september 2005 Stråling, Beskyttelse, Hygiejne & Håndtering af radioaktive isotoper

Transkript

1 september 2005 Stråling, Beskyttelse, Hygiejne & Håndtering af radioaktive isotoper

2 1 Del A: Stråling og Radioaktivitet Fysik principper Hvad er.? Vigtig terminologi kort sagt...7 Stråling:...7 Radioaktiv:...7 En elektron volt (ev): Elektromagnetisk spektrum Atomet Isotoper Stabile og ustabile isotoper Henfald og radioaktivitet Radioaktivt henfald Henfalds sandsynlighed Halveringstid: (T ½ ) Vekselvirkning af stråling med stof Vekselvirknings processor Gennemtrængning og afskærmning Biologiske virkninger Dosimetri og måling Absorberet dosis: den fysiske enhed gray (Gy) Dosishastigheden Dosishastigheden ved afstand Ækvivalent dosis sievert (Sv) Effektiv (helkrops) dosis Historiske enheder Eksterndosimetri Interndosimetri Risiko fra arbejde med radioaktivitet Fysiske principper af detektorer Detektorer typer Gas detektorer Radiosensitive filmdetektorer Valg af strålings måleudstyr Måling og tælletal Nuklearmedicinske isotoper og radioaktive lægemidler General oversigt over isotoperne der bruges til nuklearmedicinske undersøgelser Isotoper på vor afdeling m Tc henfald I henfald I henfald I-123 henfald Cr-51 henfald Behov for strålingsbeskyttelse Stråling naturlige og kunstige kilder Årlig baggrundsdosis Erhvervs doser Medicinske doser Årlig bestrålingsdosis til personale i Herning og Holstebro Radioaktive kilder på afdelingen Bestrålingsdoser til personalet fra nuklearmedicinske undersøgelser Årlige middeldoser

3 1.4.3 Strålingsbeskyttelse Lov krav Bekendtgørelser og vejledninger Ansvarlige Krav til personale Del B: Strålingsbeskyttelse i praksis Strålingsbeskyttelses principper Strålingsbeskyttelse i praksis Hvordan nedsætter man bestrålingsdosis? Afstand Tid Afskærmning Strålehygiejne Radioaktivt affald Transport af radioaktive stoffer Overvågning af personale dosis Filmbadges Elektronik persondosimeter Advarsel Praktisk strålehygiejne personale Den gravide arbejder Strålingsbeskyttelse af patienterne Risk vs gain Optimering af patient doser Den gravide patient Nuklearmedicinske undersøgelser af børn Maksimum undersøgelsers doser Strålingsbeskyttelse pårørende Graviditet Strålingsbeskyttelse enkelt person i befolkningen Strålingsbeskyttelses udstyr hvad findes der på vor afdeling? Dosis måling udstyr Strålingsbeskyttelses udstyr Kvalitetssikring procedurer Interne vejledninger Hvor finder man vejledninger og hvilke vejledninger findes på afdelingen? Vejledninger der handler om stråling / håndtering af isotoper mm Dokumentation Et par ord fra forfatteren og opsummering Videre information, og hvor man kan finde den Reference

4 I. Liste over figurer: 1-1. Elektromagnetiskspektrum Atomet Henfaldskanaler 1-4. Aktivitet i forhold til henfaldskonstant 1-5. Eksponentielt henfald og halveringstid 1-6. Fotoelektrisk effekt 1-7. Compton spredning 1-8. Parproduktion 1-9. Bremsstrahlung fotoner Foton energi vs. antal protoner phasespace for vekselvirknings processer Gammafoton attenuation i en absorber Attenuationskoefficienter for bly og blød-væv Halverings- og tiendedelstykkelse Strålingsskade i DNA Lav og høj LET stråling Produktionen af biologiske skade i væv fra ioniserende gammafotoner Dosishastighed ved afstand invers kvadratisklov Gas detektoren og hvordan den fungerer Karakteristiske V/I kurver for gas detektorer Scintillations detektor Dosis og energi responskurver for radiosensitiv film Signifikans intervaller for tællestatistik Radioaktivt henfald 99 Mo & 99m Tc Radioaktivt henfald 131 I Radioaktivt henfald 125 I Radioaktivt henfald 51 Cr Årlig baggrundsdosis til den danske befolkning Radon koncentrations fordeling i Danmark Årlige erhvervsdoser i Danmark år trend i antallet brugersteder i Danmark; medicinsk stråleanvendelse år trend i antallet strålingsarbejdere i Danmark; medicinsk stråleanvendelse år trend i årlige erhvervsdoser til personale der arbejder med stråling; medicinsk stråleanvendelse Årlige effektive doser til arbejdere der arbejder på en dansk nuklearmedicinsk afdeling Månedsdosis registrering for personale ansat på nuklearmedicinsk afdeling i Herning og Holstebro Bioanalytiker månedsdosis registrering Herning Bioanalytiker månedsdosis registrering Holstebro 2-1. Film dosimetri for personlig dosisovervågning 2-2. Elektronik persondosimeter 2-3. Advarselsskilte for radioaktivitet B2-1. Dannelsen af røntgen stråling 4

5 II. Liste over tabeller: 1. Elektronvolt enheder 2. Strålings typer og henfaldskanaler 3. Halveringstykkelser og attenuationskoefficienter for gammafotoner i absorberer 4. Cellens og vævs radiofølsomhed 5. Tærskelsdoser for bestrålingsskade til mennesker 6. Fostrets radiofølsomhed 7. Strålings vægtfaktorer (w R ) for ækvivalent dosis 8. Væv vægtfaktorer (w T ) for effektiv dosis 9. Væv vægtfaktorer (w T ) for effektiv dosis nye ICRP 2005 anbefalinger 10. Omregningsfaktorer for dosimetriske enheder 11. Gammakonstanter til eksterndosis beregning 12. Dødsrisiko 1:1 million 13. Fordele og ulemper for radiosensitiv film 14. Tekniske detaljer for detektorer der findes på vor nuklearmedicinsk afdeling 15. Detektor type valg for strålingsmålinger 16. Liste over isotoper der anvendes i nuklear medicin 17. Liste over isotoper der findes på nuklearmedicinsk afdelingen i Ringkjøbing amt 18. Fysiske egenskaber for typiske nuklearmedicinske isotoper 19. Liste over naturlige og kunstige strålingskilder 20. Den danske årlige baggrundsdosis 21. Effektive doser fra medicinske procedurer 22. Bioanalytiker bestrålingsdoser forbundet med nuklearmedicinske procedurer 23. Liste over strålingskilderne der findes på nuklearmedicinsk afdeling Herning og Holstebro afsnitter 24. Lovkrav fra Sundhedsstyrelsens Bekendtgørelse Årlige bestrålings dosisgrænser for strålingsarbejdere i Danmark 26. Klassifikation af radioaktivt affald 27. Liste over arbejdsopgaver for gravide arbejdere 28. Maksimal aktivitetsmængde for kvinder der arbejder med radioaktivitet når de ammer 29. Anbefalede, og maksimale, doser brugt til nuklearmedicinske undersøgelser 30. Strålemålings udstyr der findes på vor afdeling 31. Strålebeskyttelses udstyr der findes på vor afdeling 32. Liste over emner der findes i afdelingens metodebog 33. Liste over emner, der har med radioaktivitet at gøre, i afdelingens metodebog 5

6 III. Introduktion til denne guidelines Intention to provide a comprehensive source for information on radiation / radiation safety and RP so is easy to access info you need at any time.. Includes departments policy on RS & RP. Good start place for those not familiar with RP terminology with knowlede of unerlying principles should be able to form answers to quesitons on how safe it is to work with radiation / NM department. Of course not everything written here, internal dosimetri is beyond the scope of this report also included a book list / sources of further information as start place for those who want to learn more. (Introduction / definitions of the most important / most used dosimetry quantities not meaning to give lots of mathematical derivations, or all terms used. mathematical equations kept to a minimum, those given as definitions, not derived: concepts such as gamma constant, air kerma, or exposure etc will not be covered these can be found in any text book on radiation safety / units etc) Intended as general reference for whole department, so people of whole range of knowledge can use it, from newly hired who have not worked with radiation before, to those who just need a reference source of the policy found in the department. Therefore for practical purposes is split in two parts: Del A gives useful information on radiation in general / basic physic principles / radiation dosismetri terms which might come accross. Disscussion on legal requirements what is required / what we have to do. Del B practical guide which discusses RP in practice general procedures and specifics to our department. What equipment we have / instructions / procedures we have. Copies of up to date (jan 2004) vejledninger for various RS & RP procedures included in appendices. For those who know everything about radiation, Del A probably too basic, so can skip to Del B where there is given hopefully a comprehensive coverage of RP in the department practical information. If something missing, or subject matter not covered in enough detail, always welcome to discuss with physicist / overlæge can possibly be included in future revisions of this guideline. There is not given comprehensive literature references through the text, list of sources found in section 3, references, 6

7 1 Del A: Stråling og Radioaktivitet For det meste handler strålingsbeskyttelse og strålehygiejniske protokoller om sund fornuft, når man håndterer radioaktive isotoper og strålekilder. Hvis man har kendskab til strålings grundlæggende fysiske principper, og er klar over hvor der findes radioaktive kilder, er man i god stand til at vurdere, hvad der er, eller ikke er, farligt, og så på denne grund tage ansvar for sig selv og for andre. For at opnå et grundlæggende kendskab til strålings egenskaber, handler del A af denne guidelines om de forskellige strålingers fysiske egenskaber, deres vekselvirkning med stof og principperne bag detektorer for måling af stråling og radioaktivitet. Det er ikke meningen at give en fuld matematisk beskrivelse, men at diskutere forskellige idéer og processer, der er vigtige. Med denne baggrundsinformation, har læseren forhåbenligt et godt startpunkt for at forstå kravene for strålingsbeskyttelse, strålehygiejniske protokoller, og lovkrav der findes på en nuklearmedicinsk afdeling. For yderligere oplysning, og videregående matematiske beskrivelser af fysikken, henvises læseren til lærebøger om strålingsfysik, kernefysik eller strålings- biofysik. Del B af denne guidelines forklarer reglerne og protokollerne der findes på nuklearmedicinsk afdeling i Herning og Holstebro. 1.1 Fysik principper Hvad er.? Vigtig terminologi kort sagt Der bruges mange ord når man diskuterer strålehygiejne og strålingsbeskyttelses metoder. Dagligt er mange ord, som har små nuancer i deres betydning, brugt enstydig for hinanden; men i realiteten betyder de forskellige ting. I denne guidelines, prøver jeg at bruge det korrekte ord for det jeg vil sige, men jeg indrømmer at jeg godt kan komme til at bruge et forkert ord en gang i mellem! Følgende er en (kort) forklaring af den meste brugte terminologi, som er vigtig at forstå hvis man vil holde en meningsfuld samtale med andre indenfor nuklearmedicin, radiologi eller strålingsbeskyttelse: Stråling: Stråling er overførselen af energi gennem luften eller det tomme rum i form af elektromagnetiske bølger eller partikler. Der findes forskellige former for stråling: alfa, beta, protoner eller neutroner, som er eksempler på partikel stråling, eller den som vi måske tænker på til daglig: synligt lys, ultraviolet lys, radiobølger osv., som er eksempler på elektromagnetisk stråling. I visse former er stråling skadelig for levende organismer. Når stråling passerer igennem et materiale kan den vekselvirke, f.eks. i biologisk væv. Hvis strålingen har energi nok til at ionisere atomer i materialet, dvs. fjerne elektroner fra atomerne, kaldes den for ioniserende stråling. Det er denne type stråling vi er bekymret for med hensyn til strålingsbeskyttelse - men til gengæld er den et uundværligt hjælpemiddel ved medicinsk diagnostik og terapi. Radioaktivitet: Radioaktivitet er stråling, der udsendes i forbindelse med radioaktivt henfald, fra visse grundstoffer som skyldes ændringer i stoffets atomkerner. Strålingen kan bestå af alfa, beta eller gamma stråling m.fl.. Radioaktiv: Radioaktiv betyder: som har at gøre med radioaktivitet. Noget er radioaktivt hvis den udsender radioaktivitet f.eks. radioaktivt affald. En elektron volt (ev): I fysik er enheden for energi Joule en, som er baseret på de grundlæggende enheder af masse (Kg), længde (m) og tid (s), som 1 J = 1 Kg.m 2.s -2. Én Joule er en stor mængde energi. Men de absolutte energimængder der findes ved stråling og atomer er meget små. Derfor når vi beskriver stråling, er det sædvanligt at snakke om en elektron volt (og mangefold elektron volts), som en speciel enhed for en fotons/partikels energi. 7

8 Definitionen af en elektron volt er baseret på den opnåede energi en elektron, der har en ladning e, får når den falder gennem en potentiel forskel på 1 volt 1. Ladningen af elektronen er e = 1,602%10-19 Coulombs, derfor er 1 elektron volt lig med 1,602%10-19 (C) % 1(V) = 1,602%10-19 Joules. Dette er et meget lille tal, der passer med energierne vi er interesseret i. Derfor er det langt mere praktisk at bruge enheden ev når man er interesseret i atomare, kerner og strålings energier. Der findes også mangefold terminologi for elektron volts, f.eks. indenfor nuklearmedicin taler vi tit om 140 kev fotoner fra technecium-99m, hvor en kev ( kilovolt ) = 1000 ev. Andre enheder er: Tabel 1: elektronvolt enheder elektron volts symbol Navn Joules (J) 1 (10 0 ) ev Elektronvolt 1,602% (10 3 ) kev Kiloelektronvolt 1,602% (10 6 ) MeV Megaelektronvolt 1,602% (10 9 ) GeV Gigaelektronvolt 1,602% Det Elektromagnetiske spektrum Der findes mange forskellige typer elektromagnetisk stråling synligt lys, gamma, røntgen, radiobølger, mikrobølger osv. Men fysisk set er de faktisk meget ens! Fra den moderne fysiks synspunkt kan elektromagnetisk stråling beskrives som bølger eller som partikler, med fysiske egenskaber: energi, impuls, bølgelængde og frekvens. Sammenhængen mellem egenskaberne er: hc E = pc = hν =, λ hvor E er energien, p er impulsen, µ er frekvensen, κ er bølgelængden, c er lyshastigheden som er konstant (3%10 8 m/s), og h er en fysik konstant, som hedder Planck s konstant (6,63%10-34 Js). Derfor har høj energi stråling en høj frekvens, der svarer til en kort bølgelængde, og modstat har lav energi stråling en lav frekvens, der svarer til en lang bølgelængde. Elektromagnetiske bølger eksisterer i et uafbrudt spektrum, der dækker mangefold frekvens dekader, fra radiobølger (lav energi, lav frekvens og lang bølgelængde), til røntgen- og gammastråling (høj energi, høj frekvens og kort bølgelængde). Figur 1-1 viser forskellige energi, og tilsvarende frekvens områder, for forskellige typer elektromagnetisk stråling. Synlig stråling, som vi ser til daglig, har en energi af få elektronvolts, mens røntgen og gamma stråling har energier større end henholdsvis 1000 og elektronvolts (kev områder); dvs den eneste fysiske forskel mellem forskellige strålings typer er deres energi, og derfor deres bølgelængder/frekvenser. Synligt lys er synligt på grund af, at strålingens energi ligger i et område vores øjne kan detektere, vi kan ikke se ultraviolet og infrarød stråling pga. vores øjne (strålings detektorer) ikke kan registrere disse frekvenser. Ligeså kan vi ikke se røntgen eller gamma stråling, pga. frekvensen er for høj der kræves et gammakamera eller en røntgen detektor for at se disse strålings frekvenser. Fotonen 1 volt (V) er enheden for en spænding. 8

9 Elektromagnetisk stråling er overførelsen af energi. Klassisk fysik siger at energien overføres som en bølge, og at bølgen kan have en Figur 1-1: elektromagnetisk spektrum hvilken som helst energi (frekvens), der ligger i et uafbrudt spektrum (Figur 1-1). Moderne fysik (kvantemekanik) siger at energien overføres som et kvantum af energi, og at der er bestemte tilladte energi kvantetal. Det betyder at man kan tænke på stråling som overførelsen af individuelle energipakker. Disse pakker kaldes fotoner, som er partikler uden ladning og uden masse. Derfor består de forskellige typer elektromagnetisk stråling af fotoner der har forskellige energier. Denne idé, at stråling kan beskrives som bølge eller partikel, er meget vigtigt for at forklare forskellige strålingsprocesser, f.eks. vekselvirkning af fotoner med stof 2, og radioaktivt henfald 3. Forskel mellem røntgen og gammastråling? I radiologi og nuklearmedicin er vi normalt interesseret i de højere-energi fotoner; dem som har energier i området kev. Det er typisk at strålingen der findes på en nuklearmedicinsk afdeling har højere energi end strålingen der bruges til røntgen undersøgelser, og konventionen er at vi snakker om gammastråling til nuklearmedicinske undersøgelser, og røntgen stråling til røntgen undersøgelser. Historisk forskel: I dag findes der en historisk grund til at vi tænker på forskellige strålings typer; røntgen eller gamma. Røntgen stråling blev opdaget i 1895 af Wilhelm Röntgen, da en fotoplade blev eksponeret af en usynlig og ukendt stråle under et eksperiment med et elektrisk udladningsrør. Disse ukendte stråler blev kaldt røntgen stråling (x-rays på engelsk) efter Wilhelm Røntgen. Pga. strålingens evne til at trænge igennem stof og vise billeder af gemte indvendige objekter, blev metoden med det samme indført til medicin for at tage anatomiske billeder af skelettet/kroppen. Næsten på samme tid, i 1896, blev radioaktivitet opdaget af Henri Becquerel, og radioaktiv radium af Marie og Pierre Curie. Det blev konstateret at radioaktivitet består af forskellige type stråling, som kaldes alfa, beta eller gamma, efter de første 3 bogstaver i det græske alfabet. Det var først i den 20 århundrede, med opfindelsen af kvantemekanik, at det blev forstået at forskellige typer elektromagnetisk stråling faktisk er lig; undtagen deres energi, og derfor frekvens og bølgelængde 4. Det betød at både røntgen og gamma stråling er faktisk navne for den samme fysiske elektromagnetiske stråling. Fysisk forskel: Hvis man har en røntgen og en gamma foton der har samme energi, kan man se en forskel? Fotoner der har samme energi har samme frekvens og bølgelængde. Dette betyder at de to fotoner vekselvirker med stof på lige nøjagtigt samme måde, og derfor kan detekteres på samme måde fysisk set kan vi ikke se en forskel. Men, fotonerne skal dannes, og det er først her at vi kan forstå en forskel mellem strålingernes typer atomiske/kerne processerne der udsender røntgen eller gamma fotoner, er forskelligt. Konventionen er at røntgen stråling bliver udsendt fra processer der stammer fra omorganisering af atomare elektroner, og gamma fotoner bliver udsendt under processer der involverer nukleare (kerne) partikler. Fordi der normalt forekommer lavere energier i forbindelse med atomare omdannelser end ved kerne omdannelser, kan vi forstå hvorfor røntgen stråling typisk har en lavere energi end gamma stråling. 2 Hvis en partikel (foton) ikke har masse, kan den ikke have impuls, og den kan ikke vekselvirke med stof. Hvis den også har bølge egenskaber vil den få en associeret impuls (partikel-bølge dualitet), og derfor kan den vekselvirke. 3 Nogle radioaktive henfaldsprocesser kræver at en elektron findes i kernen. Hvis en elektron kun har fastlagte baner rundt om kernen, kan den ikke findes i kernen! Hvis elektronen også har bølge egenskaber, er der en usikkerhed i elektronens position man kan ikke vide hvor elektronen findes i atomet. Der er en større sandsynlighed at den findes nogle steder end andre, MEN der er også en mulighed for at den kan findes i kernen. 4 Der findes høj energi røntgen fotoner, der har energier/frekvenser i gamma-fotonens energiområde, og vice-versa (lav energi gammas der ligger i energiområdet for røntgen stråling). 9

10 1.1.3 Atomet Før vi kigger nærmere på de forskellige strålings typer, hvordan de bliver dannet og hvordan de vekselvirker med andre partikler, er den en god idé at opfriske vores kendskab til atomet hvordan ser det ud? Atomet består af to dele: en kerne og atomare elektroner. Kernen selv indeholder to typer partikler, protoner, der har en positiv ladning, og neutroner, der er elektrisk neutral de har ingen ladning. Elektronerne har negativ ladning. Et grundstofs type, f.eks. brint (H), helium (He), technetium (Tc), bestemmes af antallet af protoner der findes i kernen. Atomer der har forskellige antal protoner kaldes for forskellige grundstoffer. Der findes cirka 120 forskellige grundstoffer, der er organiseret i det periodiske system. Kernen indeholder Z positive protoner, og N neutrale neutroner, derfor har den en netto positiv ladning. Atomet selv er elektrisk neutral, derfor må der også findes Z negative elektroner, for at balancere den positive ladning i kernen. Men hvor finder vi disse elektroner? e - Figur 1-2: Atomet e - Det historiske atom: Idéen at stoffet, som vi ser rund om os til hverdag, er bygget op af fundamentale byggeklodser der kaldes atomer, har eksisteret siden de gamle grækere. Opdagelsen af elektronen i slutningen af 18-hundredtallet medførte et billedede af atomet som en jævn fordeling af både negative (elektron) og positive ladninger en slags blommepudding. I 1911, udførte Ernest Rutherford eksperimenter, der viste at denne model ikke kan beskrive virkeligheden; han beviste at atomet består af et tungt positiv centrum det vi i dag kalder kernen, og at det meste af atomet består af tomt rum. Det betød at elektronerne må ligge langt væk fra kernen. Billedet blev til planetmodellen, hvori der optræder en tung, positiv-ladet kerne, og de negative elektroner bevægede sig rundt om kernen ved stor afstand ligesom planeterne omkredser solen i solsystemet. Planet-modellen for atomet var baseret på klassisk-fysik, og den havde et stort problem: fysikken siger at elektroner der bevæger sig omkring en kerne, udsender elektromagnetisk stråling (fotoner), dvs. de skulle miste energi og spiralere ind til atomets center! Dette ser vi ikke hverdag, så spørgsmålet var: hvordan kan det være? Problemet blev løst i 1913 af Niels Bohr, ved ikke at tænke på atomet som en klassik ting, men at inkludere en kvantemekanisk beskrivelse for de atomare elektroner. Han udvidede planet-modellen ved at give 2 postulater: i) at elektronerne kun må eksistere i diskrete (tilladte, kvantiserede) baner rundt om kernen, og når elektronerne sidder i disse baner kan de ikke udsender fotoner; og ii) elektroner udsender ikke kontinueret stråling, men de absorberer/ udsender fotoner kun når de skifter baner. Derfor når elektronerne sidder i disse tilladte baner, er atomet stabilt (Figur 1-2). Røntgen stråling: I denne Bohr-model, betyder det at fotoner (energi) bliver udsendt fra atomet når atomare elektroner skifter mellem tilladte energi-baner, dvs. der sker en omorganisering af elektronernes energier. Hver tilladt bane har en bestemt energi. Det betyder at fotonerne der udsendes når elektroner skifter baner, har en bestemt energi der svarer til forskellen i energi mellem de forskellige baner (E x = E 1e -E 2e ). Fotonerne udsendt pga. omorganisering af elektroner i atomet, kaldes for røntgen stråling (se bilag 2, Figur B2-1). Elektronerne for forskellige grundstoffer sidder i bestemte energi-niveauer, der er enestående til denne type grundstof. Det betyder at et atom har et multiniveau spektrum til absorption/udsendelse af fotoner, som er givet af energi-forskellen mellem forskellige energi-niveauer. Disse energi-spektra er et fingeraftryk for hvert enkelt grundstof. Gammastråling: Ligesom for røntgen-fotonens dannelse, findes der en tilsvarende proces til dannelsen af gamma stråling protoner og neutroner i kernen sidder også med bestemte energier, og gammafotoner ved tilsvarende energier bliver udsendt under omorganisering af disse energi-niveauer (E χ = E 1p,n -E 2p,n ). Elektronsky: 10

11 Med Bohr-modellen for atomet har vi en god beskrivelse for stabile atomer, og en forklarelse for hvorfor der findes fotoner med bestemte energier. Men har vi det hele? Bohr-modellen er baseret på kvantemekanik en kvantificering af tilladte energi-niveauer. Men kvantemekanik har flere interessante idéer, der også har vigtige konsekvenser. Atomet er en partikel, derfor i den kvantemekaniske beskrivelse har det både partikel og bølge egenskaber pga. idéen om partikel-bølge dualitet. Vi ved at en elektron i atomet har en bestemt energi E, derfor har den en bestemt impuls p (E = pc), og en associeret bølgelængde κ. Er dette vigtigt? Kvantemekanikteori har et grundlæggende præmis: den er baseret på usikkerhed. Når man udfører en fysisk måling på en eller anden egenskab, er der altid en usikkerhed på målingen, f.eks. når man måler impuls, får man et resultat p + p, hvor p er usikkerheden i målingen. Tilsvarende, når man måler en position, får man resultatet x+ x. I kvantemekanik findes der en forbindelse mellem egenskaberne, f.eks. impuls & position, energi & tid osv.: p. x = h / 2ο, E. t = h / 2ο. Hvis vi ganger usikkerheden i vor impuls måling med usikkerheden i vor positions måling, får vi en konstant, og tilsvarende for usikkerhederne i energi og tid. Det betyder at hvis en målt kvantitets usikkerhed formindskes, så stiger usikkerheden i en anden kvantitetet. Det kaldes for usikkerhedsprincippet. Lad os nu betragte vort kvantificerede atom: en elektron har en bestemt energi E, derfor har den en bestemt impuls p som nævnt ovenover. Dette betyder at usikkerheden i impulsen p = 0, dvs. vi ved lige nøjagtigt elektronens impuls. Men, fra usikkerhedsprincippet, betyder det at x =, dvs. usikkerheden i elektronens position stiger til uendelig - vi kan ikke vide hvor i atomet elektronen finder sig! Derfor er det billede, hvor elektronerne eksisterer i bestemte baner omkring kernen, alt for enkelt. I stedet for dette Bohr-billede, snakker vi om sandsynligheder der er en sandsynlighed for at elektronen findes på en bestemt position. Der eksisterer en større sandsynlighed for at den findes nogle steder end andre, f.eks. i baner, men samtidigt er der en lille sandsynlighed for at den findes andre steder, f.eks. i kernen selv! Det er måske kun en lille sandsynlighed, men den eksisterer og ikke er nul. Derfor er vort billede af atomet udvidet til en tung kerne, som har en sky af elektroner omkring sig, hvor elektronskyen svarer til det område hvor en elektron må finde sig 5. Denne ide om en elektronsky, og at der eksisterer en sandsynlighed for en elektron at befinde sig i kernen, har vigtig betydning for nogle radioaktive henfalds processor. Ionisering: Generelt er et atom elektrisk neutralt. Men, hvis det mister en eller flere af dets elektroner, får det en net positiv ladning der er ikke længere negative ladninger nok til at balancere kernens positive ladning totalt. Vi siger at atomet er ioniseret. Det kan ske ved en vekselvirkning af en gamma eller røntgen foton med atomets elektroner: under vekselvirkningen, opgiver fotonen energi til atomets elektron(er), og energien er nok til at fjerne elektronen(erne) fra atomet. Når dette sker, kaldes atomet for en positiv ion. En negativ ion opstår under den omvendte proces et atom fanger en eller flere elektroner, med det resultat at atomet får en net negativ ladning. Fotoner eller stråling der har energi nok til at ionisere atomer, kaldes for ioniserende stråling Isotoper Et atom indeholder: Z protoner og N neutroner i kernen, har en total nukleon 6 masse A = Z + N, og der findes Z elektroner i et neutralt atom. Et grundstof bestemmes kun af antallet af protoner i kernen. Der er ingen grund til at antallet neutroner skal være lig med protons antallet. Faktisk, for hvert grundstof, findes der kerner med Z forkellig fra N. Kerner der indeholder samme antal protoner, men forskellig antal neutroner, kaldes isotoper, f.eks. brint (1p, 1e), deuterium (1p, 1n, 1e) 5 for en god beskrivelse (diskussion) af kvantemekaniske principper og elektronskyen, se [Ref 14]. 6 en kerne indeholder nukleoner (partikler). En nukleon er enten en proton eller en neutron. 11

12 og tritium (1p, 2n, 1e). Nogle isotoper er ustabile, og henfalder ved at udsende radioaktivitet. Tritium er et ustabilt atom, og derfor er det en radioaktiv isotop. Generelt, for et stort antal identiske partikler begrænset til et lille rumligt område, bliver det atomiske system ustabilt. De fleste proton- og neutron kombinationer danner ustabile isotoper. I dag er der eksperimentelt set ~3500 isotoper; hvoraf de fleste er radioaktive. Et atoms kemiske egenskaber (placering i det periodiske system) bestemmes af antallet af elektroner i den yderste elektronskal. Eftersom hver isotop for et bestemt grundstof indeholder samme antal protoner, og derfor elektroner, har disse isotoper samme kemiske egenskaber. Dette er vigtig for en isotops biologiske opførsel i kroppen, og er grunden til at vi kan bruge radioaktivt markerede lægemidler for at tage funktionelle billeder af kroppen med vore gammakameraer. 123 I, 125 I og 131 I er alle jod isotoper. Tilsvarende kaldes atomer der indeholder samme antal neutroner, men forskelligt antal protoner for isotoner. Eksempler på isotoner er 131 I, 132 Xe og 133 Cs, der alle sammen indeholder 78 neutroner, men har forskellige antal protoner, 53, 54 og 55 henholdsvis. Der findes også isobarer, der er atomer med samme massetal A=Z+N, f.eks. 131 I, 131 Xe og 131 Cs Stabile og ustabile isotoper Atomet er opbygget af 3 typer partikler: protoner, neutroner og elektroner. Hvordan kan de holdes sammen som kerne og atomare elektroner? Atomet holdes sammen af kræfter. I naturen findes der 4 kræfter: tyngdekraften, den elektromagnetiske, den stærke og den svage kraft. Tyngdekraften påvirker genstande over stor afstand, f.eks. holder den planeterne i deres baner rundt om solen, og galakserne i universet, men den er ubetydelig på atomar skala. Den svage kraft er årsagen til nogle typer af henfalds processer, så den kan ikke hjælpe med at holde partiklerne sammen i kernen. Det er faktisk både den elektromagnetiske og den stærke kraft der bestemmer hvordan atomet ser ud. Protoner og elektroner er ladede partikler, mens neutroner ingen ladning har. Modsatte ladninger tiltrækker hinanden, mens ens ladninger frastøder hinanden. Kernen har en positiv ladning pga. protonerne, så derfor tiltrækker kernen de negative elektroner til sig. Den elektromagnetiske kraft virker over lang afstand, faktisk til uendelig, derfor er det ikke noget problem at elektronerne findes langt væk fra kernen. Grundstoffet brint er det eneste der kun indeholder en proton i kernen, alle andre grundstoffer indeholder 2 eller flere protoner. Det betyder at kernen består af flere positivt ladede partikler, der frastøder hinanden - principielt burde kernens protoner flyver væk fra hinanden. Den stærke kraft virker over kort afstand (sammenlignelig med kernens størrelse, m), og den har ansvaret for at holde de positive protoner, og neutrale neutroner sammen i kernen. Faktisk findes der i kernen et samspil mellem de to kræfter: den elektromagnetiske frastødning fra alle protoner i kernen er kompenseres af den stærke kraft der holder protoner og neutroner sammen. Pga. de to kræfters størrelse findes der en begrænsning i antallet af protoner og neutroner der kan holdes sammen. Den stærke kraft virker kun over meget kort afstand, derfor føler en proton i kernen kun tiltrækning fra dens naboer, imens den føler en frastødning fra alle andre protoner i kernen. Der findes en grænse hvor den stærke kraft ikke længere kan sejre over den elektromagnetiske frastødning, og atomet bliver ustabil, dvs. ikke kan holde sammen. Disse ustabile atomer henfalder ved at udsende stråling for at kommd til en mere stabil tilstand. Teori siger at der kun kan eksistere ~6000 isotoper, før at den stærke kraft ikke længere kan beherske over den elektromagnetiske kraft. Ud af de cirka 6000 postulerede isotoper der burde findes i verden, er kun få stabile - de fleste isotoper er ustabile Henfald og radioaktivitet Der findes mange forskellige kombinationer af nukleoner i atomer - nogle er stabile, andre er ustabile. En ustabil kerne vil henfalde for at opnå en mere stabil tilstand. Under henfaldsprocessor, udsender det radioaktive atom stråling, der kan bestå af enten partikler eller elektromagnetisk stråling. Tabel 2 giver nogle eksempler oå forskellige strålings typer, og forskellige henfalds processer der udsender stråling. 12

13 Radioaktivitet er stråling fra visse grundstoffer, som skyldes ændringer i stoffets atomkerner. Beskrivelsen radioaktiv gives til et eller andet som har at gøre med radioaktivitet, f.eks. en isotop der henfalder, er radioaktiv. Hvordan en kerne henfalder, og hvilke type stråling bliver udsendt, er afhængigt af isotopens fysiske egenskaber: forholdet af protoner til neutroner i kernen, totalt antal nukleoner og kernens energi. Listen i Tabel 2 viser mange strålingstyper, men på en nuklearmedicinsk afdeling, er vi for det meste, kun interesseret i de første tre typer: alfa, beta og gamma emissioner, og de fysiske henfaldsprocessor der er ansvarlig for disse stråler. Nedenunder beskriver vi de forskellige processer der udsender disse strålinger. For en kort beskrivelse af andre strålings typer og processer, se bilag 2. Tabel 2: strålings typer og henfalds kanaler Stråling α-partikel β-partikel γ-emission x-emission auger elektroner proton / neutron fission partikler Henfalds kanaler alfa henfald beta henfald IC intern omdannelse EC eletron indfagning fission spallation Idéen bag om henfald er, et ustabilt atom prøver at nå en mere stabil tilstand, dvs. vil gerne få en lavere total energi. Det kan ske via udsendelsen af partikler (alfa, beta), eller energi (i formen af fotoner gamma, røntgen) Radioaktivt henfald En ustabil kerne der henfalder, danner en datter isotop der har en lavere energi end moderen. Datteren kan forblive samme grundstof som moderen (har samme antal protoner i kernen, Z), eller den kan blive til et nyt grundstof (har flere eller færre protoner end moderen). Datterens egenskaber afhænger af henfaldstypen. alfa (α): Alfa-henfald er udsendelsen af en helium kerne, dvs. 2 protoner og 2 neutroner. Når en helium partikel bliver udsendt fra atomet, mister kernen en stor mængde energi på en gang. Derfor er α-henfald den foretrukne henfaldsmåde for tunge ustabile atomer, der indeholder et stort antal A 4 X 2 Y + protoner og neutroner i kernen. Hvis en moder isotop har Z protoner i kernen, efter udsendelsen af en helium kerne, har datteren Z-2 protoner, og N-2 neutroner tilbage i dens kerne, dvs. datteren er et nyt grundstof der har en masse A-4 mindre end moder-atomet. beta (β): Nogle ustabile isotoper henfalder via β-henfald, og udsender β-partikler. Under β-henfald bliver elektroner eller positroner 7 udsendt af kernen, og datter isotopen bliver et andet grundstof end moder isotopen. Det er den svage kraft der er årsagen til β-henfald. Der findes to typer β-henfald: β - og β +, afhængigt af om den udsendte β-partikel er en negativ elektron eller en positiv elektron (positron). β - henfald resulterer i udsendelsen af en negativ elektron, og moder-isotopen bliver til et nyt grundstof, der indeholder Z+1 protoner i kernen. Den ekstra proton opstår, når en neutron i kernen omdanner sig til en proton, en elektron og en anti-neutrino n p + e - A A + µ. Det betyder Z X Z + 1Y + e +ν faktisk, at der udsendes to henfalds-partikler fra kernen, en elektron (β - ) og en anti-neutrino. Pga. udsendelsen af anti-neutrinoen, betyder det at den totale energi der kan gives til partiklerne deles mellem elektronen og neutrinoen. Derfor kan elektronen kan have en hvilken som helst energi op til en maksimal energi der svarer til udsendelsen af en neutrino med ingen bevægelsesenergi, dvs., der eksisterer et helt spektrum af mulige elektronenergier. Når man kigger på data for β-emissionens energier, listes der altid en maksimal energi og en A Z Z 4 2 He 7 en positron er ens med en elektron, men har modsat ladning. Positronen er elektronens anti-partikel. 13

14 gennemsnits energi for den udsendte elektron: man skal huske at en hvilken som helst elektron der er udsendt, kan have en hvilken som helst energi op til E max. Fordi en neutron omdannes til en proton, bliver der Z+1 protoner i datterkernen, dvs. den bliver til et nyt grundstof. Det betyder også, at β - henfald optræder for ustabile atomer, der er neutronrige, dvs. for kerner der har N >> Z. β + henfald ligner β - henfald, men denne gang bliver der udsendt en positron (β + ) og en neutrino når en proton i kernen omdannes til en neutron: p n + e + A A + + ν. β-partiklen bliver Z X Z 1Y + e +ν udsendt med et energi-spektrum, pga. at den skal dele den totale energi med neutrinoen. Under denne proces mister kernen en proton og derfor er den resulterende datterkerne et nyt grundstof med antal protoner Z-1. β + -henfald optræder for ustabile atomer,der er protonrige, dvs. for kerner der har Z >> N. Under β-henfald udsendes der en tredje partikel: en neutrino eller anti-neutrino. Normalt er den ubetydelig for os, fordi den er en partikel uden masse 8 næsten uden vekselvirknings med stof. Derfor er den meget svært at detektere. Det man skal huske er, at den totale energi der udsendes under disse processer, er delt mellem de to partikler, derfor findes der ikke β-partikler med en bestemt energi. elektronindfangning er en anden proces hvor en moder isotop henfalder til en datter isotop med Z-1 protoner. Resultatet bliver samme datter-isotop som dannes under β + henfald. Denne gang bliver der ikke udsendt en positron. X + eorbital Z A A Z 1 Y +ν Ligesom for β + henfald, involverer elektronindfangningsprocesser protoner i atomets kerne. Hvis man betragter processen p n + e + + ν (β + ), men omorganiserer ligningen til p + e - n + ν, har vi en opskrift, der siger, at hvis en proton i kernen kan fange en elektron, bliver den omdannet til en neutron og en neutrino, dvs. datter isotopen bliver identisk til isotopen fra beta-henfalds processen. Men, hvordan kan en proton begrænset til kernens rumlige område få fat i en elektron for at fange den? Svaret ligger i ideen om en elektronsky (se 1.1.3). Pga. kvantemekanik, eksisterer der en lille sandsynlighed for at en atomar elektron kan befinde sig i kernen. Da har en proton i kernen mulighed for at fange elektronen, og så blive til en neutron. Ligesom for β + henfald optræder elektronindfangningsprocesser for protonrige ustabile atomer. Disse to processer konkurrerer, og der findes en bestemt sandsynlighed for at et atom henfalder via den ene proces eller den anden. gamma (γ): Gamma-emission er udsendelsen af en gamma foton for at reducere kernens energi. Hvis et atom har en exciteret kerne, dvs. den har for høj energi, vil nukleonerne i kernen omorganisere deres energi-niveauer for at nå den laveste mulige energitilstand grundtilstanden. Under denne omorganisering bliver energiforskellen udsendt som en foton med en energi svarende til denne energiforskel. Processen involverer kun en omorganisering af kernens partikel-energier, dvs. datter isotoppen ikke har mistet eller anskaffet protoner, derfor er datteren samme isotop som moderen, men har lavere energi datterisotopen er mere stabil end moderen. Det korrekte navn for denne proces er isomeric transition (IT) - isomer overgang. Figur 1-3 viser sammenhang mellem de forskellige henfalds typer og moder og datter isotoper. Moder isotopen har altid en højere energi end datter isotopen. En radioaktiv proces vil gerne danne en stabil datter isotop. Somme tider er datteren også radioaktiv, og henfalder selv for at nå en endnu mere stabil tilstand det betyder at nogle isotoper har en henfalds-kæde, hvor hver radioaktiv datter isotop henfalder. Endepunktet sker når kæden producerer en stabil isotop der ikke kan henfalde videre. A Z X * A X +γ Z Figur 1-3: Henfaldskanaler 8 Ny forskning tyder på, at nutrinoen har en meget lille masse. 14

15 Henfaldssandsynlighed Radioaktivt henfald beskrives med statistik, pga. man ikke kan vide hvornår et bestemt radioaktivt atom henfalder. Der findes en sandsynlighed for at atomet undergår henfald inden for en tidsperiode, og sandsynligheden er uafhængigt af tidsperioden man er interesseret i. Dvs., hvis man har et radioaktivt atom, der har en sandsynlighed for at henfalde indenfor en bestemt tidsperiode, men som ikke henfalder i denne periode, så betyder det ikke, at den indenfor den næste tidsperiode har en større sandsynlighed for henfald. Et atom har ingen hukommelse, det husker ikke at det ikke har henfaldet, og nu skal det henfalds sandsynligheden forbliver ens, uafhængigt af hvornår vi kigger på atomet. Yderligere, hvis vi kigger på et stort antal atomer over f.eks et minut, ved vi godt at nogle atomer vil henfalde, men vi har ingen måde at vide, hvilke atomer det vil være. Henfalds konstanten, λ, er sandsynligheden for at et atom henfalder per tidsenhed, og hvert radioaktivt atom har en karakteristisk λ, der er et fingeraftryk for denne radioaktive isotop. Kvantificering af hvor meget radioaktivt stof vi har, måles via dets aktivitet, der defineres som antal henfalds begivenheder per tidsenhed. Et radioaktivt stofs aktivitet (A) er forbundet til antallet (N) atomer der findes, igennem henfalds-konstanten λ: A = λ. N( Bq), dvs. aktiviteten er direkte proportionelt med antallet af atomer jo flere atomer vi har, jo større er aktiviteten. Enheden for aktivitet er Bequerel (Bq), der har definitionen: 1 henfald per sekund. Aktvitet (Bq) lambda = 1 lambda = 0,5 lambda =0, F.eks. hvis man starter med N 0 radioaktive atomer, ved en start tid t 0, har man en start aktivitet A 0 (Bq). Efter en tid t er et antal af disse oprindelige atomer henfaldet, og der findes færre radioaktive atomer tilbage og aktiviteten er mindre. Den nye aktivitet A, og derfor også antallet atomer N tilbage gives af: λt A A e λt N = N 0 e dvs, antallet af oprindelige atomer tilbage henfalder eksponentielt. Hvor hurtigt aktiviteten /antallet atomer tilbage falder, afhænger af sandsynligheden for at dette atom henfalder. For at give et eksempel viser Figur 4 tid (s) Figur 1-4: Aktivitet i forhold til henfaldskonstant eksponentielle henfaldskurver for tre forskellige henfalds konstanter: λ = 0,1, 0,5 og 1, dvs. de har forskellige sandsynligheder for henfald (en høj λ betyder at der er en stor sandsynlighed for henfald, og viceversa). Hvis vi starter med samme aktivitet A 0 ved tid t = 0, for de tre prøver, kan vi efter en tid t se at prøverne har forskellige aktiviteter og antal atomer tilbage. Det skyldes de forskellige henfaldssandsynligheder. Prøven der har største sandsynlighed for henfald (λ =1) har laveste aktivitet tilbage pga. mange atomer er henfaldet, mens prøven med den meget lille henfalds sandsynlighed (λ = 0,1) har mange atomer tilbage, og derfor stadig har en høj aktivitet, pga. ikke mange atomer er henfaldet efter tid t. En graf af aktivitet vs. tid for forskellige radioaktive isotoper viser altid forskellige kurver, pga. forskellige henfalds-konstanter. = Halveringstid: (T ½ ) T ½ defineres som den tid der går før halvdelen af atomerne er henfaldet. Parameteren er forbundet til henfaldskonstanten λ, og derfor findes der en enestående halveringstid for hver radioaktiv isotop. Hvis man starter ved t 0 med N 0 atomer vil der efter en halveringstid kun være 50% atomer tilbage, der ikke er henfaldet. Efter endnu en halverings tid vil der være 25% tilbage og efter 3T ½ kun 12,5%. Formen for eksponentielt henfald ses i Figur A 0 A 0 /2 A 0 /4 A 0 /8 Aktivitet t 0 T ½ 2T ½ 3T ½.. Tid Figur 1-5: eksponentielt henfald og halveringstid

16 Man kan tydeligt se, at antallet atomer tilbage der ikke er henfaldet reduceres meget hurtigt, eftersom det oprindelige antallet reduceres med til 1/2 M efter M halveringstider. Definitionen af T ½ findes ved at kigge på ligningen for eksponentielt henfald: N = N 0 exp(-λt). Vi vil gerne vide den tid T ½ der skal gå før halvdelen af atomerne er henfaldet. Hvis vi løser ligningen for tilfældet når N/N 0 = 0,5, kan vi se at halveringstiden T ½ findes som; t = T ½ = ln2/λ, dvs. halveringstiden er entydigt bestemt af isotopens henfaldskonstant, som er en fysisk egenskab for isotopen. T ½ er en konstant for hver bestemt radioaktiv isotop. Radioaktive isotoper findes med meget forskellige halveringstider; fra få milliontedelle af en milliontedel af et sekund, til mange milliader af milliader af år, men der findes kun få isotoper der har halveringstider der kan anvendes til medicinsk diagnostik (dvs. T ½ typisk minutter, timer eller dage). Det er ikke særlig praktisk at prøve at bruge en isotop der har en meget kort halveringstid, eftersom den bliver totalt henfaldet før man kan injicere patienten og anbringe denne under kameraet. En isotop med meget lang halveringstid og også upraktisk hvem har tid til at vente et par millioner år for at samle counts nok til et billede?! Hvad betyder en lang eller en kort halveringstid i praksis? Vi kan sige at isotoper der har en meget lang halveringstid udsender ikke så meget stråling i en given tidsperiode for den samme mængde atomer som hvis den var en isotop med kort halveringstid. Pga. dette kan man sige at isotoper der har en lang halveringstid, er ikke så farlige som isotoper med kort halveringstider. Bemærk, andre egenskaber skal også betragtes for at bestemme hvor farlig eller ikke farlig en bestemt isotop er Vekselvirkning af stråling med stof Vekselvirkningen af stråling med stof er overførelsen af energi fra strålingen (foton eller partikel) til stoffets atomer. Selve vekselvirkningsprocessen afhænger af strålingstypen, strålingens energi, og også af i hvilket materiale vekselvirkningen foregår. På vor afdeling arbejder vi mest med isotoper der udsender gammastråling (γ-fotoner), derfor er følgende en kort oversigt over de vigtigste vekselvirkningsprocessor for fotoner. Der findes andre vekselvirkningsprocesser for ladede partikler (protoner, elektroner), og også for neutroner, men disse er vil ikke blive ontalt her. For beta-stråling, som er udsendelsen af en elektron eller dens anti-partikel, positron, resulterer vekselvirkningen med et stofs atomer i udsendelsen af flere fotoner, eller elektroner. Derfor er den totale overførelse af energi fra den oprindelige partikel beskrevet som en serie af individuelle vekselvirkningsprocessor. For fotoner er der mindst ni forskellige processer hvorved energi kan afsættes i stof. Hvilken af disse processer der dominerer afhænger af fotonens energi fra lav energi fotoner (Eγ ~få kev) til høj energi fotoner (Eγ > 200 MeV), og af stoffets egenskaber (antal protoner i kerner). Fotonerne der bruges indenfor nuklearmedicin har normalt en energi, Eγ ~ kev (typisk 140keV), og vi er interesseret i hvordan de vekselvirker med væv. For vor formål er der faktisk kun tre vigtige måder en foton vekselvirker: fotoelektrisk effekt; compton spredning og parproduktion. Derudover er der en vigtig proces hvor en elektron kan miste energi ved at udsende fotoner: brehmsstrahlung. Disse fysiske principper forklares kort i det følgende Vekselvirknings processor Fotoelektrisk effekt Hvis en foton der bevæger sig i et materiale vekselvirker med et atom gennem den fotoelektriske effekt, vil den forsvinde, og i stedet for bliver der udsendt en fotoelektron og en karakteristisk røntgenstråling. Processen kan deles op i to trin: a) absorption af den indkommende foton og udsendelse af en fotoelektron, og b) udsendelse af røntgenstråling (foton). Den fotoelektriske effekt er en proces der sker mellem en foton og elektronerne i et atoms elektronskaller. Elektronerne er forbundet til atomet med en bindingsenergi E BE. Hvis en foton, der har en energi E χ, der er lidt stører end bindingsenergien, absorberes af atomet, dvs. den opgiver al sin energi til en elektron, vil den oprindelige foton forsvinde, og en elektron blive udsendt fra atomet med en bevægelsesenergi der svarer til forskellen i fotonens energi og elektronens binding energi. Den største sandsynlighed for en vekselvirkning, er når fotonen har en energi 16

17 der er lidt højere end en elektrons binding energi. Vekslevirkninger opstå mest for elektronerne i et atoms indre skal. Efter udsendelsen af fotoelektronen, er der et hul tilbage i én af atomets elektronskaller, og derfor sker der en omorganisering af atomets andre elektroner en fra en ydre skal falder ned for at fylde den tomme plads. Når hullet fyldes af en anden elektron, udsendes forskellen i energi mellem de to elektronskaller som en foton der har energi E x = E ydre skal E indre skal. Denne foton kan efterfølgende forsage andre vekselvirkninger i materialet. Figur 1-6: Fotoelektrisk effekt: vekselvirkning af en foton med en elektron i atomets skal. Fotonen forsvinder og der udsendes (a) en fotoelektron og (b) en anden foton med lavere energi end den første pga. omorganisering af elektronerne i atomet. Ec er fotonens energi, E BE, E KE er fotoelektronens bindings og kinetik energi, og µ, µ er den indkommende og udgående fotoners frekvenser henholdsvis. h er en fysik konstant som hedder Planck s konstant. Compton spredning En indkommende foton af energi E = hµ, vekselvirker med atomets yderste elektroner, og overfører noget af dens energi til en elektron. De yderste elektroner er løst bundet til atomet (har lav bindings energi), og kan få energi nok til at bliver udsendt fra atomet med en energi E e. Den udsendte elektron hedder en rekyl elektron. Den oprindelige foton har nu mistet lidt energi til rekyl elektronen, derfor fortsætter den med en ny lavere energi (hµ ) og i an anden retning. Vi siger at fotonen blev spredt af elektronen. Efter en compton vekselvirkning er der to nye partikler (elektron og foton) plus atomet tilbage. Både rekyl elektronen og fotonen kan undergå videre vekselvirkningsbegivenheder. Elektronen kan miste energi ved at udsende bremsstrahlung fotoner, og fotonen kan fortsætte med at overføre energi til stoffet gennem videre compton eller fotoelektriske vekselvirkninger. Figur 1-7: Compton spredning: den indkommende gammafoton med energi E spredes af elektronerne i atomet. Lidt af fotonens energi gives til en ydre elektron, og der bliver 17

18 udsendt en rekyl-elektron. Fotonen fortsætter med lavere energi (hν ) og i en anden retning (vinkel ϑc). Parproduktion For fotoner der har energi nok, dvs. dem som har en energi større end en tærskelenergi på 1,02 MeV, er der mulighed for at de vekselvirker gennem processen parproduktion. Effekten er at den indkommende foton bliver fuldstændigt absorberet. Fotoner der passerer i nærheden af et atoms kerne påvirkes af kernens store ladning, og der er mulighed for at fotonen omdannes til et elektron/positron par 9. I denne proces spiller stoffets atomer og kerner passive roller. Sandsynligheden for at en foton forsvinder gennem parproduktion stiger hurtig for fotonenergier højere end 1,02 MeV. Tilintetgørelse: Den dannede positron er elektronens anti-partikel, derfor når den kommer i nærheden af en anden elektron i stoffet, vil den annihilere. Resultatet er udsendelsen af to fotoner i modsatte retninger, hvor begge fotoner har en energi på 511 kev (pga. bevarelsen af systemets energi 1.02MeV). Derfor er tegnet på en parproduktions begivenhed: forsvinden af den oprindelige foton og dannelsen af en elektron plus to fotoner. Disse partikler kan undergå flere vekselvirkninger med resultatet at endnu mere energi bliver overført til stoffet. Figur 1-8: En foton med en energi > 1,02MeV omdannes til en elektron/positron par i nærheden af en kerne. Positronen annihilerer med en elektron i materialet med udsendelsen af to 511 kev fotoner. For isotoper der henfalder ved at usende β + -stråling (positroner), er annihillerings vekselvirkningsprocesser meget vigtige. Faktisk er Positron Emission Tomografi (PET) baseret på denne fysike proces. Derimod er traditionelle nuklearmedicinske undersøgelser der udnytter et gammakamera for at detektere enkelte gammafotoner udsendt fra radioaktive isotoper for at danne et billede af aktivitetens fordeling i kroppen, f.eks. gammafotoner fra 99m Tc henfald for planar eller SPECT 10 billeder, udnytter et PET-kamera princippet af samtidigt opdagelse af to 511 kev gammafotoner lige overfor hinanden i detektoren fra annihilationen af en positron. På denne måde danner PET undersøgelser tilsvarende billeder for fordelingen af isotoper der udsender β + stråling i kroppen. 18-flour ( 18 F) er et 9 Gennem Einstein s berømte ligning: E = mc 2 ved vi, at energi og masse er relaterede. Når man har en foton med en energi E, kan denne energi derfor omdannes til andre partikler. Partiklerne der kan dannes er bestemt af nogle regler: man kan ikke få mere energi end systemet har i forvejen, total ladning kan ikke ændres osv. Hvis man har en foton, kan den simpelthen forsvinde og erstattes af en negativ og positiv elektron. 10 SPECT: Single Photon Emission Computer Tomografi 18

19 eksempel på en isotop der anvendes til PET. Normalt er den forbundet til et glukose molekyle (FGD) der indegår i kroppens glukose stofskifte processer. Kun isotoper der udsender β + stråling kan anvendes til PET. I begge tilfælde, SPECT eller PET, er isotopens fordeling styret af kroppens stofskifte og fysiologi, og ikke anatomi. Brehmsstrahlung En høj energi elektron vil overføre energi til stoffet gennem forskellige processer, men i nærheden af en kerne er det meget sandsynligt at den mister energi gennem processen brehmsstrahlung. Navnet stammer fra det tyske ord for bremse stråling, som lige præcis beskriver fysikken bag vekselvirkningen stråling der opstår når elektronen opbremses. Når en høj energi ladet partikel kommer i nærheden af et atoms kerne, føler den en stærk coulomb-kraft 11 der afbøjer den indkommende partikels retning - vi siger at partiklen accelererer 12. På grund af atomets store masse sammenlignet med den indkommende partikel, er dets tilsvarende acceleration ubetydelig. Det er som kun den indkommende (mindre) partikel er påvirket. Fysiske regler siger, at en ladet partikel der accelereres, udstråler elektromagnetisk stråling, dvs. fotoner bliver udsendt. En foton vil have energi E χ = hµ, og den oprindelige partikel vil have mistet den tilsvarende energi. Den indkommende partikels energitab er meget afhængigt af a) dens egen masse, og b) egenskaberne af stoffet den vekselvirker med. Partikler med mindre masse udsender mere stråling 13, dvs. en elektron vil tabe mere energi gennem bremsstrahlungs processen end en tungere proton, og der sker flere vekselvirknings begivenheder i stof hvor atomer har et højt antal protoner i kernen. Når elektroner bliver udsendt fra andre vekselvirknings processer, f.eks. fotoelektroner fra fotoelektrisk effekt og rekylelektroner fra compton processer, mister disse elektroner energi i stoffet ved at udsende bremsstrahlungs fotoner, som kan undergå videre vekselvirkninger med andre atomer i stoffet. Figur 1-9: Bremsstrahlung: en elektron, der passerer i nærheden af en kerne, accelererer og udsendelser en foton. 11 En ladet partikel har sit eget elektriske felt, som er dannet af alle ladede partikler. Når to ladede partikler er i nærheden af hinanden, føler de en kraft pga. vekselvirkning mellem deres felter. Den matematiske beskrivelse af disse felter, og kraften mellem de to ladninger gives af Coulomb s lov. 12 I fysik betyder at accelerere ikke kun en forøgelse i et objekts fart. En acceleration er generelt en ændring i objektets hastighed; dvs. farten og retningen. Når et objekt bremses er der også en ændring i farten, derfor kan vi siger at det accelererer, imens objektets fart reduceres. 13 energitab ved udsendelsen af e/m-stråling er invers proportionel til den ladede partikels masse kvadrat (E/m 2 partikel). Derfor er energitab højest for mindre partikel masser [Ref?]. 19

20 Energi tab i et materiale: - hvilke vekselvirknings processer? Betragt en foton der bevæger sig i et materiale. Fotonen vil starte med en energi E χ og en bestemt retning i rummet. Materialet er opbygget af atomer der har et bestemt antal protoner (Z) i kernerne. Når fotonen bevæger sig i materialet påvirkes den af kræfter fra atomernes elektroner og kerner, og derfor undergår den vekselvirkninger. Vekselvirkningen afhænger af fotonens energi og materialets Z-værdi. Fotonen vil vekselvirke enten gennem fotoelektrisk effekt eller compton spredning (antage at E χ < 1,02MeV og den ikke undergå parproduktion). Efter vekselvirkningen bliver der udsendt en elektron (foto-, eller rekyl-), og den oprindelige foton vil enten have en lavere energi og forskellig retning hvis den var compton spredt, eller forsvinde under en fotoelektrisk vekselvirkning. Elektronen kan nu undergå videre vekselvirknings processer den kan miste energi ved at udsende bremsstrahlungs fotoner, og disse fotoner kan have videre vekselvirkninger der kan resultere i flere elektroner eller fotoner med lavere energi indtil enten al energi fra den oprindelige foton er afgivet til materialet, eller fotonen undslipper materialet med det resultat, at den vil have en lavere energi og bevæge sig i en anden retning end før den gik ind i materialet. Vekselvirkningen af fotoner med stof er derfor et samspil mellem de forskellige processer, og det har vigtige konsekvenser for nuklearmedicin: a) energien afsat i materialet bidrager til dosisen til materialet, dvs. til personale/patienterne, hvis fotonerne vekselvirker med væv, og b) fotoner der er compton spredt bevæger sig i den forkerte retning. Hvis disse fotoner er dem som skal detekteres til undersøgelsen af en patient, bliver de detekteret som fotoner med den forkerte energi og med den forkerte retning de vil forværre billedkvaliteten. De kan også bidrage til dosis, pga. at fotoner med lavere energi har større sandsynlighed for at miste al deres energi gennem en fotoelektrisk proces før de kan trænge gennem stoffet (f.eks. en patient). Figur 1-10 viser energiområderne hvor de vigtigste vekselvirknings processer for fotoner er dominerende, også for forskellige absorberende materialer (forskellige atomnummer, Z). De fleste medicinske nuklider udsender fotoner med Figur 1-10: vekselvirknings processer for fotoner for forskelligeafhængigt af energi områder og for stoffer med forskellig Z værdier (fra [Ref 9], se Figur 3-1). energier ~ keV, og for vekselvirkninger i materialer med lav Z (for væv er Z=7,5 og for knogler er Z= 13), kan vi se, at compton spredning er den dominerende vekselvirknings proces. Det kan godt være et problem for undersøgelsens billedkvalitet. Det betyder også, at der kommer mange spredte fotoner ud af patienten, som kan give strålehygiejniske problemer for personalet Gennemtrængning og afskærmning Når en foton trænger igennem stof, vil der muligvis forekomme en vekselvirkning imellem fotonen og materialets atomer. Vekselvikningens sandsynlighed og type (compton, fotoelektrisk eller par produktion), bestemmes af fotonens energi og materialets Z værdi (se sektion ). Under vekselvirkningen afgives fotonens energi til stoffet, hvorved den enten mister energi og forsætter med en lavere energi (compton), eller taber hele sin energi og forsvinder (fotoelektrisk). Vi siger at fotonen er attenueret (svækket/dæmpet). På den anden side har materialet absorberet energi - det er en absorber. Derfor, hvis man har et foton beam, er det bekvemt at bruge idéen attenuation for at beskrive hvor mange fotoner bliver tabt fra beamet, når det trænger igennem stof. Attenuations koefficient: I = I 0 exp( µ x) Fotoner dæmpes eksponentielt når de bevæger sig i stof. Hvor meget fotonerne dæmpes er beskrevet af µ, den lineære attenuations koefficient, dvs. svækkelsen per længdeenhed. Den har enheden [cm -1 ], og er afhængigt af 20

21 fotonernes energi og absorberens materiale type (Z). Der findes en relateret attenuations koefficient kaldet masse attenuations koefficienten, med enheden [cm 2 /g]. Den tager hensyn til materialets mængde/komposition og er defineret som µ/ρ, hvor ρ er stoffets densitet. Figur 1-11 viser attenuationen af fotoner: den oprindelige intensitet I 0 falder til I når de trænger igennem absorberen af tykkelse x. Nogle fotoner forsvinder fra beamet. En egentlig beregning af µ er meget indviklet fordi der skal tages hensyn til alle bidrag til processen - den afhænger af vekselvirkningsprocesserne, produktionen af sekundære partikler, fotonens energi osv. Hvis man har brug for at kende µ for et bestemt materiale, f.eks. til afskærmningsberegninger, er det mest praktisk at bruge fysiske målinger. Disse findes for forskellige materialer og gammaenergier i x tabel form, f.eks. NIST databasen for x-ray masseattenuations koefficienter [Ref 21]. Dér findes I koefficienter for både grundstoffer (f.eks. bly) og 0 µ sammensatte materialer (f.eks. beton, blyglas, knogle, blød-væv osv.). Figur 1-11: dæmpning af fotoner når de passerer igennem en absorber I For de gamma-energier, der findes på NM afdelinger (få 100er kev), er den dominerende vekselvirkningsproces den fotoelektriske effekt (Figur 1-10). Derfor er materialer med høj tæthed, tunge materialer, gode til at absorbere disse fotoner. Derved vil fotonerne afgive al deres energi til materialets atomer under vekselvirkningen. Det er derfor bly (Z = 82), er et godt absorberende materiale for fotoner, og kan bruges til afskærmning. Lav-energi fotoner har ret høj sandsynlighed for at undergå en fotoelektrisk vekselvirkning, derfor er deres attenuation højere end for højere energi fotoner. Isotoper der udsender lav energi fotoner kan afskærmes af deres beholdere eller med kun lidt ekstra afskærmning, f.eks. 125 I der udsender gammaer i energi området kev. For at illustrere attenuationens afhængighed af gamma energien, viser Figur 1-12 attenuations koefficienter for bly og blød væv. Det ses tydeligt at der ikke findes en enkelt sammenhæng mellem attenuation og foton energi, og at der ikke findes samme forhold for forskellige materialer. Figur 1-12: masse svækkelses koefficienter µ/ρ (cm 2 /g) for forskellige gamma energier når fotoner trænger igennem bly og blød væv. Data fra NIST Physics Reference Database [Ref 21]: X-ray mass attenuation coefficients. For lav-energi fotoner, kan man se at attenuationen er høj for både tung (bly) og let (blød-væv) stoffer - µ værdierne er næsten ens, hvilket betyder at lav-energi fotoner nemt absorberes når de passerer igennem stof. Hvis man derimod betragter det energiområde, vi er interesseret i på NM afdeling, kan man se stor forskel i µ for forskellige gamma energier og materialer. På figuren er vist µ værdier for 99m Tc (blå), 131 I (rød) og 18 F (grøn). 21

22 - µ(tc,pb) er større end µ(tc,blød-væv), hvilket betyder at flere 140keV-technecium fotoner bliver absorberet når de trænger igennem samme tykkelse af Pb end for blød-væv, dvs. flere fotoner trænger igennem væv end bly. - for bly (Pb) er µ(tc) større end µ(i 131 ) og µ(f 18 ). 99m Tc(140keV) udsender lavere energi fotoner end 131 I (364keV) og 18 F (511keV), derfor afsætter Tc-fotoner mere energi i bly og svækkes mere. Faktisk er absorptionen cirka 18 gange højere for Tc-fotoner i bly end for 511 kev fotoner fra PET-isotopen 18 F. Bly er en mere effektiv absorber for lav energi end for høj energi fotoner, dvs. effektiv afskærmning for 131 I eller 18 F fotoner kræver en tykkere absorber eller tungere materialer end for Tc-fotoner. - I blød-væv er µ(tc)og µ(i 131 ) lignende. Dette betyder at der vil være stort set samme foton-absorption i kroppen for både Tc og jod fotoner, dvs. næsten samme antal fotoner trænger igennem kroppen (men lidt flere 131 I fotoner) for en intern kilde. HVL & TVL: Figur 1-13: HVL og TVL definitioner Et vigtig begreb, når man diskuterer afskærmning, er halverings tykkelse (HVL Half Value Layer ). Når fotoner trænger igennem et stof, bliver strålingens intensitet svækket eksponentielt, med dybden i materialet afhængigt af hvilket stof man har og fotonens energi. Ligesom vi tidligere definerede en isotops fysiske halveringstid som den tid der går før halvdelen af atomerne er henfaldet, kan vi definere den dybde i en absorber fotonen skal bevæge sig før strålingens intensitet er faldet til halvdelen af dens oprindelige intensitet. Tilsvarende kan man definere en tiendedels tykkelse (TVL Tenth Value Layer ) som den tykkelse der kræves for at strålingens intensitet reduceres til 1/10 af dens oprindelige intensitet. Disse værdier vises i Figur Tabel 3 viser HVL og TVL værdier for forskellige isotoper og afskærmnings stoffer. Materialer der har en højere Z, dvs. højere densitet, har en mindre HVL (TVL) værdi end materialer med lavere Z. Derfor kræves der tykkere plader af f.eks. beton eller blyglas end for bly for at give samme absorption / afskærmnings egenskaber.. På samme måde trænger strålingen længere ind i blød væv før den vekselvirker med atomerne (f.eks. kroppens væv). Tabellen viser også, at strålingen trænger længere ind i materialet for højere energi fotoner, end for lavere energi fotoner - dvs. der kræves tykkere afskærmning for at absorbere højere energi fotoner. Tabel 3: værdier (cirka) for HVL, TVL og attenuationskoefficient for de vigtigste isotoper på NM afdeling. Værdierne beregnes fra nutidige µ målinger (NIST database [Ref 21]). Der er ikke taget hensyn til build-up faktorer i stofferne. Nuklid Eγ (kev) HVL (cm) TVL (cm) µ (cm -1 ) 3,32xHVL 0,693/HVL materiale 57-Co 122 0,02 0,05 45 bly (86%) ,17 blød væv 99m-Tc 140 0,02 0,1 30 bly (89%) 0,05 0,2 13 blyglas 2 7 0,34 beton 4,5 14 0,16 b lød væv 123-I 159 0,03 0,1 21 bly (83%) 4,5 15 0,16 blød væv 51-Cr 320 0,2 0,5 4,2 bly (9,8%) ,12 blød væv 131-I 364 0,2 0,7 3,3 bly 18-F 511 (194%) (82%) ,12 blød væv 0,4 1,3 1,8 bly 0,8 2,6 8,7 blyglas 3,4 11 0,2 beton ,1 b lød væv 22

23 137-Cs 662 0,4 1,4 1,7 bly (85%) 7,7 25 0,1 blød væv Overstående diskussionen gælder for fotoners vekselvirkning og afskærmnings egenskaber. For tykke absorberer og tungt stof bliver mange fotoner absorberet, men aldrig helt der vil altid være lidt gamma stråling der trænger hele vejen igennem en skærm (måske kun en tusinddel eller mindre, afhængigt af hvor mange HVLs skærmen svarer til). Ladede partikler: Ladede partikler vekselvirker også når de trænger igennem stof. Radioaktiv stråling, som alfa og beta partikler, undergår også vekselvirkninger, og ligesom gamma fotoner, afsætter de energi i materialet. Men pga. deres større masse opgiver de mere energi under vekselvirkninger, og afsætter energien lokalt til vekselvirkningsstedet. Dette betyder, at de godt kan stoppes totalt når de trænger igennem afskærmningsmateriale 14. Dette betyder, at det ikke er nødvendigt at have så tykt afskærmningsmateriale for tunge partikler som for fotoner. F.eks. kan alfa-partikler, der er tunge helium kerner, stoppes af et tykt stykke papir eller hud, mens beta-partikler, der er lettere og har mindre masse, er mere gennemtrængende de kan stoppes af cirka 5cm aluminium. Dette betyder at ekstern bestråling fra en alfa-kilde ikke er særlig farlig, fordi, alfa-partikler ikke har en stor rækkevidde, og ikke kan trænge ind i kroppen. Vi beskyttes af kroppens hud. Derimod får man en større intern dosis fra beta-stråling der kan trænge længere ind i kroppen før energien bliver afsat. Modsat, for en intern strålingskilde, vil en alfa partikel afsætte meget energi lokalt i kroppen, fordi partiklerne ikke kan trænge ud af kroppen - man får en høj intern stråledosis. Beta-partikler, der kan trænge lidt længere ud fra kildens lokalitet, før de afsætter deres energi, giver også en høj strålingsdosis. Denne proces, hvori en α eller β-partikel afsætter en stor mængde energi i et meget lokaliseret område, bruges til strålebehandling af cancer. Modsat kan en gamma foton, der er den mest gennemtrængende strålingstype, godt trænge igennem kroppen og ud. Det er denne egenskab, vi er interesseret i, når vi injicerer en radioaktiv gammakilde i en patient, og tager et billede af isotopens fordeling i kroppen vi detekter fotonerne der trænger igennem patientens krop og ind i vores detektor (gammakamera) Biologiske virkninger Strålings vekselvirkning med biologiske væv kan medføre ændringer i vævet. Disse ændringer kan være enten skadelige eller godartede, og kan enten ses med det samme, kort tid efter bestrålingen, eller først ses mange år senere. Desuden kan ioniserende strålings virkninger beskrives på forskellige niveauer: celle, væv, organ /system niveau eller til en hel bestrålet befolkning. Sandsynligheden for en ændrings forekomst, type og strenghed afhæner af mange parametre: både af strålingens fysiske egenskaber (energi, masse, type osv,) og af arten af det biologiske system selv. Derfor er beregning af strålingsskade på et biologisk niveau meget vanselig. Biologiske virkninger opstår på grund af overførelsen af energi fra den indkommende stråling til vævet. Denne energiafsættelse kan bryde vævets kemiske forbindelser og ændre vævet, som kan medføre diverse skadelige effekter, fra relativt milde skader, der kan repareres af vævets celler selv, til celledød. Strålingsskade Når en celle bestråles, kan skader opstå gennem 3 processer: 1. Strålingens vekselvirkning kan ionisere cellens atomer, der fører til uønskede ændringer i cellens kemiske egenskaber. 2. Cellens kromosomer, der indeholder vævets genetiske information som DNA kæder, kan skades. Skaden kan forårsages gennem direkte eller indirekte metoder, og afhænger af strålingens type. Cellens genetiske kode, og derfor koden for hele organismen, findes som en sekvens af nukleotider der indeholder par-baser. Disse baser kan slettes eller erstattes, eller der kan opstå brud i DNA-kæden når cellen er bestrålet af ioniserende stråling (se Figur 1-14). Afhængigt af skadens art (slettelse, enkelt, dobbelt eller multibel brud), skadens hastighed, og i hvilken face cellen er på i sin cyklus (mitose, interfase, syntase fase), er der 14 Vekselvirkninger med tunge partikler kan danne flere elektroner eller fotoner, der også kan undergå videre vekselvirkninger. Nogle sekundære fotoner kan trænger igennem stoffet og går ud fra skærmens bagside. 23

24 mulighed for at skaden kan repareres dvs. strålingens biologiske virkninger kan begrænses. For eksempel kan simple ændringer, f.eks et enkelt brud i DNA-kæden, repareres relativt nemt af cellens enzymer, hvis skadens hastighed er lav nok at reparationen kan nås før den næste begivenhed. Cellerne er mindst følsomme (har lav radiosensitivitet) overfor skader under syntase-fasen, dvs. under DNA kopiering, muligvis pga. det høje antal reparations enzymer der findes på dette tidspunkt. Derimod har celler høj radiosensitivitet (meget sårbar overfor stråling) under mitose fasen, dvs. under kernedeling 15. Hvis skaden opstår under cellens kopieringsfase, kan ændringer kopieres i nye celler. Derfor kan strålingens DNA skader have en dybtegående virkning på levende væv. 3. Strålingen vekselvirker med vand molekyler og frie-radikaler dannes 16. Frie-radikaler har ingen elektrisk ladning, derfor pga. deres elektron konfiguration, er de meget kemisk aktive. Normalt rekombinerer de for at danne stabile elektronkonfigurationer, men hvis der bliver produceret radikaler nok, kan de forbinde til spidserne på brudte DNA-kæder. Når det sker, er der mindre sandsynlighed for reparation af disse DNA skadede spidser. Figur 1-14: DNA skade fra ioniserende stråling: (a) intakt DNA som en dobbelt-helix stige. Stigens sider er sammensæt af to nukleotidkæder (fosfat og desoxyribose), som er snoet om hinanden. Kæderne holdes sammen af fire forskellige nitrogenbaser (A (adenin), G (guanin), T (thymin) og C (cytosin)), og er komplementære til hinanden, fordi baserne altid bindes i parer: AT og GC; (b) to skadestyper til DNA: i) direkte skade fra høj LET stråling ioniserende stråling forårsager direkte enkelt eller flere brude i DNA kæden, og ii) indirekte skade fra lav LET stråling. Fri-radikaler produceret under vekselvirkning af lav-let stråling med vand molekyler, binder sig til brudt DNA kædens ender. Disse forbindelser forhindrer DNA ets reparation; (c) en enkel DNA brud; (d) dobbelt (eller flere) brude i DNA kæden. LET Linear Energy Transfer LET er defineret for ladede partikler 17 i et stof som det gennemsnitlige energitab langs partiklens spor i stoffet. Eller, lidt mere formelt: for en ladet partikel, der har en Lav LET tynd spor Høj LET tykke spor 15 se [Ref 9]. 16 Fremstillingen af frie-radikaler sker via vekselvirkningen af en foton med en vand molekyle (H 2 O) i vævet. Vekselvirkningen producerer et ion-par (H 2 O + & e - ). Den frie elektron kan forbinde med en anden vand molekyle at give H 2 O -. H 2 O + og H 2 O - kaldes ion radikaler par, som er ustabile ioner pga. én mangler og én har en ekstra elektron. Disse ustabile radikaler spaltes til: H 2 O + τ H + & OH ; H 2 O - τ H & OH -. OH & H kaldes for frie-radikaler. De har ingen elektrisk ladning. OH er værst pga. den fjerner elektroner fra andre atomer/molekyler, hvorimod H opgiver sine elektroner. 17 f.eks. α, protoner, neutroner fra rekyl protoner; χ - producerer hurtige e - 24

25 bestemt energi E og tilbagelægger vejlængden dl i stoffet, er LET den lokalt afsatte gennemsnitlige energi de L. Matematisk skrives det: LET = de L /dl. LET er beslægtet med den ioniserende partikels sportykkelse i stoffet, som er betydende for hvor meget skade partiklen kan frembringe. Typisk klassificerer man stråling efter dens LET værdi. Partikler, der har en lav Figur 1-15: Representation for LET. Lav LET stråling undergår få vekselvirkninger og afsætter relativ lille mængde energi, mens høj LET partikler undergår mange vekselvirkninger og afsætter meget energi i stoffet LET (f.eks. χ, e - ), efterlader tyndere spor og giver mindre skade end tungere partikler med høj LET (f.eks. α). Disse efterlader tykkere spor pga. større vekselvirkning med stoffets atomer, dvs. de producerer større skade langs deres spor. Hvordan opstår biologisk skade? Skader kan opstå på to måder: direkte eller indirekte. Direkte skader opstår når høj LET stråling bombarderer DNAmolekyler direkte. Dette gælder mest for partikel stråling, α, n og p, og også for hurtige elektroner fra χ- vekselvirkninger. Indirekte skader opstår når den indkommende stråling producerer frie-radiakaler, som efterfølgende vekselvirker med DNA en. Dette er hovedkilden til skader fra lav LET stråling, f.eks. fra χ-stråling. Skadens opståen og udvikling kan opdeles i 4 trin: 1. Bestråling af vævet og afsættelsen af energi mængden af afsat energi afhænger af den indkommende strålings energi og type. 2. Overførsel af den afsatte energi til nabo molekyler (intermolekylar), eller indvendig (intramolekylar). Denne proces fører til dannelsen af forskellige kortlivede og kemisk aktive frie-radikaler. 3. Disse frie-radikaler kan enten reagere indbyrdes, eller danne genetiske ændringer i biomolekylerne. 4. Skadens resultat: processens sidste trin afgør strålingsskadens effekt. Eventuelle skader kan ses eftter en kort periode (akutte skader), eller de kan ses forsinket i mange år eller generationer (sene skader), afhængigt af den ændring der er opstået. På en nuklearmedicinsk afdeling er vi, for det meste, interesserede i fotoner, dvs. lav LET stråling. Derfor opstår der indirekte DNA skader via produktion af frie-radikaler. Figur 1-16 giver en oversigt over dannelse af biologiske skader fra væv bestrålet med χ- eller røntgen stråling. Hvilke faktorer påvirker biologisk skade? Biologiske skaders type og seriøsitet afhænger af mange faktorer: 1. Dosis: biologiske virkninger er stærkt afhænge af strålingsdosis generelt medfører højere dosis flere og alvorligere skader end lavere dosis. 2. Dosis hastighed: et biologisk systems respons bliver forskelligt afhængigt af den administrerede dosis hastighed; dvs. for samme dosis bliver der en forskel i virkningen hvis den administreres over en kort tidsperiode (høj dosis hastighed), eller over en længere tidsperiode (lav dosis hastighed). Generelt er højere dosis hastigheder mere skadelige. 3. LET (strålings type): partikler med høj LET (α, p, n) producerer generelt værre skade i et biologisk system end lav LET partikler (χ, β). For lav LET stråling med lav dosis hastighed har cellen mulighed for at reparere enkelt brud i DNA-kæder, hvorimod for højere dosis hastigheder, opstår der multiple brud og cellen har mindre tid at lave reparationer før det næste brud sker; dvs. vævet er mere radiosensitivt overfor lav LET stråling med en høj dosishastighed, end for lav LET stråling med lav dosishastighed. På den anden side, for høj LET stråling er der en større hyppighed for multiple DNA brud som er vanskelligere at reparere. Reparation kan være ubetydeligt, afhængigt af dosishastigheden. 4. Bestrålet vævs mængde: et biologisk systems skade afhænger også af hvor meget væv bliver bestrålet. Generelt kan et menneske tåle højere dosis til en lokaliseret del af kroppen, end en helkrops dosis. Dette forhold bruges til strålingsbehandling, hvor høje doser gives lokalt for at dræbe kræftceller i en tumor. 5. Væv type: forskellige slags væv har forskellige radiosenstiviteter, afhængigt af en celles mitotic hastighed og hvor meget cellen er differentieret. Celler der har høj mitosefrekvens, og er meget differentieret 25

26 (specialiseret), tenderer imod høj radiofølsomhed. Tabel 4 viser radiosensitiviteterne for forskellige væv typer. 6. Biologiske forskelle: selv om væv fra forskellige mennesker bestråles ens, med samme strålings type, energi, bestrålings tid osv., kan vævets biologiske respons være helt anderledes (også for nære slægtninge) dosis toleransen for én person kan godt være dødelig til en anden. 26

27 Figur 1-16: Produktionen af biologiske skader i væv af ioniserende fotoner (fra kursus materiale: Bioanalytiker isotopkursus, Århus. [Ref 23] lecture title) 27