/01/2018 om ioniserende stråling og strålebeskyttelse (strålebeskyttelsesloven).
Implementering af EU direktivet 2013/59/EURATOM om fastlæggelse af grundlæggende sikkerhedsnormer til beskyttelse mod de farer, som er forbundet med udsættelse for ioniserende stråling.
Udmøntet i en række bekendtgørelser:
● BEK nr 669 af 01/07/2019 om ioniserende stråling og strålebeskyttelse.● BEK nr 670 af 01/07/2019 om brug af radioaktive stoffer.● BEK nr 671 af 01/07/2019 om brug af strålingsgeneratorer.● BEK nr 672 af 01/07/2019 om grænseoverskridende overførsel af radioaktivt affald og brugt nukleart
brændsel.
Dansk lovgivning