Strålebeskyttelse|helsefysik

Christian Skou Søndergaard Hospitalsfysiker Medicinsk Fysik Aarhus Universitetshosptial

Forelæsning (7. december 2015, 915-1000) som del af kurset: ”Moderne acceleratorers fysik og anvendelse”

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 diagnostik terapi … … industriel anvendelse sterilisering gennemlysning … … forskning acceleratorer radioaktive 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 røntgen γ

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 radionukleider

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

Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland

Dosisgrænser

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

Afstandskvadratloven Inverse-square law

Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland

Linac - generelt

EPID

Fotoner: 6 & 15 MV Elektroner: 6, 8, 10, 12, 15, 18 MeV

Feltform: 40x40 cm2

Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland

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 / D P = design mål for dosis D = 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. w

ww

.eld

omet

.com

Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland

Facilitet til protonterapi Acceleratoren 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. • Sundhedsstyrelsens bekendtgørelse nr. 48 af 25. januar 1999 ”…om elektronacceleratorer til patientbehandling med energier fra 1 MeV til og med 50 MeV” med ændring i bekendtgørelse nr. 753 af 25. juni 2007. • Sundhedsstyrelsens bekendtgørelse nr. 765 af 6. oktober 1999 ”… om røntgenterapiapparater til patientbehandling”. • Sundhedsstyrelsens bekendtgørelse nr. 823 af 31. oktober 1997 ”… om dosisgrænser for ioniserende stråling”.

• 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 …