Alapfogalmak. Magsugárzások. A magsugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Töltött részecskék ionizáló hatása. tulajdonságai.

Átírás

1 tulajdonságai mérése dozimetriája Magsugárzások orvosi alkalmazása Dr Smeller László Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet Magsugárzás: Alapfogalmak Az atommag átalakulásakor keletkezik. α (He 2 ), β (e,e ), γ (em.), n sugárzás Izotóp (azonos protonszám eltérő neutronszám) Radioaktív izotóp (instasbil, bomlik, sugároz) Aktivitás (Bq = bomlás/s) Exponenciális bomlástörvény bővebben ld. középiskolás tananyag, ill. az orvosi fizika alapjai c. tárgy előadásanyagai: ill. biofiz.sote.hu/index.php?p=oktatas&mid=2&a=tantargy&id=5 A magsugárzások kölcsönhatása az anyaggal magsugárzások elnyelődése mérése kölcsönhatás energiaátadás α β töltött részecske direkt ionizáció γ n töltéssel nem rendelkezik indirekt ionizáció Töltött részecskék ionizáló hatása α β Az ionizációhoz szükséges energia a részecse (kinetikus) energiáját csökkenti. Az energia egy bizonyos úton elfogy. Hatótávolság.

2 Az α és β sugárzás hatótávolsága α β levegőben cm m szövetben μm cm ionizáció- nagy kisebb képesség α β A γ-sugárzás elnyelődése γ-sugárzás és anyag kh.: Fotoeffektus Compton effektus Párképződés ld. gyakorlat nukl. alapm. γ-abszorpció Töltött részecskének (általában e -nak) adódik át az energia ionizál Bekövetkezésük véletlenszerű exponenciális sugárgyengülési törvény (u.a. mint a rtg. sug.) J 0 J 0 2 A γ-sugárzás gyengülése J D x J = J 0 e μ x ua. mint a röntgensugárzás A magsugárzások detektálása szcintillációs ionizációs termolumineszcens fotográfiai (film) félvezető

3 Szcintillációs detektor Ionizáción alapuló detektálás ld. gyakorlat - Q I = t I t X A - Ionizáción alapuló detektálás G-M cső A valóság: ionizációs kamra: összegyűjti az összes iont, a sugárzás ionizáló hatását méri ld. még dozimetria Geiger- Müller tartomány: lavinaeffektus, részecske feszültség impulzus hátránya: kis érzékenység γ sugárzásra energiaszelektivitás hiánya előnye: egyszerű felépítés alkalmazása: főleg dozimetriában

4 Termolumineszcencia ld. gyakorlat Fotokémiai detektálás Ld. gyakorlat Félvezető detektor Elv: félvezető dióda záróirányban a sugárzás szabad töltéshordozókat kelt I n p n p elektron lyuk (elektronhány) áram

5 Az ionizáló sugárzások biológiai hatása A sugárhatás osztályozása Sztochasztikus Determinisztikus A károsodás valószínűsége dózis A károsodás valószínűsége 100% dózis A sugárhatás osztályozása Sztochasztikus Kis dózisok esetén Kevés számú találat Véletlenszerűen kialakuló Nincs küszöbdózis Súlyosság f.len a dózistól Determinisztikus Nagy dózisok esetén Sok találat Törvényszerűen kialakuló Van küszöbdózis Súlyosság nő a dózissal Sugárvédelem és dozimetria A sugárvédelem feladata: dózisteljesítmény mérés szennyezettség mérés személyi dózismérés Sugárveszélyes munkahelyen dolgozók, rtg. ill. izotópdiagnosztikai vizsgálatok páciensei sugárbalesetek

6 Elnyelt dózis: Dózisfogalmak D = de dm Mértékegysége J/kg = Gy A dm tömegű anyagban a sugárzásból elnyelt energia Egységnyi tömegnek átadott energia Elnyelt dózis: de D = dm E be A dm tömegű anyagban a sugárzásból elnyelt energia e - keletkezett, kilépett szóródott nem lépett kölcsönhatásba Elnyelt dózis: de D = dm e - A dm tömegű anyagban a sugárzásból elnyelt energia keletkezett, kilépett Elnyelt dózis: Mérése: D = de dm [Gy] direkt módon nehéz (minimális hőmérsékletemelkedés ΔT = 0,003 C / 2 Gy) E be szóródott lelassul t indirekt módon ionizációs kamra félvezető detektor termolumineszcens dózismérő...

7 Besugárzási dózis: X = Mértékegysége C/kg dq dm dm tömegben keltett ill. - töltés Csak γ és röntgensugárzásra, levegőben! Összesen Q töltés Összesen -Q töltés Besugárzási dózis: Ionizációs kamrával ideálisan mérhető - Q I = t I t X dq X = dm A - Besugárzási dózis: dq X = dm Besugárzási dózis: dq X = dm Mire jellemző? Hogyan számolhatjuk át elnyelt dózisra? Lényeges, hogy hol történt az elnyelés (foton esetén), hol keletkeznek a töltések - levegőben levegőben Levegőre jellemző Levegőben mért besugárzási dózis átszámolása: Levegőben 1 ionpár keltéséhez 34 ev energia szükséges* 34 ev= 34 1, J 1, C 34 J 1 C C J 1 34 = 34 Gy lev kg kg * Elektronok esetén. Protonok, α részecskék esetén 35 ev

8 Levegőben mért dózis átszámolása: Levegőben mért dózis átszámolása: A szövetekben mért dózis érdekel bennünket!! Ugyanaz a sugárzási tér szövetekben nagyobb dózist eredményez, mert a szövetek elnyelőképessége nagyobb. D D szövet levegö = μ μ m, szövet m, levegö m μ m,szövet μ m,levegö m μ m tömeggyengítési együttható D = μ m, szövet szövet 0 μm, levegö f X J f = 0 34 C Eddigi dózisfogalmak: Fizikai dózis f 0 Méréstechnikai dózis Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység? Sugárterápia (Determinisztikus hatás) Általában egyfajta sugárzással egyfajta szövetet sugározunk be Elnyelt dózis arányos Biológiai hatás Sugárvédelem (Sztochasztikus hatás) Általában többfajta sugárzással többfajta szövetet sugározunk be Elnyelt dózis súlyozottan összegzendő Biológiai hatás

9 Elnyelt dózis Súlyzófaktor: Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység Egyenérték dózis: Például: = H w D w D w bör alfa súlyozottan összegzendő Biológiai hatás w R súlytényező bör,alfa H = w T R beta R D bör,beta T, R Súlyozottan összeadja a különböző sugárzásokból (R) az adott szövetben (T) elnyelt dózisokat. gamma [Sv] D bör,gamma Az adott sugárzás hatékonysága (sztochasztikus hatás kiváltásában) hányszor nagyobb, a röntgen- ill. γ-sugárzáshoz képest. Részecske Energia w R Foton 1 Elektron 1 Neutron <10 kev 5 10 kev-100 kev kev- 2 MeV 20 2 MeV - 20 MeV 10 > 20 MeV 5 Protonok > 2 MeV 5 Alfa részecskék 20 Elnyelt dózis súlyozottan összegzendő Biológiai hatás w T súlytényező Súlyzófaktor: Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység Effektív dózis: E = w H T Súlyozottan adja össze a különböző szöveteket (T) ért egyenérték dózisokat. w T H T jelenti a H T dózisnak az egész test sugárkárosodásához való hozzájárulását. T T [Sv] w T = 1 T Megmutatja, hogy az illető szövet-szerv milyen hányadban vesz részt a teljes károsodásban akkor, ha homogén sugárzás érte a az egész testet. Szövet/szerv w T Szövet/szerv w T gonádok 0,2 máj 0,05 vörös csontvelő 0,12 nyelőcső 0,05 vastagbél 0,12 pajzsmirigy 0,05 tüdő 0,12 bőr 0,01 gyomor 0,12 csontfelszín 0,01 húgyhólyag 0,05 egyéb 0,05

10 Dózisfogalmak összefoglalása Fizikai dózis f 0 Sugárzás hatékonysága Szöveti érzékenység H T E ALARA elv As Low As Reasonably Achievable Olyan kevés, ami ésszerűen elérhető Költség optimum Sugárkárosodás költsége Méréstechnikai dózis Csak a sugárvédelemben használatos mennyiségek sugárvédelem költsége Dózis Dóziskorlátok Foglalkozási dóziskorlát munkavállalókra egész testre 100 msv/5 év 50 msv/év (kb.10μsv/h) szemlencsére 150 msv/év bőrre 500 msv/év végtagokra 500 msv/év Dóziskorlátok-veszélyek Elfogadható kockázattal járó sugárterhelés Ez alatt sem biztonságos a sugárzással végzett munka! (a sztochasztikus károsodás arányos a dózissal!) Minden veszélyes!

11 Bevezetés Az izotópdiagnosztika fizikai alapjai Az izotóp kiválasztásának szempontjai Izotópdiagnosztikai vizsgálati technikák Izotóp : azonos Z különböző N különböző A rendszám neutronszám tömegszám stabil Egy elem különböző izotópjai A kémiai tulajdonságokat az elektronburok határozza meg. Z = elektronok száma => a stabil és instabil izotópok kémiai és biológiai viselkedése (anyagcsere!) megegyezik. De a radioaktív izotóp sugároz és detektálható! Bevezetés instabil radioaktív bomlik, bomláskor sugároz Izotóp radioaktív izotóp Izotópdiagnosztika: olyan módszer, amely során a radioaktív izotópok által kibocsátott sugárzás mennyiségének, térbeli és időbeli eloszlásának detektálásával nyerünk diagnosztikai információt. Milyen információt kaphatunk? A vizsgált szerv mérete, működőképessége, a funkció sebessége (pl. pajzsmirigy jódfelhasználása) Hevesy György Nobel díj

12 Általános szempontok: Sugárvédelem Információ Páciens Személyzet Többletinformáció: Funkció! Morfológiai információ mellett a működés sebességét is megmérhetjük: hipofunkció - hiperfunkció megj: ne keverjük össze a kontrasztanyaggal!!! Alapvető sugárvédelmi szabály: Az izotóp akkor a legveszélyesebb, ha inkorporálódik. Most mégis ezt tesszük! Miért? Cost-benefit elv: Megéri-e a sugárkárosodás kockázata az így kapható információt? (Minden tevékenység veszélyes!) Az izotóp kiválasztásának szempontjai 1. Melyik elem izotópját használjuk? 2. Mekkora aktivitást használjunk? 3. Milyen hosszú legyen az izotóp felezési ideje? 4. Milyen sugárzást emittáljon az izotóp? 5. Mekkora legyen a sugárzás energiája? 1. Melyik elem izotópját használjuk? Amelyik felhalmozódik a vizsgálandó szervben (kritikus szerv) Az elemek periódusos rendszere Tipikus pl. 131 I pajzsmirigyvizsgálathoz 59 Fe vörösvértest felépülés De! Nincs minden szervhez ilyen izotóp => hordozómolekulára kell ültetni előny: (majdnem) szabadon választható az izotóp, az izotóp tulajdonságai optimalizálhatóak a sugárvédelem és a mérés szempontjából Megj:nagyon kis mennyiség! pmol (ld. jegyzet feladatok) ilyen kis mennyiségben nem mérgező!

13 2. Mekkora aktivitást használjunk? Képminőség Dózis sugárvédelem: kicsit detektálás: nagyot arany középút MBq 100 MBq függ a mérés idejétől is! gyors méréshez nagy Λ kell! pl. szív Detektált γ fotonok száma Poisson eloszlást követ: σ = μ Pl: N imp =100 μ => σ =10 (10%) N imp =10000 μ => σ =100 (1%) 3. Felezési idő ΔN ΔN Λ = = λn Δt Δt ln 2 Λ = λn = N T A bevitt radioaktív atomok száma: N = ΛT ln 2 Mivel (majdnem) az összes radioaktív atom a testben bomlik el: N ~ sugárterhelés Ugyanakkora Λ mellett a sugárterhelés kisebb felezési idejű izotóp választásával csökkenthető! => T legyen minél rövidebb De! T nem lehet rövidebb, mint a vizsgálandó folyamat karakterisztikus ideje. Pl. vvt élettartam hónap 99m Tc T = 6h (túl rövid!) 51 Cr T = 28 nap OK 60 Co T = 5 év (túl hosszú!) Szállítás problémája: 10 T alatt Λ -> Λ/1000 Pl.: ha T =2 perc 20 perc múlva 1MBq -> 1kBq => a nagyon rövid felezési idejű izotópokat helyben kell előállítani! (ciklotron, Tc-generátor) pl. 18 F 110 perc 15 O 2 perc (PET)

14 4. Milyen sugárzást emittáljon az izotóp? α, hatótáv < mm β, β szövetben mm-cm nem lép ki a testből lehetőségek: α β β bomlás α, β, β, γ sugárzás Elnyelődésük eltérő α, β, β hatótávolság γ exponenciális gyengülés információt nem ad, csak károsít γ: csak részben nyelődik el, detektálható Az optimális izotóp csak γ sugárzást emittál! kivétel PET, ahol β izotópot használunk. (ld. később) A tisztán γ-sugárzó izotóp: ritka izomer magátalakulás pl. 99m Tc Tc generátor fiz. sóoldat 99m TcO 4 fiz. sóoldatban m 6h 42 Mo 43Tc h β γ Tc Időben szétválik a β és a γ kibocsátás. Elkülöníthető a 99m Tc ami tisztán γ-sugárzó. porózus üvegkorong Adszorbens (Al MoO 4 -el) porózus üvegkorong ólom szűrő

15 5. Mekkora energiájú legyen a γ-foton? nagy energia: kevéssé nyelődik el a szövetekben (sugárkárosodás) de nehéz detektálni kis energia: nagyrészt elnyelődik a szövetekben => károsít arany középút: néhány 100 kev optimális 99m Tc : 140 kev OK Optimális izotóp: 99m Tc nagyon sok vizsgálathoz használják megfelelő hordozómolekulához kötve in vitro pl. RIA => fluor. Izotópdiagnosztikai eljárások vvt élettartam Időbeli folyamat Izotópfelvételi görbe Szcintillációs mérőfej in vivo γ-kamera SPECT 3D Térbeli eloszlás PET 2D tomogr. szcintigráf Izotópdiagnosztikai eljárások In vivo > dinamikus vizsgálat > vörösvértest élettartam in vitro pl. RIA => fluor. vvt élettartam Időbeli eloszlás Izotópfelvételi görbe Szcintillációs mérőfej in vivo γ-kamera SPECT 3D Térbeli eloszlás szcintigráf PET 2D tomogr. vér 51 Cr-al jelzett szérumalbumin => visszaadják log Λ vérvétel log Λ 0 időközönként, aktivitásmérés log (Λ 0 /2) T eff (ld. gyak. jegyzet: kettős izotópjelzés) A mérés in vitro, de az izotópot in vivo használjuk t

16 in vitro pl. RIA => fluor. Izotópdiagnosztikai eljárások vvt élettartam Időbeli eloszlás Izotópfelvételi görbe Szcintillációs mérőfej in vivo γ-kamera SPECT 3D Térbeli eloszlás szcintigráf PET 2D tomogr. In vivo > dinamikus vizsgálat > izotópfelvételi görbe pl: pajzsmirigy 131 I (jódfelvételi görbe) 131 I β - -t is sugároz ezért manapság inkább 99m Tc pertechnetát Na 99m TcO 4 Λ az izotóp beadása exponenciális T eff t szcintillációs mérőfej Biológiai kiürülés fizikai bomlás A bomlási valószínűségek adódnak össze: λ fiz λ biol =λ eff 1 λ = ln 2 T T eff Λ hyperfunkció hypofukció 1 1 = T T fiz biol exponenciális T eff t Vesefunkció vizsgálat (renogram) mérjük tudjuk számoljuk (táblázat) Ue. vesefunkció vizsgálatára (renográfia)

17 Izotópdiagnosztikai eljárások In vivo > Statikus vizsgálat, térbeli eloszlás> szcintigráf in vitro pl. RIA => fluor. Időbeli eloszlás in vivo Térbeli eloszlás Egyszerű elv, lassú, elavult szcint. mérőfej letapogató útvonal az iró útvonala vvt élettartam Izotópfelvételi görbe Szcintillációs mérőfej γ-kamera SPECT 3D PET 2D tomogr. szcintigráf in vitro pl. RIA => fluor. Izotópdiagnosztikai eljárások vvt élettartam Időbeli eloszlás Izotópfelvételi görbe Szcintillációs mérőfej in vivo γ-kamera SPECT 3D Térbeli eloszlás PET 2D tomogr. szcintigráf In vivo > Térbeli eloszlás > γ-kamera képernyő számítógép fotoelektronsokszorozók fényvezető szcintill. kristály ólomkollimátor

18 In vivo > Térbeli eloszlás > γ-kamera Feloldóképesség: kollimátornyílások (PM csövek száma néhány x10) Máj metasztázis pajzsmirigy hideggöb meleggöb 99m Tc fitát 99m Tc pertechnetát

19 Időbeli és térbeli felvétel kombinálása: Egymás utáni felvételek γ-kamerával összaktivitás t in vitro pl. RIA => fluor. Izotópdiagnosztikai eljárások vvt élettartam Időbeli eloszlás Izotópfelvételi görbe Szcintillációs mérőfej in vivo γ-kamera SPECT 3D Térbeli eloszlás PET 2D tomogr. szcintigráf SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) γ-kamera forog 3 dimenzós kép izotópeloszlás

20 SPECT Izotópdiagnosztikai eljárások in vitro pl. RIA => fluor. Időbeli eloszlás in vivo Térbeli eloszlás vvt élettartam Izotópfelvételi görbe Szcintillációs mérőfej γ-kamera SPECT 3D szcintigráf PET 2D tomogr. PET (Positron Emission Tomography) Pozitron bomló izotóp! Természetben nem fordul elő Mesterséges előállítás (pl. ciklotron) helyben! Pozitron annihiláció e γ e - γ hatótáv mm => felbontás izotóp T (perc) E max átl. hatótáv (MeV) (mm) 11 C 20,4 0,96 0,3 13 N 9,9 1,19 0,4 15 O 2,9 1,72 1,5 18 F 110 0,64 0,2 68 Ga 68 1,89 1,9 82 Rb 1,3 3,35 2,6

21 PET (Positron Emission Tomography) elv: det. det. A PET gyakorlati megvalósítása: Körkörös detektorgyűrűrenszer koincidencia áramkör számítógép koincidencia áramkör monior jel Többszörös detektorgyűrűrenszer fotoelektronsokszorozó szcint. kristály kollimátor => 3D kép Tipikus vizsgálati szerv az agy Radiofarmakonok: 11 C 18 N 15 O 18 F FDG 18 Fdezoxiglükóz