Strålebeskyttelse helsefysik

Transkript

1 Forelæsning (7. december 2015, ) som del af kurset: Moderne acceleratorers fysik og anvendelse Strålebeskyttelse helsefysik Christian Skou Søndergaard Hospitalsfysiker Medicinsk Fysik Aarhus Universitetshosptial Med udgangspunkt i: Kapitel 16 [16.1-5, ], Radiation protection and safety in radiotherapy, fra Radiation oncology physics: a handbook for teachers and students, redigeret at E. B. Podgorsak (udgivet af IAEA 2005). 5/

2 Ioniserende stråling i hverdagen Ioniserende stråling har helsefysiske konsekvenser som kan være fatale fra umiddelbar død til kræft på lang sigt. Stråling fra omgivelserne Menneskeskabt stråling medicinske undersøgelser diagnostik terapi industriel anvendelse sterilisering gennemlysning forskning acceleratorer radioaktive materialer Ioniserende stråling er godt! men brugen skal godtgøres/reguleres strålebeskyttelse Radiobiologi Strålingen forårsager direkte eller indirekte skadesvirkning på DNA-molekylet Cellen indeholder mest vand (70%) H 2 O + energi H 2 O + + e - H 2 O + + H 2 O H 3 O + + HO Virkning afhænger af strålingstypen: Røntgen (lav LET): Indirekte virkning dominerer. Tunge partikler (høj LET): Direkte virkning dominerer. Forøget chance for double strand breaks på DNA som cellen ikke kan reparere. e - + H 2 O H 2 O - OH - + H De frie radikaler er meget kemisk reaktive og kan skade DNA. O 2 reagerer nemt med DNA radikal hvilket mindsker mulighed for reparation.

3 Absorberet dosis Ioniseringen forårsaget af vekselvirkningen mellem stråling og stof kan beskrives vha. de fysiske størrelser: afsat energi og absorberet dosis. Afsat energi: Absorberet dosis: [D] = J/kg = Gy (gray) NB: Absolut måling af absorberet dosis er en (ikke triviel) disciplin for sig. Afsat dosis versus dæmpning af røntgen γ Absorberet dosis er ikke det samme som intensiteten af den indkommende stråling.

4 Helsefysik Deterministiske effekter Dosis (Gy) Helkropsbestråling 0.5 Ingen observerbar effekt Effekt 1 Strålingssyge, men oftest ingen varige men 4.5 LD 50/30 (halvdelen af populationen død inden for 30 dage) 10 Død inden for få uger 100 Død efter timer Kurativ strålebehandling: Gy inden for et lille område af kroppen! Stokastiske effekter Udvikling af kræft over lang tid. Observerbar i epidemiologiske undersøgelser af en befolkning. Strålings hormesis? Hvilken effekt lave doser har er ikke klart fra epidemiologiske data. Alm. antagelse indenfor strålebeskyttelse. Forsøg er hverken etisk (eller praktisk) muligt; data kommer fra indirekte kilder (atomsprængninger, geologisk variation, ).

5 Ækvivalent dosis alene defineret for strålings vekselvirkning i mennesket. Biologisk effekt afhænger af strålingstypen og ikke blot absorberet dosis. Strålingsvægtfaktor (w R ) og Ækvivalent dosis (H): [H] = J/kg = Sv (sievert) Effektiv dosis alene defineret for strålings vekselvirkning i mennesket. Forskellige organer giver forskellig endelige skadesvirkning Vævsvægtfaktorer (w T ) og Effektiv dosis (E): [E] = J/kg = Sv (sievert)

6 Menneskets strålingsmiljø Naturlig strålingsmiljø kosmisk stråling, naturligt forekommende radionukleider Medicinsk bestråling diagnostik, terapi Erhvervsmæssig bestråling Gennemsnitlig årlig effektiv dosis til hver dansker ca. 4 msv. Protection quantities vs Operational quantities Århus Mattsson, Universitetshospital, S., & Söderberg, M. (2013). Dose Århus Quantities Sygehus and Units for Radiation Protection. In Radiation Protection in Nuclear Medicine.

7 Anbefalinger, love, ICRP (International Commission on Radiological Protection) ICRU (International Commission on Radiological Units and Measurements) UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the effects of Atomic Radiation) NCRP (National Commission on Radiation Procection) [U.S] WHO (World Heatlh Organization) IEC (International Electrotechnical Commission) IAEA (International Atomic Energy Agency) International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources (BSS) SIS (Statens Institut for Strålebeskyttelse) et institut i Sundhedsstyrelsen. SIS forvalter bl.a. røntgen- og radioaktivitetsloven og varetager opgaver af faglig og administrativ karakter inden for de områder, hvor der anvendes ioniserende stråling. SIS opretholder en døgnvagt. Døgnvagten retter sig primært mod ulykker og hændelser m.m. i forbindelse med medicinsk, industriel og forskningsmæssig brug radioaktivestoffer og røntgenstråling samt ved transport af radioaktive stoffer. Det danske atomberedskab varetages af Beredskabsstyrelsen Dosisgrænser

8 Dosisgrænser Hvor meget betyder 1 msv ekstra? Relativ risiko: r 0.05 pr. Sv Risikoen for strålefremkaldt dødelige cancer antages at være ca. 50 tilfælde ved en helkropsdosis (effektiv dosis) på 1 msv til alle i en gruppe på 1 million personer.

9 alt er relativt ;-) Elementær strålebeskyttelse Tid Afstand Afskærmning Strålingsbeskyttelse er en kompleks disciplin, da et utal af parametre kan indgå (typer af strålekilder, placering (i rum og tid) af kilder, materialer, personer,...).

10 Afstandskvadratloven Inverse-square law Linac - generelt EPID Fotoner: 6 & 15 MV Elektroner: 6, 8, 10, 12, 15, 18 MeV Feltform: 40x40 cm 2

11 Strålebeskyttelse Stråling fra en accelerator (strålekilde): 1. Primær stråling fra target (behandlingsfelterne) 2. Spredt stråling (fra patient, vægge) 3. Lækstråling (fra accelerator) Linac: Høj energi fotoner og neutroner

12 Afskærmningstykkelse En kombination af:? F.eks.: dosisgrænse bag afskærmning: P =1 msv/år (0.3 msv/år diagnostisk anlæg) Faktorer: Workload, Brugsfaktor, Opholdsfaktor, Afstand Transmissionsfaktor B = P / D P = design mål for dosis D = dosis hvis barrieren ikke var der 1 MeV

13 Bunker til linac til stråleterapi Fotoner skærmes med tykke betonvægge (eller tungere materialer) 1-2 meter beton Neutroner, frembragt fra (γ,n) reaktion, udgør et særligt problem: spredes elastisk og kan nå ud af mazen. Maze Neutroner fra (γ,n) udgør et særligt problem: spredes elastisk og kan nå ud af mazen. Modereres og stoppes med lette materialer; men neutron capture gamma stråling! Neutrondør (bor-holdig polyethylen + bly)

14 Facilitet til protonterapi Acceleratoren er ikke længere i behandlingsrummet (forskellige workloads, forskellige steder i bygningen). Accelerator (cyklotron) Maze Behandlingsrum ca. 4 m beton Høj energi neutroner frembragt når protoner rammer udstyr (degrader) og stoppes i patienten er den væsentligste strålingskilde, der skal beskyttes i mod.... men også: aktivering af luft, aktivering af kølevand, aktivering af udstyr (kort tid), aktivering af beton (dekommisionering) Hvis du vil vide mere Bibliografien i kaptiel 16 i IAEA Radiation oncology physics (2005) har mange henvisninger til forordninger, anbefalinger, i forbindelse med strålebeskyttelse og faciliteter til strålebehandling. Kursus i helsefysik (Risø-R-677, 3. udg. 2001). Basic Clinical Radiobiology, Joiner & Van der Kogel (2009) J-C. Nénot, Radiation accidents over the last 60 years, J. Radiol. Prot. 29 (2009) B. Lindell, The history of radiation protection, Radiation Protection Dosimetry 68 (1996) J. K. Shultis og R. E. Faw, Radiation shielding technology, Health Phys. 88 (2005) Afskærmning af røntgenanlæg, 2009, Statens Institut for Strålebeskyttelse (28. august 2009). IAEA. (2006). Radiation protection in the design of radiotherapy facilities, Safety Reports Series No. 47. Sundhedsstyrelsens bekendtgørelse nr. 48 af 25. januar 1999 om elektronacceleratorer til patientbehandling med energier fra 1 MeV til og med 50 MeV med ændring i bekendtgørelse nr. 753 af 25. juni Sundhedsstyrelsens bekendtgørelse nr. 765 af 6. oktober 1999 om røntgenterapiapparater til patientbehandling. Sundhedsstyrelsens bekendtgørelse nr. 823 af 31. oktober 1997 om dosisgrænser for ioniserende stråling. IAEA. (1988). Radiological Safety Aspects of the Operation of Proton Accelerators (TRS no. 283). PTCOG. (2010). Shielding Design and Radiation Safety of Charged Particle Therapy Facilities.