Dosis og dosisberegninger Forskellige dosisbegreber Røntgenstråling er ioniserende elektromagnetisk stråling. Når røntgenstråling propagerer gennem et materiale, vil vekselvirkningen mellem strålingen og materialet give anledning til, at der overføres energi fra strålingen til materialet, hvorved neutrale atomer eller molekyler splittes op i positive og negative ioner. Det er dannelsen af disse ioner, der giver anledning til betegnelsen ioniserende stråling, og som har en biologisk skadelig effekt (se nærmere under afsnittet Biologisk skadesvirkning). Af historiske årsager findes der forskellige metoder til at karakterisere strålingen, og disse - sammen med metoder til at beskrive den skadelige effekt - uddybes nedenfor. [Foto] Røntgen afdeling SVS dosis indtastet i computeren Kapitlet vil gennem teori og regneeksempler give dig indsigt i den komplicerede proces med at beregne hvor farlig en røntgenundersøgelse er for patienten. Du vil blive i stand til at vurdere den enkeltes kræftrisiko og hvor mange kræfttilfælde på landsplan undersøgelserne er årsag til. Udarbejdet af Forfatter: Leif Poulsen (og konsulent Asbjørn Seegert) Redaktion: Beth Wehner Andersen, Claus Auning, Linda Ahrenkiel og Mette Auning Layout: Rune Skeel-Gjørling December 2012
Absorberet dosis Vekselvirkning mellem stråling og materiale vil betyde, at materialet absorberer energi fra strålingen. Definition på absorberet dosis: den energi røntgenstrålingen afsætter i et materiale per kilogram af materialet. Absorberet dosis gives betegnelsen og måles i enheden Gray (Gy). 1 Gy svarer til, at der er afsat 1 Joule i 1 kg af det materiale, der har absorberet strålingen. Det er vigtigt at huske, at begrebet absorberet dosis eller bare dosis først giver mening, når man ved, hvilket materiale energien for røntgenstrålingen er afsat i. Disse materialer kan f.eks. være luft, knogle, blødvæv, kobberfiltre, aluminiumsfiltre osv. Når der i daglig tale benyttes ordet dosis (uden at specificere begrebet yderligere), er det formentlig den absorberede dosis i luft (eller bare luftdosis), der beskrives. Den absorberede dosis i luft betegnes. Det er denne størrelse, man typisk måler med en røntgendetektor. Dosis afsat i det eksponerede væv er meget mere kompliceret. Her kan nævnes følgende til illustration af kompleksiteten. Dosis afhænger bl.a. af: 2) Hvilken mas der påtrykkes. mas er produktet af rørstrømmen og eksponeringstiden. Rørstrømmen er ikke strømmen i glødetråden (som også kaldes filamentstrømmen), men derimod den strøm der går mellem glødetråd og anode. For en given kv og en given filamentstrøm vil rørstrømmen antage en bestemt værdi. 3) Hvilken afstand fra fokus dosis evalueres i. (Diagnostiske røntgenfelter er altid divergerende, og derfor skal der tages hensyn til afstandskvadratloven) 4) Hvilket materiale der afsættes dosis i. For et bestemt materiale og et bestemt spektrum, vil der være en bestemt vekselvirkning mellem materiale og stråling, hvorved strålingen afsætter energi i materialet. Rent faktisk vil denne vekselvirkning ændres ved strålingens passage gennem materialet fordi strålingens energifordeling ændres ved strålingens passage gennem materialet (lavenergetisk stråling absorberes i større grad end højenergetisk stråling). Røntgenstrålings passage gennem 1 kg luft og 1 kg bly vil resultere i to meget forskellige doser til de to materialer. Hvis man kender/fastholder indstillingerne i et røntgenrør og måler på samme emne (f.eks. luft) vil man dog kunne regne dosis ud som følger D(luft) = konstant*mas 1) Hvilket spektrum røntgenrøret udsender. Spektret afhænger af den påsatte rørspænding, kv (maxenergi), rørets egenfiltrering og eventuel indsatsfiltreringer i lysvisiret. Der kan være stor forskel i filtreringerne fra rør til rør! hvor konstanten tager højde for alle nævnte parametre og mas en er slangsproget for ovennævnte produkt af rørstrømmen og eksponeringstiden, dvs. (ladningen af) det antal elektroner, der rammer anoden. 2
Ækvivalent dosis Definition for ækvivalent dosis: Den absorberede dosis vægtet i forhold til strålingstypen med strålevægtningsfaktoren ( tidligere kaldet kvalitetsfaktoren Q). er et rent tal, dvs. det har ingen enhed. Ækvivalent dosis måles i enheden Sievert (Sv) og gives betegnelsen. er en absorberet dosis af alfastråling i et organ ca. 20 gange så skadeligt som en absorption af røntgenstråling. Beregning af ækvivalent dosis for røntgenstråling er nemt, da er lig med 1. Her gælder det, at den absorberede dosis D målt i Gy er lig den ækvivalente dosis H målt i Sv. Det betyder, at en absorberet dosis på 0,1 mgy stammende fra røntgenstråling svarer til en ækvivalent dosis på 0,1 msv. Men det giver også anledning til forvirring, da begreberne ækvivalent dosis og absorberet dosis og deres enheder Gy og Sv ofte forveksles med hinanden. Dette biofysiske begreb indføres, da forskellige strålingstyper (røntgenstråling, alfastråling, betastråling) påvirker vævet forskelligt. For eksempel Dosisgrænser til enkelte organer såsom øje, hud, lunger etc. samt til ekstremiteterne (fødder, hænder osv.) angives som en ækvivalent dosis. Effektiv dosis Effektiv dosis er en beregnet dosis, som bruges til at vurdere risikoen for stråleinduceret kræft. Effektiv dosis beregningen tager hensyn til forskellen i absorption og farlighed i de enkelte organer. En oversigt over beregningsgangen ses under eksempler side 7. Effektiv dosis beregnes i trin. For hvert bestrålet organ (organer i den primære stråling såvel som organer, der kun har modtaget spredt stråling) tages den absorberede dosis og omregnes til den ækvivalente organdosis. Herefter multipliceres den med organets vævsvægtningsfaktor wt (tabel). Herved fås en række effektive organdoser. Effektiv dosis findes ved at addere alle disse udregnede effektive organdoser. Vævsvægtningsfaktorerne er direkte et udtryk for, hvor risikofyldt en bestemt ækvivalent dosis i et organ er. Værdien af disse faktorer for de forskellige organer kan ses i nedenstående liste 1. Organ eller væv Vævsvægtningsfaktor, wt Kønskirtler (gonader) 0,20 Rød knoglemarv 0,12 Tyktarm 0,12 Lunger 0,12 Mavesæk 0,12 Urinblære 0,05 Bryst 0,05 Lever 0,05 Spiserør 0,05 Skjoldbruskkirtel 0,05 Hud 0,01 Knogleoverflader 0,01 Resten af kroppen 0,05 [Figur 1] Vævsvægtningsfaktorer, ICRP 60 1 Gældende vævsvægtningsfaktorer fastsættes af International Commission of Radiation Protection ICRP i deres rapport nr. 103 3
Eksempel Et eksempel på udregning fra absorberet organdoser til effektiv dosis, f.eks. hidrørende fra en indåndet radioaktiv kilde eller CT-røntgenundersøgelser: Lunger har absorberet en dosis på 5 mgy. Dette giver en ækvivalent dosis til lungerne på 5 msv. Bryst har absorberet en dosis på 2 mgy. Dette giver en ækvivalent dosis til brystet på 2 msv. Den effektive dosis (også kaldet helkropsdosis) udregnes således: Risikoen for børn og unge er større, fordi børn og unge stadig vokser. Celler, som deler sig, har en større følsomhed over for stråling. Risikoen falder også som funktion af alder, da høj alder betyder mindre sandsynlighed for at kræftsygdommen kommer til udtryk i den resterende livsperiode. Procenttallet skal ses i forhold til, at livstidsrisikoen for at dø af kræft er ca. 25 % i Danmark. I dag giver en konventionel røntgenundersøgelse en effektiv dosis på omtrent mens CT-undersøgelser sjældent giver over 20 msv. Til sammenligning får en dansker i gennemsnit en dosis på ca. 1-3 msv årligt fra den naturlige baggrundstråling. Eksempel (fortsat) Cancerrisikoen fra eksemplet ovenfor bliver med de opgivne data: Effektiv dosis (helkropsdosis) og risiko for kræft. Som allerede fortalt er effektiv dosis et mål for, hvor risikofyldt en bestråling har været. Det er altså en beregningsteknisk størrelse. Statistisk set anses risikoen for at udvikle kræft i dag at være sådan, at hver gang den effektive dosis øges med 1 msv, så øges risikoen for at udvikle kræft i løbet af livet med risikofaktoren 005%. Det skal understreges, at dette er et gennemsnit over køn og alder. For en hel befolkning vil det give tilfælde Bemærk: Antallet skal ses i forhold til, at livstidsrisikoen for at dø af kræft er ca. 25 % i Danmark). Se flere eksempler sidst i kapitlet. Praktiske metoder til at måle og beregne absorberet dosis Målinger af absorberede dosis Absorberet dosis til luft (luftdosis) målt med halvlederdosismeter: Der måles kun dosisbidrag fra den stråling der rammer den strålefølsomme overflade på halvleder-dosismeteret (fig. 1.1). Derfor er det vigtigt at placere halvlederens strålefølsomme overflade vinkelret på røntgenstrålen. Stråling reflekteret tilbage mod detektoren giver ikke bidrag til den målte luftdosis. Luftdosis målt på denne måde er en god indikator til at karakterisere den stråling, der kommer fra et røntgenrør. Absorberet dosis til luft (luftdosis) målt med ionkammer-dosismeter: Der detekteres både 4
dosisbidrag til luften fra stråling forfra samt fra stråling, der reflekteres tilbage mod detektoren (fig. 1.2). Det er dog igen vigtigt, at tænke over orienteringen af ionkammeret. Primære/Direkte stråle Primære/Direkte stråle Halvleder-dosismeter, som kun detektere den stråling der rammer den strålefølsomme side af detektoren Dosismeter (ionkammer eller TLD-tablet), som kun detektere både den primære/direkte stråling og den spredte stråling Spredende objekt, f.eks. En patient eller et fantom Spredende objekt, f.eks. En patient eller et fantom [Fig. 1.1] Princip for strålingsdetektion med halvleder [Fig. 1.2] Princip for strålingsdetektion med ionkammer eller TLD-tablet Biologisk skadevirkning. Hos mennesket indeholder benvæv ca. 45 % vand, mens andre vævstyper indeholder mellem 10 % og 90 % vand. Når vand (i cellevæsken) absorberer energirig ioniserende stråling, kan der foregå følgende processer: 1), hvorefter 2) hvorefter og kaldes frie radikaler, (de indeholder en uparret elektron). De er ekstremt kemisk aktive og vil i løbet af brøkdele af sekunder reagere med andre molekyler. De fleste radikaler vil reagere med hinanden og danne vand igen, men enkelte reagerer med andre af vævets molekyler, som f. eks. Brintoverilte, er et kraftigt oxidationsmiddel. Det er altså giftigt for cellerne og medvirker til at slå dem ihjel. Radikalerne kan også reagere med molekyler, som styrer cellerne, f.eks. DNA molekyler. Disse kan også beskadiges direkte af strålingen. Skaderne kan føre til ændringer i cellens funktion (f.eks. cancerudvikling), evt. kan de forhindre cellen i at dele sig, eller de kan direkte ødelægge cellen. Det har vist sig, at der er størst sandsynlighed for varig skade på et DNA-molekyle, hvis to eller flere bindinger brydes samtidig af strålingen. Det er derfor alfastråling har en meget større Q faktor,, end røntgenstråling, hvor. De omtalte fysisk-kemiske processer, som er omtalt her, foregår meget hurtigt (1ms). De efterfølgende biologiske forandringer foregår meget langsommere. Cancer- udviklingen kan vise sig mange år efter bestrålingen. Det er blandt andet derfor, at det er svært at sætte sikre tal på risikofaktorerne. 5
Eksempler Dosis ved røntgenbilleder (og anden stråling) følger følgende regneskabelon: Fysisk Måling eller Computer Simulering Vægtning for stråletyper (røntgen, alfa, beta osv.) Vævsvægtningsfaktorer (ICRP 103) Strålepåvirkning Absorberede organdoser Ækvivalente organdoser Effektiv dosis Eksempel 1 a) Når der bliver taget et røntgenbillede af brystkassen, bruges typisk røntgenstråler med en fotonenergi på op til 100 kev. Effekten pr. areal er omkring 0,050 W/m 2 og bestrålingen varer ca. 0,1 sek. (apparatdata) b) I væv er halveringstykkelsen for sådanne stråler omkring 4 cm og ca. 90 % af strålingen absorberes. Et bestrålet område på 10*10 cm, 15 cm tykt, svarer til 1,5 kg. Den absorberede energi er da J Da kvalitetsfaktoren er 1, er den ækvivalente strålingsdosis givet ved Statistisk model Risiko for stråleinduceret kræft [Figur 2] Metodik i bestemmelse af forskellige doser og risiko ved strålepåvirkning c) Effektiv dosis eller helkropdosis er da (se fremgangsmåden ovenfor): 7 d) Cancerrisikoen (over et helt liv) er: 7 Ganges denne størrelse med antal billeder på et år, fås antallet af kræfttilfælde i befolkningen. Eksempel 2 a) I et andet eksempel bestråles lungerne med et røntgenudstyr indstillet på 120 150 kv og en mas - værdi på. Med en afskærmning på 3 mm Al og en afstand på 1,85 m vil patienten modtage en stråledosis i størrelsesordenen 0,6 mgy (fx målt med dosismeter). b) Ækvivalent dosis er, da, som fordeles på forskelligt væv. c) I lungevæv er halveringstykkelsen 8 cm. Lungerne fylder i sammenklappet tilstand 4 cm. Den ækvivalente strålingsdosis i lungerne vil derfor være 50 % af det der kommer frem til lungerne. I størrelsesordenen til lungerne. 6
Eksempel 3. Følg beregningen ved hjælp af modellen ovenfor. Hvis vi tænker os en lungeoptagelse af en kvinde hvor vi har følgende ækvivalentdoser: - Hud: 0.1 msv w=0.01 - Lungevæv: 0.5 msv w=0.12 - Brystvæv: 0.2 msv w=0.05 - Knogleoverflade: 0.3 msv w=0.01 - Rød knoglemarv: 0.2 msv w=0.12 Vævsvægtningsfaktorer er hentet fra tabellen i Figur 1 (1.1 0.01)+(0.5 0.12)+(0.2 0.05)+(0.3 0.01)+(0.2 0.12) = 0.001 + 0.06 + 0.01 + 0.003 + 0.024 = = 0.098 msv 7