Strålings vekselvirkning med stof · Direkte stød på enkelt elektron giver løsrevet elektron med høj energi (δ-stråler) • kan forårsage yderlig ionisering Coulomb vekselvirkning

Strålebeskyttelse | Helsefysik

Accelerator- og detektorfysikAarhus Universitet, Efterår 2020

Christian Skou SøndergaardDansk Center for Partikelterapi (DCPT)

Aarhus Universitetshospital

Med udgangspunkt i:

Kapitel 16 [16.1-5,16.17-19], ”Radiation protection and safety in radiotherapy”, fra ”Radiation oncology physics: a handbook for teachers and students”, redigeret at E. B. Podgorsak (udgivet af IAEA 2005).

5/12-2013

Århus Universitetshospital, Århus Sygehus Region Midtjylland

Stråling fra omgivelserne

Menneskeskabt stråling… medicinske undersøgelser

diagnostikterapi…

… industriel anvendelsesteriliseringgennemlysning…

… forskningacceleratorerradioaktive materialer

Ioniserende stråling er godt! men brugen skal godtgøres/reguleres strålebeskyttelse

Ioniserende stråling har helsefysiske konsekvenser…som kan være fatale … fra umiddelbar død til kræft på lang sigt.

Ioniserende stråling i hverdagen


Radiobiologi

H2O + energi H2O+ + e-

► H2O+ + H2O H3O+ + HO●

Strålingen forårsager direkte eller indirekte skadesvirkning på DNA-molekylet

Cellen indeholder mest vand (70%)

► e- + H2O H2O- OH- + H●

De frie radikaler er meget kemisk reaktive og kan skade DNA. O2 reagerer nemt med DNA radikal hvilket mindsker mulighed for reparation.

Virkning afhænger af strålingstypen:

Røntgen (lav LET): Indirekte virkning dominerer.

Tunge partikler (høj LET): Direkte virkning dominerer.

Forøget chance for ’double strand breaks’ på DNA som cellen ikke kan reparere.


NB: Absolut måling af absorberet dosis er en (ikke triviel) disciplin for sig.

[D] = J/kg = Gy (gray)

Ioniseringen forårsaget af vekselvirkningen mellem stråling og stof kan beskrives vha. de fysiske størrelser: afsat energi og absorberet dosis.

Afsat energi:

Absorberet dosis:

Absorberet dosis


Afsat dosis versus dæmpning af røntgenγ

Absorberet dosis er ikke det samme som intensiteten af den indkommende stråling.


Deterministiske effekter

Stokastiske effekter

Dosis (Gy)

Helkropsbestråling

Effekt

0.5 Ingen observerbar effekt

1 Strålingssyge, men oftest ingen varige men

4.5 LD 50/30 (halvdelen af populationen død inden for 30 dage)

10 Død inden for få uger

100 Død efter 24-48 timer

Kurativ strålebehandling: 35-80 Gy inden for et lille område af kroppen!

Udvikling af kræft over lang tid. Observerbar i epidemiologiske undersøgelser af en befolkning.

Helsefysik


Strålings hormesis?

Hvilken effekt lave doser har er ikke klart fra epidemiologiske data.

Forsøg er hverken etisk (eller praktisk) muligt; data kommer fra indirekte kilder (atomsprængninger, geologisk variation, …).

Alm. antagelse indenfor strålebeskyttelse.


… alene defineret for strålings vekselvirkning i mennesket.

Strålingsvægtfaktor (wR) og

Ækvivalent dosis (H):

Biologisk effekt afhænger af strålingstypen og ikke blot absorberet dosis.

[H] = J/kg = Sv (sievert)

Ækvivalent dosis


… alene defineret for strålings vekselvirkning i mennesket.

Vævsvægtfaktorer (wT) og

Effektiv dosis (E):

Effektiv dosis

[E] = J/kg = Sv (sievert)

Forskellige organer giver forskellig endelige skadesvirkning


Naturlig strålingsmiljø

…kosmisk stråling, naturligt forekommende radionuklider

Medicinsk bestråling

… diagnostik, terapi

Erhvervsmæssig bestråling

Gennemsnitlig årlig effektiv dosis til hver dansker ca. 4 mSv.

Menneskets strålingsmiljø


Protection quantities vs Operational quantities

Mattsson, S., & Söderberg, M. (2013). Dose Quantities and Units for Radiation Protection. In Radiation Protection in Nuclear Medicine.


Anbefalinger, love, …

ICRP (International Commission on Radiological Protection)

IAEA (International Atomic Energy Agency)

WHO (World Heatlh Organization)

NCRP (National Commission on Radiation Procection) [U.S]

ICRU (International Commission on Radiological Units and Measurements)

IEC (International Electrotechnical Commission)

SIS (Statens Institut for Strålebeskyttelse)

… et institut i Sundhedsstyrelsen. SIS forvalter bl.a. røntgen- og radioaktivitetsloven og varetager opgaver af faglig og administrativ karakter inden for de områder, hvor der anvendes ioniserende stråling.

SIS opretholder en døgnvagt. Døgnvagten retter sig primært mod ulykker og hændelser m.m. i forbindelse med medicinsk, industriel og forskningsmæssig brug radioaktivestoffer og røntgenstråling samt ved transport af radioaktive stoffer.

Det danske atomberedskab varetages af Beredskabsstyrelsen

UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the effects of Atomic Radiation)

International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources (BSS)


Dosisgrænser

BEK nr 669 af 01/07/2019 om ioniserende stråling og strålebeskyttelse.


Dosisgrænser

BEK nr 669 af 01/07/2019 om ioniserende stråling og strålebeskyttelse.


Risikoen for strålefremkaldt dødelige cancer antages at være ca. 50 tilfælde ved en helkropsdosis (effektiv dosis) på 1 mSv til alle i en gruppe på 1 million personer.

Hvor meget betyder 1 mSv ekstra?

r ≈ 0.05 pr. Sv

Relativ risiko:


… alt er relativt ;-)


Tid Afstand Afskærmning

Strålingsbeskyttelse er en kompleks disciplin, da et utal af parametre kan indgå (typer af strålekilder, placering (i rum og tid) af kilder, materialer, personer, ...).

Elementær strålebeskyttelse


AfstandskvadratlovenInverse-square law


Linac - generelt

EPID

Fotoner: 6 & 15 MVElektroner: 6, 8, 10, 12, 15, 18 MeV

Feltform: 40x40 cm2


Ikke længere gældende

Tidligere lovgivning havde en eksplicit bekendtgørelse til denne type maskine.

Den nuværende lovgivning benytter sig af mere generelle bekendtgørelser. I dette tilfælde:

● BEK nr 671 af 01/07/2019 om brug af strålingsgeneratorer.


Strålebeskyttelse

1. Primær stråling fra target (behandlingsfelterne)

2. Spredt stråling (fra patient, vægge)

3. Lækstråling (fra accelerator)

Stråling fra en accelerator (strålekilde):

Linac: Høj energi fotoner og neutroner


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 / DP = design mål for dosisD = dosis hvis barrieren ikke var der

≈ 1 MeV


Bunker til linac til stråleterapi

Fotoner skærmes med tykke betonvægge (eller tungere materialer)

Neutroner, frembragt fra (γ,n) reaktion, udgør et særligt problem: spredes elastisk og kan nå ud af mazen.

1-2 meter beton


Maze

Modereres og stoppes med lette materialer; men neutron capture gamma stråling!

Neutrondør (bor-holdig polyethylen + bly)

Neutroner fra (γ,n) udgør et særligt problem: spredes elastisk og kan nå ud af mazen.

ww

w.e

ldom

et.c

om


Facilitet til protonterapiAcceleratoren er ikke længere i behandlingsrummet (forskellige workloads, forskellige steder i bygningen).

Høj energi neutroner – frembragt når protoner rammer udstyr (degrader) og stoppes i patienten – er den væsentligste strålingskilde, der skal beskyttes i mod.

Maze

Behandlingsrum

Accelerator (cyklotron)

ca. 4 m beton

... men også: aktivering af luft, aktivering af kølevand, aktivering af udstyr (kort tid), aktivering af beton (dekommisionering)


• Bibliografien i kaptiel 16 i IAEA ”Radiation oncology physics …” (2005) har mange henvisninger til forordninger, anbefalinger, … i forbindelse med strålebeskyttelse og faciliteter til strålebehandling.

• ”Kursus i helsefysik” (Risø-R-677, 3. udg. 2001).• ”Basic Clinical Radiobiology”, Joiner & Van der Kogel (2009)

• J-C. Nénot, ”Radiation accidents over the last 60 years”, J. Radiol. Prot. 29 (2009) 301-320.• B. Lindell, ”The history of radiation protection”, Radiation Protection Dosimetry 68 (1996) 83-95.• J. K. Shultis og R. E. Faw, ”Radiation shielding technology”, Health Phys. 88 (2005) 297-322.

• ”Afskærmning af røntgenanlæg, 2009”, Statens Institut for Strålebeskyttelse (28. august 2009).

• IAEA. (2006). Radiation protection in the design of radiotherapy facilities, Safety Reports Series No. 47.

• IAEA. (1988). Radiological Safety Aspects of the Operation of Proton Accelerators (TRS no. 283).• PTCOG. (2010). Shielding Design and Radiation Safety of Charged Particle Therapy Facilities.

Hvis du vil vide mere …


● LOV nr 23 af 15/01/2018 om ioniserende stråling og strålebeskyttelse (strålebeskyttelsesloven).

Implementering af EU direktivet 2013/59/EURATOM om fastlæggelse af grundlæggende sikkerhedsnormer til beskyttelse mod de farer, som er forbundet med udsættelse for ioniserende stråling.

Udmøntet i en række bekendtgørelser:

● BEK nr 669 af 01/07/2019 om ioniserende stråling og strålebeskyttelse.● BEK nr 670 af 01/07/2019 om brug af radioaktive stoffer.● BEK nr 671 af 01/07/2019 om brug af strålingsgeneratorer.● BEK nr 672 af 01/07/2019 om grænseoverskridende overførsel af radioaktivt affald og brugt nukleart

brændsel.

Dansk lovgivning

Documents

Strålings vekselvirkning med stof · Direkte stød på enkelt elektron giver løsrevet elektron med høj energi (δ-stråler) • kan forårsage yderlig ionisering Coulomb vekselvirkning