Kapitel 13: Helsefysik Strålingsbiologi - Baggrund Biologiske ...

Formål:
Kapitel 13: Helsefysik
Beskrive ioniserende stråling
og strålingens biologiske virkninger
Årsag: Røntgendiagnostik (billeddannelse)
Strålings-beskyttelse og -terapi
Plan:
1) Former for stråling (α, β, γ og Røntgen)
2) Absorption i væv
3) Biologiske virkninger
4) Strålingsbeskyttelse
5) Anvendelser
Biologiske virkninger af stråling
Stråling Absorption Biologisk virkning
Aktivitet A [Bq] Dosis D [Gy] Dosisækvivalent H [Sv]
Begivenhed
Den ioniserende stråling stoppes
Ionerne fordeles omkring sporet
Dannelse af frie radikaler
Skade på biologiske molekyler
Akut biologisk skade (celledød)
Cancer og genetiske skader
Tid
10 -24 -10 -14 s
10 -12 -10 -8 s
10 -7 s -timer
10 -3 s – timer
Minutter- uger
År-årtier
Den lange tidshorisont og den store ”baggrund” af skader gør det meget
vanskeligt at angive en præcis risikofaktor ved absorption af stråling
Antal
neutroner
Henfald af kerner I: stabilitetslinien
Radioaktive (ustabile)
atomkerner henfalder og
bliver til stabile kerner
på stabilitetslinien
Linien angiver lige
mange neutroner og
protoner i atomkernen
Antal
protoner
Strålingsbiologi - Baggrund
”Ioniserende” stråling kommer fra:
Isotoper i kroppen
Isotoper i mad
luft (radon, A-kraft, gamle prøvesprængninger)
baggrund i øvrigt (f.eks. den kosmiske stråling)
Medicinsk diagnostik og terapi (røntgen, γ , diverse isotoper)
Typer af stråling:
Røntgenstråling og γ-stråling Elektromagnetisk stråling
α-stråling Helium-kerner
β-stråling Elektroner og positroner
Neutronstråling, tunge ioner etc. Ikke veterinærrelevant
Wilhelm Röntgen
(1845-1923)
Katode
Elektroner
(vaccum)
50000 V +
-
Ændring i antal
radio-aktive
kerner i tiden dt
⇒
Røntgenstråling
Röntgen modtog første
Nobelpris i fysik 1901
Anode
El. magn. stråling
Intensitet
Bremsestråling
Karakteristisk
stråling
νmax
Hele elektron-energien
udsendes som en enkelt foton
Henfald af kerner II
dN = −λN
( t ) dt
N ( t ) = N (0) exp( −λt
)
Ved at sætte N(t) =½N(0) fås halveringstiden:
Ved såvel fysisk som biologisk henfald fås i alt:
Aktiviteten = Antal henfald pr. sekund defineres:
Aktiviteten måles i Bq og A(t) = λN(t)
1895
(anodematerialet)
ν
Frekvens
λ: sands. pr tid for
henfald af én kerne
Antal radioaktive
kerner til tiden t
T = ln2/ λ
1 2
λeff = λfys + λbio
dN
A( t ) = −
dt
1

Absorption af elektromagnetisk stråling
Ved røntgenbilleder anvendes hyppigst energier under under 0.1 MeV
(100 keV) af hensyn til kontrasten.
Ved terapi og røntgenoptagelser af større emner anvendes røntgen
eller γ–stråling med større energier.
Absorption af røntgen og γ–stråling i væv
Celledød og strålingstype
Masseabsorptions-koefficienten (µ a /ρ)
Strålingstyper med stor ioniseringstæthed
dræber flest celler
Dosisækvivalent:
H = Q·D [Sv]
Q: ”kvalitetsfaktoren”
(Q = 20 for α ellers 1)
D: absorberede dosis [Gy]
Absorption af γ– og røntgenstråling
x
dI = −µ I ( x ) dx ⇒
µ I ( x ) dx fjernes fra primærstrålen
µ I ( x ) dx absorberes i tykkelsen dx
a
µ : (den lineære) svækkelseskoefficient
µ : (den lineære) absorptionskoefficient
a
µ m ≡
µ
ρ
: massesvækkelseskoefficienten
I ( x ) = I (0) exp( −µ
x )
Celledød og absorberet dosis
Absorberet dosis D = E abs/m [Gy = J/kg]
Sub-lethale skader
(kooperativitet)
Strålingsskader på DNA - strålingstype
H O + γ → O +
2
Ionisering af vand:
+ +
H2O H OH •
→ +
+ -
H2 e
Frie radikaler
e H O H O O H H •
+ → → +
- - -
2 2
2

Celledød og strålingshastighed
Lav dosishastighed: Cellen har mulighed for at nå at reparere
(sublethale) skader på DNA.
Strålings biologiske effekter
Afhænger af:
Strålingstypen (α, β, γ,… - Energi) -> Q
Dosishastighed (opdeling af dosis)
Cellens ”type” (delingshyppighed of differentiation)
Cellens ”iltning” (dvs. blodtilførsel)
Cellens fase (størst følsomhed under mitosen)
Opdeles i:
Ikke stokastiske skader (over 0.5 Sv.)
Knoglemarvsændringer fra ca. 0.5 Sv
Tarmepitelen påvirkes fra ca. 1.0 Sv
Centralnervesystemet fra ca. 20.0 Sv
Stokastiske skader (over 0 Sv !!)
Cancerrisiko formodes at være 5 % pr. Sv
Genetiske skader sættes til 1 % pr. Sv.
Grænseværdier
”Offentligheden” 1 mSv/år
Ved arbejde med radioaktivitet 20 mSv/år
Biologiske virkninger af stråling
Dosis [Gy]
0.8-2.1
2.1-4.1
4.2-6.4
6.1-16
Ikke-stokastiske skader:
Data fra Chernobyl (1986)
Antal
31
43
21
20
Døde
0
1
7
20
Stokastiske skader:
Tid [dage]
-
96
16-48
10-91
Relativt let at vurdere skadevirkningen!
Bliver vanskeligere at evaluere, når dosisækvivalentet er lavt.
Usikkerhed om cancerrisiko ved de (hyppige) små dosisækvivalenter.
For at kunne afveje fordele og ulemper ved anvendelsen af stråling,
er en (estimeret) risikofaktor alligevel indført.
Strålingstyper og rækkevidde:
Henfald af radioaktivitet:
Svækkelse af γ, Røntgen:
Biologiske virkninger:
Sammenfatning: Helsefysik
α: He-kerner ~ 0.1 mm i væv
β: Elektroner/positroner ~ mm i væv
γ: El.magn. stråling ~ m i væv
Røntgen: El.magn. stråling ~ cm i væv
dN
Aktivitet A( t ) = − [Bq]
dt
Antal kerner N ( t ) = N (0)exp( −λt
)
Halveringstid T1
= ln2/
2
λ
1
2
Punktkilde I ( x ) ∝
x
Tykkelse x I ( x ) = I (0)exp( −µ
x )
Dosis D = E / m [Gy]
Dosisækvivalent H = Q ⋅D
[Sv]
abs
Cancerrisiko 5 % pr Sv.
Grænseværdi 1 mSv/år
3