Dozimetria, sugárvédelem Nukleáris méréstechnika A magsugárzások • tulajdonságai • mérése • dozimetriája • orvosi alkalmazása
• Magsugárzás: – Az atommag átalakulásakor keletkezik. – α (He2+), β (e−,e+), γ (em.), n … sugárzás
• Izotóp (azonos protonszám eltérő neutronszám) • Radioaktív izotóp (instasbil, bomlik, sugároz) • Aktivitás (Bq = bomlás/s) • Exponenciális bomlástörvény
Semmelweis Egyetem, Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet
α
+ + β−+ + + + + + + +
++
elnyelődése mérése kölcsönhatás ⇒ energiaátadás α töltött részecske direkt ionizáció β γ töltéssel nem indirekt ionizáció n rendelkezik
γ-sugárzás
tötléssel rendelkező sug. ++
magsugárzások
Sugárzások gyengülése: ++
A magsugárzások kölcsönhatása az anyaggal
++ +
Dr Smeller László
Alapfogalmak
+ ++ Ionizáció ⇒ energiaveszteség: Az energia egy bizonyos úton elfogy.
J J0 J0 2
J/4 x D
Hatótávolság
Exponenciális gyengülés nincs hatótávolság
A magsugárzások mérése szcintillációs számláló gázionizáción alapuló detektorok termolumineszcens doziméter fotográfiai (film) módszerek félvezető detektor
Szcintillációs detektor ld. gyakorlat
Ionizáción alapuló detektálás I + + ++ + ++ + + + + + + + +
I=
Q X ∼ t t
A
+
Ionizáción alapuló detektálás
Geiger-Müller cső I
I
GeigerMüller tartomány: lavinaeffektus, részecske
ionizációs kamra: összegyűjti az összes iont, a sugárzás ionizáló hatását méri
feszültség impulzus
ld. még dozimetria
G-M cső U t Számláló
előnye: egyszerű felépítés hátránya: kis érzékenység γ sugárzásra energiaszelektivitás hiánya alkalmazása: főleg dozimetriában
t
U + + ++ + + ++ + + + ++++ + + + + +
R t
+ +
-
+
Termolumineszcencia
Jim Voss amerikai űrhajós a Pille kiértékelő egységébe helyezi a dózismérőt. (Fotó: NASA ISS002E7814)
Személyi dozimetria
Fotokémiai detektálás elavult
Félvezető detektor a diagnosztikában
Félvezető detektor Elv: félvezető dióda záróirányban a sugárzás szabad töltéshordozókat kelt
sugárzás
A
A
elektróda
I félvezető
n
elektron
p
lyuk (elektronhiány)
n
p
Tranzisztor elektróda
áram
Félvezető detektor a dozimetriában
Az ionizáló sugárzások biológiai hatása
A sugárhatás mechanizmusa
A sugárhatás osztályozása
indirekt
Biológiai fázis: órák: szöveti változások napok-évek: gyomor-béltraktus vált. vérképző rsz. károsod. szomatikus változások
A sugárhatás osztályozása Sztochasztikus Kis dózisok esetén Kevés számú találat Véletlenszerűen kialakuló Nincs küszöbdózis Súlyosság f.len a dózistól Sugárveszélyes munkahelyen dolgozók, rtg. ill. izotópdiagnosztikai vizsgálatok páciensei
A károsodás valószínűsége
direkt
Kémiai (biokémiai) fázis: szabad gyökös reakc. 10-10 -1s:
dózis
Determinisztikus A károsodás valószínűsége
Sztochasztikus
Fizikai fázis: 10-17 -10-12 s Ionizáció
sugárbalesetek
dózis
Sugárvédelem és dozimetria
Determinisztikus Nagy dózisok esetén Sok találat Törvényszerűen kialakuló Van küszöbdózis Súlyosság nő a dózissal
100%
A sugárvédelem feladata: dózisteljesítmény mérés szennyezettség mérés személyi dózismérés
Dózisfogalmak
Elnyelt dózis:
D=
dE dm
[Gy]
Mérése:
Elnyelt dózis:
D=
A dm tömegű anyaggal a sugárzás által közölt energia
dE dm
Mértékegysége J/kg = Gy Egységnyi tömegnek átadott energia
Besugárzási dózis:
dQ X = dm
dm tömegben keltett + ill. töltés
• indirekt módon ¾ionizációs kamra ¾félvezető detektor ¾termolumineszcens dózismérő ¾...
+ + +++ + + + + + + ++
Összesen +Q töltés Összesen -Q töltés
X=
Besugárzási dózis: Ionizációs kamrával ideálisan mérhető -
Csak γ és röntgensugárzásra, levegőben! Mértékegysége C/kg
• direkt módon nehéz (minimális hőmérsékletemelkedés ΔT = 0,006 °C / 4 Gy)
+ + + + + + + ++++ + + + +++ + + + + + + ++ +
I=
dQ dm
I Q X ∼ t t
A
+
Besugárzási dózis:
X=
dQ dm
Besugárzási dózis:
X=
dQ dm
Levegőben mért besugárzási dózis átszámolása:
Mire jellemző? Hogyan számolhatjuk át elnyelt dózisra?
Levegőben 1 ionpár keltéséhez 34 eV energia szükséges* Lényeges, hogy hol történt az elnyelés (foton esetén), hol keletkeznek a töltések + + + ++ + + + + + + ++
levegőben levegőben
34 eV= 34 · 1,6 ·10-19 J 34 J
1
Levegőre jellemző
1,6 ·10-19 C 1C
C J ⇒ 34 = 34 Gy lev kg kg
* Elektronok esetén. Protonok, α részecskék esetén ≈35 eV
+
Levegőben mért dózis átszámolása a szövetekben elnyelt dózisra ΔJ = −μΔxJ E J = At ΔE = ΔJ At ΔE ΔJ At = = D= Δm ρAΔx μΔxJt = = μ m Jt ρΔx D ∼ μm
Levegőben mért dózis átszámolása a szövetekben elnyelt dózisra:
Dszövet μm ,szövet = Dlevegö μm ,levegö Dszövet =
μm ,szövet f X μm ,levegö 0
Efoton<0,6 MeV esetén lágyszövetre:
f 0 = 34
J C
μ m,szövet ≈ 1,1 μ m,levegö
A biológiai hatás… → Sugárterápiánál
Eddigi dózisfogalmak:
(Determinisztikus hatás) Tipikusan • egyfajta sugárzással • egyfajta szövetet sugározunk be
Sugárzás hatékonysága Fizikai dózis Szöveti érzékenység
?
Elnyelt dózis
→ Sugárvédelemben
Elnyelt dózis Méréstechnikai dózis
súlyozottan összegzendő
Biológiai hatás
(Sztochasztikus hatás)
Egyenérték dózis:
H T = ∑ wR DT, R R
súlyozottan összegzendő
Biológiai hatás
wR súlytényező Az adott sugárzás hatékonysága (sztochasztikus hatás kiváltásában) hányszor nagyobb, a röntgen- ill. γ-sugárzáshoz képest.
Súlyzófaktor: Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység
[Sv]
Súlyozottan összeadja a különböző sugárzásokból (R) az adott szövetben (T) elnyelt dózisokat. Például:
Biológiai hatás
Tipikusan • többfajta sugárzás • többfajta szövetet ér
f0
Elnyelt dózis
arányos
H bör = walfa Dbör,alfa + wbeta Dbör,beta + wgamma Dbör,gamma
Részecske Foton Elektron Neutron *2016 jan 1-től: folytonos fv.
Protonok Alfa részecskék
Energia
<10 keV 10 keV-100 keV 100 keV- 2 MeV 2 MeV - 20 MeV > 20 MeV > 2 MeV
wR 1 1 5 10 20 10 5 52 20
*487/2015. (XII. 30.) Korm. rendelet az ionizáló sugárzás elleni védelemről és a kapcsolódó engedélyezési, jelentési és ellenőrzési rendszerről
Elnyelt dózis
súlyozottan összegzendő
Biológiai hatás
Megmutatja, hogy az illető szövet-szerv milyen hányadban vesz részt a teljes károsodásban akkor, ha homogén sugárzás érte a az egész testet.
Súlyzófaktor: Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység Effektív dózis:
Testszövet Szövet/szerv
E = ∑ wT H T
[Sv]
T
Súlyozottan adja össze a különböző szöveteket (T) ért egyenérték dózisokat. wTHT jelenti a HT dózisnak az egész test wT sugárkárosodásához való hozzájárulását. T
∑
=1
Homogén egésztest besugárzás esetén: E = H
Dózisfogalmak összefoglalása
Sugárzás hatékonysága Fizikai dózis Szöveti érzékenység
HT E
f0
Méréstechnikai dózis
wT súlytényező
Csak a sugárvédelemben használatos mennyiségek
Csontvelő gonádok Vastagbél vörös csontvelő Tüdő vastagbél Gyomor tüdő Emlő gyomor Egyéb szövetek* húgyhólyag Ivarmirigyek Hólyag
wT w T 0,12 0,2 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,12 0,05 0,08 0,04
Testszövet Szövet/szerv Nyelőcső máj Máj nyelőcső Pajzsmirigy pajzsmirigy Csontfelszín bőr Agy csontfelszín Nyálmirigyek egyéb Bőr
wTw T 0,04 0,05 0,04 0,05 0,04 0,05 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,05 0,01
*Egyéb szövetek: mellékvesék, felső légutak, epehólyag, szív, vesék, nyirokcsomók, izom, szájnyálkahártya, hasnyálmirigy, prosztata (férfiak), vékonybél, lép, csecsemőmirigy, méh/méhnyak (nők). 487/2015. (XII. 30.) Korm. rendelet
Sugárvédelem Sugárforrásokkal dolgozók: Indokoltság Determinisztikus hatás kizárása Sztochasztikus hatás ésszerű redukálása: ALARA elv Dóziskorlátok Páciensek: Indokoltság Cost-benefit elv Páciensdózisok mérése és dokumentálása
ALARA elv
Dóziskorlátok
• As Low As Reasonably Achievable • Olyan kevés, ami ésszerűen elérhető Költség
optimum Sugárkárosodás költsége
Foglalkozási dóziskorlát munkavállalókra – egész testre 100 mSv/5 év és 50 mSv/év (kb.10mSv/munkaóra)* – szemlencsére 150 mSv/év (csökkenni fog!) – bőrre 500 mSv/év – végtagokra 500 mSv/év
sugárvédelem költsége Dózis
Determinisztikus sugárzási küszöbdózisok Csontvelő: Vérképzéscsökkenés Herék: átmeneti sterilitás végleges sterilitás Szemlencse Kimutatható homályok Cataracta Bőr: Korai átmeneti erythema Erythema Időleges epilálás
0,5 Gy 0,15 Gy 3,5-6 Gy 0,5-2 Gy 5 Gy 2 Gy 6 Gy 3 Gy
Egyésztest besugárzás esetén: félhalálos dózis: 4 Gy halálos dózis 6 Gy
*v.ö.: háttérsugázás dózistelj: ≈ 0,1 μSv/h
Néhány jellemző dózis Természetes háttérsugárzás: 2,4 mSv/év Ennek fele a Rn-ból. Orvosi vizsgálatok (páciensdózis) hagyományos felvétel: 0,2-1 mSv CT felvétel: 2-8 mSv beavatkozások: Intervenciós radiológia orvos: kéz: 100 mSv/2hó szem: 30 msv/2hó térd: 20 mSv/2hó gonád (ólomköpeny alatt): 0,5 mSv/2hó Páciens: akár 1 Gy!! Sugárterápia: tipikusan 45-60 Gy (2 Gy frakc.)
Dóziskorlátok-veszélyek Elfogadható kockázattal járó sugárterhelés Ez alatt sem biztonságos a sugárzással végzett munka! (a sztochasztikus károsodás arányos a dózissal!) Minden veszélyes!
Irodalom (Az Orvosi Biofizika tankönyv mellett) Köteles György: Sugáregészségtan (Medicina) Fehér István, DemeSándor: Sugárvédelem (ELTE Eötvös kiadó) Turák O., Osvay M.: A személyzet dózisa az intervenciós radiológia területén. OSSKI www.sugarvedelem.hu/sugarvedelem/docs/kulonsz/.../szemelyzet.pdf Pellet Sándor, Giczi Ferenc, Gáspárdy Géza, Temesi Alfréda: Az intervenciós radiológia sugár-egészségügyi vonatkozásai. Magyar Radiológia 81 (2007) 32–39.
