ODDZIAŁYWANIEPROMIENIOWANIA
JĄDROWEGO Z MATERIĄ
TADEUSZ HILCZER
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 2
Plan wykładu
1. Wprowadzenie2. Podstawowe pojęcia3. Zderzenie i rozproszenie4. Przewodnictwo materii5. Naturalne źródła promieniowania jonizującego6. Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio 7. Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio8. Źródła promieniowania jonizującego9. Pole promieniowania jonizującego10. Detekcja promieniowania11. Skutki napromieniowania materii żywej12.Dozymetria medyczna13. Ochrona przed promieniowaniem14. Osłony przed promieniowaniem
DOZYMETRIA MEDYCZNA
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 4
• Dokładny opis matematyczny czasowych zmian aktywności całego układu (wszystkich organów) jest niemożliwy
• Stosowane proste modele pozwalają w przybliżeniu opisać czasowe zmiany aktywności promieniotwórczych jąder atomowych znajdujących się w organizmie
• Cały układ tworzy zbiór n stabilnych podukładów, które pochłaniają wprowadzone promieniotwórcze jądra
• Pomiędzy podukładami zachodzi wymiana jąder promieniotwórczych
• Przekazywana przez t-ty podukład aktywność jest proporcjonalna do jego aktywności całkowitej
• Do układu wprowadza się jądra promieniotwórcze o stałej rozpadu l
Biologiczny czas połowicznego zaniku
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 5
Model n-podukładów• Zmiany aktywności w czasie dt każdego podukładu:
Ai - całkowita aktywność i-tego podukładu,ki0- część aktywności i-tego podukładu wydalana na zewnątrz w czasie dt (tracona przez cały układ), kji - część aktywności i-tego podukładu pochodząca w czasie dt z podukładu j-tego, kij - część aktywności i-tego podukładu przekazywaną w czasie dt podukładowi j-temu
n
jiijjjiiii
i kkkt 1
0 AAAAA ld
d
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 6
Model n-podukładów• Zmiany aktywności w czasie dt każdego podukładu:
• zmniejszenie aktywności na skutek rozpadu jąder promieniotwórczych (wydalanie fizyczne)
• zmniejszenie aktywności na skutek wydalenia części jąder promieniotwórczych przez układ (wydalanie biologiczne)
• wkład pozostałych (n -1) podukładów do aktywności i-tego podukładu
• aktywność przekazana przez i -ty podukład pozostałym (n -1) podukładom
n
jiijjjiiii
i kkkt 1
0 AAAAA ld
d
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 7
Model n-podukładów
• aktywność właściwa Ci(t) w chwili t – aktywność Ai przypadającą na całkowitą masę i-
tego podukładu:
ξi - dodatnia stała mającą charakter stałej rozpaduBij- stała dodatnia, ujemna lub równa zerupi - stała
)exp()()exp()()(1
ttFBtm
tt jj
n
jij
i
ii xl
AC
tptF ijij AA sincos
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 8
Model n-podukładów
• w momencie t = 0 wprowadzamy do układu radioizotop o aktywności A0
• aktywność właściwa dla 1-go podukładu:
• aktywność właściwa sumy pozostałych (2+3+...+n) podukładów
n
jj
i
i Bm 1
01)0()0( AC
0)0()0(1
n
jij
i
ii B
mAC
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 9
Model n-podukładów
• po dostatecznie długim czasie proces wydalania promieniotwórczych jąder powinien być zakończony
• wyrazy z ujemnymi współczynnikami Bij są do zaniedbania
• praktycznie pozostaje– albo jeden wyraz z dodatnią wartością Bij i
jednocześnie z małą wartością współczynnika x– albo wiele wyrazów z bardzo bliskimi,
praktycznie nierozróżnialnymi wartościami x• dla jednego wyrazu funkcja Fj(t) jest
tożsamościowo równa jedności (składowa periodyczna, o ile istnieje, zanika i pozostaje jedynie wyraz wykładniczy)
• współczynnik x ma charakter stałej zaniku, związanej z wydzielaniem biologicznym
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 10
Model n-podukładów
• dla dostatecznie długiego czasu t aktywność właściwa
λf - fizyczna stała rozpaduλb- biologiczna stała rozpaduλef- efektywna stała rozpadu
• biologiczny czasu połowicznego zaniku i efektywny czas połowicznego zaniku
)exp()(exp tt efibfii lll CCC
T Tbb
eff b
ln , ln2 2l l l
1 1 1T T T
TT T
T Tef f bef
f b
f b
lub
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 11
„Własności biologiczne” promieniotwórczych jąder atomowych
jądro atomowe
Tf[dni]
Tb[dni]
organ waga [g]
% aktywności
3H 4400,0 19,0 całe ciało 70000 10014C 2000000,0 35,0
180,0tłuszczkości
100007000
505
24Na 0,6 0,6 całe ciało 70000 9532P 14,3 14,0 kości 7000 20
35S 87,1 18,0 skóra 2000 842K 0,5 0,5 mięśnie 30000 7045Ca 164,0 151,0 kości 7000 2559Fe 46,3 27,0 krew 5400 8060Co 1900,0 8,4
9,0wątrobaśledziona
1700150
0,40,005
65Zn 250,0 21,0 kości 7000 276As 1,1 1,1 nerki 300 0,0386Rb 18,6 7,8 mięśnie 30000 4289Sr 53,0 52,0 kości 7000 25131J 8,0 7,5 tarczyca 20 20198Au 2,7 2,6
2,6nerkiwątroba
3001700
2,41
„Własności biologiczne”
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 12
• model dzielący cały rozpatrywany układ biologiczny na n podukładów można w wielu zagadnieniach zastąpić przez modele proste
• można rozpatrywać- albo tylko jeden układ
- promieniotwórcze jądra atomowe są absorbowane jedynie w określonej części układu biologicznego
- albo n podukładów, w których n jest liczbą niewielką
.
Proste modele
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 13
• Model jednego układu można zastosować w przypadku np. wprowadzenia izotopu promieniotwórczego do krwi, a który następnie dzięki metabolizmowi osadza się w określonym organie
Model jednego układu
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 14
• Do podstawowego układu 1 o masie m1 wprowadzone są radioizotopy o aktywności A0 i aktywności właściwej C1• Zmiana aktywności układu 1 zachodzi z szybkością
k1:– na skutek wydalania z szybkością awk1 – na skutek trwałego przyswojenia w określonej
części układu z o masie mz z szybkością azk1.
Model jednego układu
A 1, m1, C1, k1
A w A z, mz, Cz
A 0
aw k1 az k1
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 15
• Prędkość zmiany aktywności układu
• Prędkość zmian aktywności wydzielonej
• Prędkość zmian aktywności trwale przyswojonej.
Model jednego układu
111 )( AA l k
tdd
zzz Aka
tl 11d
d AA
wA-AA l11dd ka
t ww
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 16
• warunki początkowe
Model jednego układu
• czasowe zmiany aktywności właściwej układu 11
001 )0(
mACC 0)0()0( wz AC 1 wz aa
])(exp[])(exp[)( 11
0101 tk
mtkt ll ACC
)]exp(1)[exp(1
)]exp(1)[exp()(
10
11
0
tktam
tktammt
zz
zz
z
l
l
A
CC
)]exp(1)[exp()( 10 tktat ww lAA
• czasowe zmiany aktywności właściwej trwale przyswojonej
• czasowe zmiany aktywności wydalonej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 17
• szybkość zanikania aktywności przyswojonej zależy głównie od stałej k1, czyli od wielkości stałej rozpadu biologicznego
.
0 2 4 6 8 10 12 0,01
0,1
1
A , C [jedn.um.]
T [jedn.um]
Cz
C1
A w
Czasowe zmiany
aktywności właściwej C1 i Cz
aktywności wydalonej Aw
(az = 0,4; aw = 0,6; k1 = 0,69;
l = 0,35; m1 = 2,5; mz=1)
Model jednego układu
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 18
• model dwu układów można zastosować gdy wprowadzony promieniotwórcze jądra atomowe w jednych organach rozprzestrzeniają się szybko a w innych odkładają wolno
• np. w przypadku wprowadzenia izotopu promieniotwórczego do krwi, który następnie dzięki metabolizmowi osadza się szybko np. w tkance miękkiej i wolno np. w kościach
.
Model dwu układów
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 19
• do układu 1 o masie m1 wprowadzony jest radioizotop o aktywności A0 i aktywności właściwej C1.
• Zmiana aktywności układu 1, zachodzi z szybkością k1 – na skutek wydalania z szybkością awk1,– na skutek trwałego przyswojenia przez część
układu o masie mz z szybkością azk1 – na skutek przekazania z szybkością a1k1 pewnej
aktywności do układu 2 o masie m2 – na skutek przekazania przez układ 2 pewnej
aktywności z szybkością b1k2. • Układ 2 zmienia swoją aktywność na skutek
wydalania z szybkością b2k2
.
Model dwu układów
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 20
A 1, m1, C1, k1
A w A z, mz, Cz
A 0
aw k1 az k1
A 2, m2, C2, k2
b2 k2
b1 k2
a2 k1
Model dwu układów
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 21
• prędkość zmiany aktywności układu 1 i układu 2
• warunki początkowe
112111 )(
dd AAA l kkbt
221122 )(
dd AAA l kkat
1
001 )0(
mACC 0)0()0()0(2 wz ACC
11 aaa wz 121 bb
Model dwu układów
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 22
• czasowe zmiany aktywności właściwej układu 1 i układu 2
• czasowe zmiany aktywności właściwej trwale przyswojonej
])(exp[)exp()exp()( 12
1
01 tktkt
mt l
ll
llAC
])(exp[)exp()exp()( 11
2
02 tttka
mt lll
AC
])(exp[)()exp())((1
)exp()(
)(
2
1
2
2
210
tkkt
kk
tkkam
t w
zz
l
lll
ll
lll
AC
Model dwu układów
21112
21 4)( kkbakk 2
21 l kk
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 23
Radiologia
• radiologia - interdyscyplinarny dział fizyki medycznej zaliczany do fizyki stosowanej
• zajmuje się zastosowaniem w medycynie promieniowania jonizującego
• związek fizyki i medycyny datuje się czasów Odrodzenia
• istotnym postępem było odkrycie promieni X oraz pierwiastków promieniotwórczych
• do celów diagnostycznych, terapeutycznych i w badaniach naukowych medycyna wykorzystuje również wiele innych zjawisk fizycznych
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 24
Radiologia
• do celów diagnostycznych promieniowanie jonizujące można wykorzystać do prześwietlania albo do badań atomami znaczonymi
• prześwietlanie promieniami X wykorzystuje różną jego absorpcję różne organy, czasem z dodaniem tzw. kontrastów
• badanie atomami znaczonymi polega na wprowadzaniu do ustroju określonego preparatu promieniotwórczego i śledzenie jego losów w organizmie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 25
Radiologia• w radiodiologii stosuje się pewne określenia, które są
wynikiem kompromisu pomiędzy opisem fizycznym a biologiczno-medycznym
• energia promieniowania jonizującego pochłonięta w tkankach ustroju, wywołuje szereg przemian fizykochemicznych, które prowadzą do powstania określonego efektu biologicznego
• efekty te, nie do końca zbadane, mogą stanowić potencjalne zagrożenie dla życia
• konieczne jest uwzględnienie specyficznych cech napromieniowanych tkanek– określenie maksymalnie dopuszczalnych dawek
promieniowania dla różnych organów– stosowanie specjalnie opracowanych metod
pomiarowych– realizacja procedury stosowania promieniowania
jonizującego
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 26
• w leczniczym stosowaniu promieniowania jonizującego napromieniowywany ośrodek stanowią tkanki ciała pacjenta
• teleradioterapia - źródło promieniowania jest w pewnej odległości od obiektu napromieniowywanego
• brachyradioterapia – źródło promieniowania jest w bliskim kontakcie z terenem leczonym
• radioterapia śródtkankowa - źródło promieniowania jest umieszczone wewnątrz napromieniowywanej tkanki
Radiologia
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 27
• w diagnostyce dawki uzyskiwane przez pacjenta muszą być z założenia minimalne
• wykorzystuje się głównie promieniowanie X• metody pomiarowe - stosowane w laboratoriach ze
zamkniętymi źródłami promieniowania• przy stosowaniu metody atomów znaczonych –
wymagania jak dla laboratoriów izotopowych stosujących źródła otwarte o określonej aktywności
Diagnostyka
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 28
• w badaniach diagnostycznych wiązka promieniowania przechodzi przez ciało a detektor znajduje się na zewnątrz
• teoretyczna możliwość dokładnego wyznaczenia dawki pochłoniętej przez pacjenta
Diagnostyka
źródło
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 29
Radioterapia
• W radioterapii stosowane dawki są z założenia większe
• Do wyznaczenia dawki w punkcie napromieniowania wykorzystuje się głównie badania modelowe
• Dozymetria w radioterapii posługuje się szeregiem empirycznych określeń stosowanych przy planowaniu leczenia
• Istnieją zalecane normy międzynarodowe• Niektóre normy są ogólne, niektóre dotyczą jedynie
konkretnego urządzenia czy stosowanej metody• W planowaniu leczenia wykorzystuje się
specjalistyczne programy komputerowe, które mogą sterować samym procesem napromieniowania
• Dopuszczalne dawki dla różnych organów są przedmiotem licznych dyskusji.
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 30
• w zastosowań terapeutycznych napromieniowany obszar znajduje się w ciele pacjenta
• wiązka musi być odpowiednio skolimowana – zawsze istnieje półcień
• określenie dawki w punkcie napromieniowania nie jest możliwe
• do wyznaczenia dawki wykorzystuje się pomiary wykonywane na modelach (fantomach)
Radioterapia
źródło
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 31
Dopuszczalne dawki (Gy) w terapii
1050
20
302040
8szpik
60
1008
Wg. Agencji Atomowej, Wiedeń 1990
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 32
Zagrożenie promieniowaiem zewnetrznym (%)
0,03
0,12
reszta
0,03kości
0,15
0,25
Wg. Agencji Atomowej, Wiedeń 1990
0,12czerwone ciałka krwi
inne
Fantom
• fantom – model do badań wpływu promieniowania– materiał tkankopodobny o wymiarach
zapewniających warunki pełnego rozproszenia wiązki promieniowania
• fantom anatomiczny - fantom przypominający kształtem ciało ludzkie
• materiał fantomowy – materiał w którym podobnie jak w określonej tkance ciała– promieniowanie jest pochłaniane i rozpraszane– efektywna liczba atomowa materiału w
przybliżeniu taka sama– ma podobną gęstość
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 33
Fantom
• materiałem fantomowym równoważnym tkance miękkiej jest woda– gęstość i efektywna liczba atomowa wody oraz
tkanki miękkiej są prawie jednakowe• Woda jest też równoważnik dla całego ciała
– w dozymetrii takie założenie jest bezpieczne• Inne materiały fantomowe
– drewno prasowane– perspeks - odpowiednio spreparowaną parafinę– Mix – mieszanina 60,8 % wosku, 30,4 %
polietylenu, 6,4 % tlenku magnezu i 2,4 % dwutlenku tytanu
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 34
Fantom
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 35
0 5 cm
mózg
czaszka
kręgosłup
ramię
żebra
nerki
jelito grube
miednicapęcherz
jelito cienkie
serce
płuca
wątroba
Fantom
• odpowiednik kości (efektywna liczba atomowa 13,8)– szkło– gips– aluminium
• konieczność korekcji w stosunku do gęstości kości
• odpowiednik tkanki płucnej (ma dużo pęcherzyków powietrza, ma mniejszą gęstością od tkanki miękkiej i absorbuje promieniowanie X lub w mniejszym stopniu)– korek
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 36
Fantom
ciało gęstość[g/cm3]
liczba elektronów
[1023/g]dla efektu fotoelektry
cznego
dla efektu Comptona
powietrze 0,00129 3,03 7,64 7,36woda 1,00 3,34 7,42 6,60mięśnie 1,00 3,34 7,42 6,60kości 1,85 3,00 13,8 10,0tłuszcz podskórny
0,91 3,38 5,92 5,2
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 37
Z
Średnie liczby atomowe dla promieniowania dla materiałów biologicznych
Z
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 38
• dla danego pierwiastka izotopy promieniotwórcze nie różnią się w sposób istotny pod względem chemicznym od izotopów stabilnych
• izotopy promieniotwórcze– są łatwo wykrywalne dzięki emitowanemu przez
nie promieniowaniu– tworzą takie same rodzaje wiązań jak izotopy
stabilne– kinetyka reakcji chemicznych jest na ogół
jednakowa• zamiana w biocząsteczce izotopu stabilnego
izotopem promieniotwórczym pozwala śledzić jej przemiany metaboliczne
Metoda atomów znaczonych
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 39
• współczesne metody detekcji pozwalają wykrywać promieniowanie emitowane przez pojedyncze atomy promieniotwórcze– znikoma ilość cząsteczek znakowanych nie
zakłóca normalnego przebiegu np. procesów fizjologicznych
– znikome natężenie promieniowania nie powinno wpływać ujemnie na strukturę i funkcje komórek
Metoda atomów znaczonych
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 40
• pozwala na wyznaczenie objętości lub stężenia składnika mieszaniny
• stosowana gdy bezpośredni pomiar nieznanej objętości jest niemożliwy, np.– objętości krwinek czerwonych– objętości krwi– całkowitej zawartości niektórych biologicznie
ważnych pierwiastków, np. potasu
Metoda rozcieńczenia izotopowego
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 41
• wykorzystuje zaczernienie emulsji fotograficznej pod wpływem promieniowania emitowanego przez pierwiastki promieniotwórcze
• wykrywanie izotopów promieniotwórczych w cienkich warstwach tkanek
• pozwala to na lokalizację izotopu w tkance lub komórce
• umożliwia wyznaczenie ilości izotopu w próbce
Autoradiografia
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 42
• metoda klirensowa - szybkie, dynamiczne badania izotopowe
• umożliwia pomiar ważnych procesów fizjologicznyc głównie przepływ krwi i ukrwienia narządów– przepływ mózgowy– przepływ sercowy
• badania klirensowe za pomocą kamery scyntylacyjnej o dużym polu widzenia współpracującej z komputerem
Metody klirensowe
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 43
Żródła promieniowania
• Źródła izotopowe - najczęściej urządzenia typu „Gammacell”– mała pojemność komór radiacyjnych– duża przestrzeń pola napromieniania
• promieniowanie z promieniotwórczego izotopu 60Co– stosunkowo długi czas zaniku (T1/2 = 5,27 lat)– wysoka energia kwantów (średnio 1,25 MeV)
• promieniowania z promieniotwórczego izotopu 137Cs– długi czasie zaniku (T1/2 = 30 lat)– mniejsza energia kwantów (0,661 MeV)
• aktywności stosowane w źródłach izotopowych sięgają setek terabekereli (TBq).
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 44
Gammacel (Aparat ALSYON)
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 45
Żródła promieniowania• Reaktor jądrowy jako źródło promieniowania
– prawdopodobieństwo aktywacji napromieniowanego materiału neutronami z reaktora
• Stosuje się pętle radiacyjne– źródłem promieniowania jest radioizotop
aktywowany w reaktorze– po aktywacji kierowany do pomieszczenia
napromieniowania– po napromieniowaniu wraca do reaktora
poczta pneumatyczna
źródło
reaktor
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 46
• przyspieszacze liniowe wielkiej częstości • zaleta - możliwość pracy ciągłej bądź impulsowej -
zmiany energii i natężenia strumienia cząstek• zakres energii elektronów od 4 MeV do 50 MeV• do wytwarzania promieniowania X stosuje się
przyspieszacze niskoenergetyczne (od 4 MeV do 6 MeV)
• przyspieszacze o większym zakresie energii - można wprowadzić zarówno wiązkę promieniowania X jak i wiązkę elektronów
Żródła promieniowania
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 47
Przyspieszacz liniowy VARIAN
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 48
Przestrzenny rozkład promieniowania
• Wiązka promieniowania (X, , elektrony) w urządzeniach terapeutycznych jest rozciągła– do jej ograniczenia stosuje się układy kolimatorów
• pole wiązki– przekrój wiązki prostopadły do osi wiązki– określa dwuwymiarowe parametry wiązki– ma zwykle kształt prostokątny o wymiarach
zależnych od odległości od źródła promieniowania• napromieniowany obiekt jest trójwymiarowy
– konieczna znajomość przestrzennego rozkładu dawki w wiązce
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 49
• bezpośredni pomiar dawki w miejscu napromieniowania nie jest możliwy– wszelkie pomiary wykonuje się na fantomie– trzeba uwzględnić szereg dodatkowych zjawisk
• rozproszenie promieniowania wynikające z istnienia kolimacji
• rozproszenie na granicy powietrze ciało• niejednorodność napromieniowywanego ciała
• stosowane określenia uwzględniają parametry fizyczne (rozciągłość źródła promieniowania, rozproszenie, możliwości pomiaru,...) oraz złożony proces oddziaływania promieniowania z materią biologiczną
Pomiar dawki
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 50
• współczynnik rozproszenia wstecznego WRW (BSF- back scatter factor) promieniowania X lub promieniowania - stosunek mocy dawki dla określonego pola promieniowania zmierzonej na powierzchni fantomu i mocy dawki zmierzonej w tym samym miejscu w powietrzu po usunięciu fantomu
• dla promieniowania ze źródła 60Co pomiar mocy dawki wykonuje się standardowo na głębokości 0,5 cm
• WRW zależy zarówno od energii kwantów jak i od wielkości powierzchni pola promieniowania, która maleje w miarę wzrostu energii kwantów
Rozproszenie wsteczne
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 51
Rozproszenie wsteczne
Zależność WRW od powierzchni S kwadratowego pola wiązki dla promieniowania X o warstwie połówkowej 1 - 4 mmCu
0 100 200 300 400 1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
S [cm2]
WRW
d1/2(Cu) = 1 mm 2 mm
4 mm
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 52
• w wyniku oddziaływania kwantu promieniowania z materią (niezależnie od rodzaju procesu) powstaje elektron o energii zależnej od energii kwantu i procesu, w którym powstał– jonizacja wywołana przez elektron jest największa
na końcu zasięgu• W napromieniowanej materii istnieje maksimum
jonizacji na pewnej głębokości– maksimum jonizacji jest rozmyte
• powstające elektrony mają różne energie nawet dla promieniowania monoenergetycznego
Procentowa dawka na głębokości
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 53
• dawka promieniowania jest największa na pewnej głębokości
• głębokość maksymalnej wartości dawki zależy– od energii kwantów promieniowania– od wielkości napromieniowywanego pola na jego
powierzchni• procentowa dawka na głębokości PDD (procentage
depth dose) - stosunek mocy dawki w osi wiązki w fantomie na danej głębokości do mocy dawki w osi wiązki na głębokości maksymalnej mocy dawki
• ze wzrostem energii promieniowania– rośnie procentowa dawka na danej głębokości– większa jest głębokość maksymalnej mocy dawki– większy jest udział promieniowania rozproszonego
Procentowa dawka na głębokości
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 54
• izocentrum - zlokalizowanie wiązki z określonym miejscu napromieniowywanego ciała
• metoda SSD (source surface distance) – napromieniowanie izocentrum wiązką
promieniowania z nieruchomego źródła• metoda SAD (source axis distance)
– źródło porusza się ruchem wahadłowym po luku dokoła izocentrum
Metody napromieniowania
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 55
źródło
napromieniowane ciało
wiązka
SSD SAD
Metody napromieniowania
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 56
• odpowiednie pole wiązki promieniowania uzyskuje się przy użyciu kolimatorów
• na brzegach wyciętej przez kolimator wiązki występuje bardziej lub mniej ostry spadek mocy dawki – półcień
• rozkład promieniowania w obszarze półcienia jest trudny do określenia
• obszar półcienia wiązki powinien być jak najmniejszy
• całkowite wyeliminowanie półcienia nie jest możliwe
Półcień
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 57
• na wielkość półcienia wpływa– geometria
• wymiar źródła promieniowania• położenie przesłon)
– rozproszenie promieniowania na przesłonach– przenikanie promieniowania przez materiał
przesłony– rozproszenie w napromieniowanej materii– …
Półcień
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 58
półcień
Półcień
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 59
• izodozy – linie wyznaczające przestrzenny rozkład mocy dawki poza osią wiązki
• izodozy dla celów terapeutycznych określają stosunek mocy dawki w całej wiązce promieniowania do mocy dawki w ustalonym punkcie na osi wiązki
• za 100 % przyjmuje się (najczęściej) maksymalną wartość mocy dawki w osi wiązki
• pomiary - w fantomie wodnym
Izodozy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 60
Fantom wodny
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 61
a) promieniowanie X (filtr 1,5 mm Cu), b) promieniowanie 60Co, c) promieniowania X z liniowego przyspieszacza elektronów 23 MeV
0
10
20
6 4 2 0 2 4 6 4 2 0 2 4 4 2 0 2 4 cm
80 60
40
20
10
80
60
40
20 40
60
80
100
cm
(a) (b) (c)
Izodozy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 62
• filtry klinowe– stosuje się dla wiązek promieniowania o
energiach większych od 1 MeV– dla małych energii promieniowania nie jest
celowe• duże boczne i wsteczne rozproszenie
promieniowania– są ciężkie i mają ograniczone możliwości doboru
kątów oraz rozmiarów napromieniowanych pól– powodują powstanie wtórnych elektronów oraz
rozproszonego promieniowania X – przez pochłanianie części promieniowania
procentowa dawka na głębokości może różnić się od procentowej dawki dla pola nie objętego filtrem
Filtr klinowy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 63
• Kąt filtra klinowego dobiera się aby określona izodoza (np. izodoza 50 %) miała żądane nachylenie w stosunku do normalnej do osi wiązki
k l i n
2 0c m
1 0 0
8 0c m
6 0c m
4 0c m
1 0 c m
Filtr klinowy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 64
• w nowszej generacji liniowych przyspieszaczy elektronów ruch pojedynczych części przesłon sterowany jest za pomocą komputera– możliwe jest stosowanie dynamicznych filtrów
klinowych• odpowiedni program może zmieniać w sposób
kontrolowany pole podczas napromieniowywania
Filtr klinowy
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 65
• pomiar dawki ekspozycyjnej wewnątrz napromieniowywanego ciała za pomocą bezpośredniego pomiaru jest praktycznie niemożliwe
• dawkę określa się pośrednio na podstawie pomiaru mocy dawki w fantomie wodnym lub stałym
• pomiar mocy dawki w fantomie dla promieniowania X i w ściśle określonych warunkach określa tzw. wydajność aparatu terapeutycznego
• standardowe wymiary fantomu do pomiaru wydajności powinny wynosić (303020) cm3
Pomiar dawki ekspozycyjnej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 66
g
źródło
ZS
Standardowy fantom
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 67
• dla metody SSD– odległość źródło – powierzchnia fantomu 80 lub
100 cm– pole napromieniowania 1010 cm2 określone na
powierzchni fantomu– głębokość kanału sondy 5 cm (dla 60Co i fotonów 9
- 10 MeV)– czas pomiaru 200-300 jm (jednostek
monitorowych) lub 1 min (w zależności od aparatu)
Pomiar dawki ekspozycyjnej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 68
• dla metody SAD – odległość źródło – izocentrum 80cm lub 100 cm– pole napromieniowania 1010 cm2 określonego w
izocentrum– głębokość kanału sondy 5 cm (dla 60Co i fotonów 9
- 10 MeV)– czas pomiaru 200-300 jm lub 1 min (w zależność
od aparatu)
Pomiar dawki ekspozycyjnej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 69
• moc dawki pochłoniętej
D – zmierzona wartość dawki ekspozycyjnej, t – czas, f – współczynnik konwersji dawki ekspozycyjnej na pochłoniętą, kx – współczynnik kalibracji użytego detektora, CpT – współczynnik uwzględniający wpływ temperatury i ciśnienia atmosferycznego, p - ciśnienie atmosferyczne, T – temperatura
• moc dawki pochłoniętej jest dawką standardową DST – podstawa do obliczania
• czasu napromieniowania• dawki w dowolnym punkcie obszaru
napromieniowanego
jmGy
tDCkfD pTx
hPaK
15,29325,1013 T
pC pT
Moc dawki pochłoniętej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 70
• moc dawki w fantomie w osi wiązki na głębokości g dla pola napromieniowania S na powierzchni fantomu
q(S) - współczynnik pola promieniowania S na powierzchni fantomu wyznaczony dla kwadratu równoważnego, D(g,S) i D(S) - odpowiednio procentową dawkę na głębokości g oraz na głębokości d = 5 cm dla wiązki o przekroju S na powierzchni fantomu przy ustalonej odległości źródła od napromienianej powierzchni, - moc dawki na głębokości maksymalnej dawki (100%)
),()(),(),()(),( %max%
%
SgSSgSdSqSg ST DDD
DDD
)(max SD
Moc dawki w fantomie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 71
• określoną dawkę otrzymuje się po określonym czasie napromieniowania– czas podawany jest zwykle w jednostkach
mnitorowych• czas napromieniowania zależy od wielu czynników,
głównie od konstrukcji źródła promieniowania• istotne parametry urządzenia podawane są przez
producenta w postaci odpowiednich współczynników lub programów komputerowych
Czas napromieniowania
Top Related