KURZ RADIAČNÍ OCHRANY A DOZIMETRIE Fyzikální část Mgr. Ing. Marek Dostál, Ph.D. STAVBA ATOMU • Silná jaderná síla (F~1038, r~r-7) • Elektromagnetická (F~1036, r~r-2) RADIOAKTIVITA • Časová nestabilita jádra atomu • Emise částic/záření • 83 209 𝐵𝑖 poslední stabilní prvek • Přirozená / umělá • Fy poločas přeměny 𝑁 = 𝑁0 𝑒−λ𝑡 𝑇1/2 = ln 2 λ IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ • Přímo IZ • Nabité částice • Dostatečná E • Protony • Elektrony • Pozitrony • Jádra prvků • Nepřímo IZ • El. Neutrální • Ionizují sekundární částice • Fotony • Neutrony ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ • Deexcitace elektronu • Deexcitace jádra (Tcm->Tc) • Fotonové záření RTG ZÁŘENÍ • Brzdné/charakteristické • Filtrace PŘEMĚNA • Deexcitace jádra (99mTc -> 99Tc) • Často doprovodné záření (60Co) NEUTRONY • El. Neutrální • Dle E interakce PŘEMĚNA • El. Nabité 2+ • Těžké • Rychlá ztráta E > vysoká ionizace • Vnější ozáření abs. v kůži • Vnitřní kontaminace > horší • Dráha rel. přímá PŘEMĚNA • 2 varianty + a – • Spojité spektrum • Velmi klikatá dráha Ý Á • Elektron z nízké vrstvy zachycen jádrem • Konkurenční děj k beta + • Doprovázen emisí fotonu či Augerova e- • Fotoelektrický jev • Celá E fotonu předána elektronu z vnitřní vrstvy • Elektron opouští obal • Převažuje u nižších E a látek s větším Z • Comptonův rozptyl • Část E fotonu předána elektronu z vnější vrstvy • Elektron opouští obal • Foton změní vlnovou délku a směr letu • Převažuje u středních E a látek s nízkým Z • Zákon zachování E • Zákon zachování p • Anihilace • Hmota s antihmotou • Hmota zaniká dle E = mc2 • 2 fotony s opačným směrem • Tvorba el-poz páru • Hraniční E = 1,02 MeV • Foton zaniká a vzniká hmota • „Opak“ anihilace Č • Aktivita • Počet jaderných přeměn za sekundu • Variace: • Hmotnostní aktivita • Plošná aktivita • Objemová aktivita 𝐴 = 𝑑𝑁 𝑑𝑡 𝐴 = 𝐵𝑞 = 𝑠−1 𝐴 = 𝐴0 𝑒−λ𝑡 Č • Fluence částic • Podíl počtu částic které dopadly v daném bodě prostoru na malou kouli o obsahu jejího příčného řezu A • Obdobné: • Příkon fluence částic • Radiance částic • Fluence energie • Příkon fluence energie • Radiance energie ϕ = 𝑑𝑁 𝑑𝑎 ϕ = 𝑚−2 Č • Účinný průřez • Podíl pravděpodobnosti P že nastane interakce vyvolaná dopadem ne/nabitých částic určitého druhu, energie a fluence ϕ σ = 𝑃 ϕ ϕ = 𝑚2 Č • Lineární součinitel zeslabení • J = hustota proudu částic pohybujících se ve směru rovnoběžném se směrem osy x μ = − 1 𝐽 𝑑𝐽 𝑑𝑥 μ = 𝑚−1 𝐽 = 𝐽0 𝑒−μ𝑥 𝑑1/2 = ln 2 μμ 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑦 = 𝑁𝐴ρ 𝑀 (σ 𝑓𝑜𝑡𝑜 + σ 𝐶𝑜𝑚𝑝 + σ 𝑒𝑙−𝑝𝑜𝑧 + ⋯ ) Č • Lineární přenos energie (LET) • Podíl energie předané v daném místě nabitou částicí látce při průchodu po krátké dráze a této dráhy • Protony, alfa > vysoké LET • Elektrony > nízké LET L = dE dx Č • Dávka • Podíl střední sdělené energie předané IZ látce a hmotnosti této látky • Dávkový příkon • Přírůstek dávky za čas D = d ҧ𝜀 dm 𝐷 = 𝐺𝑦 = 𝐽. 𝑘𝑔−1 P𝐷 = d𝐷 dt 𝑃 𝐷 = 𝐺𝑦. 𝑠−1 Č • Kerma • Podíl součtu počátečních kinetických energií všech nabitých částic, uvolněných nenabitými částicemi v látce a hmotnosti této látky • Kermový příkon • Přírůstek kermy za čas 𝐾 = d𝐸 𝑘 dm 𝐾 = 𝐺𝑦 = 𝐽. 𝑘𝑔−1 P𝐾 = dK dt 𝑃 𝐾 = 𝐺𝑦. 𝑠−1 Č • Expozice • Podíl celkového náboje iontů stejného znaménka vzniklých v objemu vzduchu při úplném zabrzdění všech elektronů a pozitronů, které byly uvolněny fotony RTG nebo gama a hmotnosti vzduchu v tomto objemu • Expoziční příkon • Přírůstek expozice za čas 𝑋 = d𝑄 dm 𝑋 = 𝐶. 𝑘𝑔−1 P𝑋 = dX dt 𝑃𝑋 = 𝐶. 𝑘𝑔−1. 𝑠−1 Č • Relativní biologická účinnost • Poměr dávek dvou druhů záření potřebných k vyvolání téhož stupně biologického účinku • Reference ERTG=200 keV nebo gama záření 60C či 137Cs. Č • Dávkový ekvivalent • Q = jakostní činitel • Q je závislé na LET (ICRP 60) 𝐻 = 𝐷. 𝑄 𝐻 = 𝑆𝑣 = 𝐽. 𝑘𝑔−1 Č • Efektivní dávkový ekvivalent • wT = váhový činitel tkáně T 𝐻 𝐸 = ෍ 𝑇 𝑤 𝑇 𝐻 𝑇 𝐻 𝐸 = 𝑆𝑣 = 𝐽. 𝑘𝑔−1 Č • Ekvivalentní dávka • wR = radiační váhový faktor záření R (ICRP 103) • DT,R = absorbovaná dávka v tkáni T od záření R • Ekvivalentní dávka má nahradit dávkový ekvivalent 𝐻 𝑇 = ෍ 𝑅 𝑤 𝑅 𝐷 𝑇,𝑅 𝐻 𝑇 = 𝑆𝑣 = 𝐽. 𝑘𝑔−1 Č • Efektivní dávka • wT = tkáňový váhový faktor (ICRP 103) • HT = ekvivalentní dávka v tkáni T • Efektivní dávka má nahradit efektivní dávkový ekvivalent • Nezahrnuje další faktory ovlivňující stochastické účinky (distribuce dávky v čase…) 𝐸 = ෍ 𝑇 𝑤 𝑇 𝐻 𝑇 𝐸 = 𝑆𝑣 = 𝐽. 𝑘𝑔−1 Č • Vnitřní ozáření • Úvazek ekvivalentní dávky • Úvazek efektivní dávky • τ = 50 resp. 70 let pro dospělé resp. Děti, není-li uvedeno jinak 𝐻 𝐶,𝑇 τ = න 0 τ 𝑃 𝐻 𝑇 𝑡 𝑑𝑡 𝐸 𝐶 τ = න 0 τ 𝑃𝐸 𝐶 𝑡 𝑑𝑡 𝐸 = 𝑆𝑣 = 𝐽. 𝑘𝑔−1 𝐻 = 𝑆𝑣 = 𝐽. 𝑘𝑔−1 • NIZ • Optické záření • Ultrazvuk • Radiové vlnění • IZ • Diagnostické • Nukleární medicína • Terapie • Optické záření – UV • UV-A,B,C (380 – 320, 320 – 280, 280 – 100 nm) • Zdroje Slunce, výbojky plněné rtutí, laser • UV-A,B neionizující, UV-C už ionizační účinky • Užití: • Spektrofotometrie, biochemie, analýza materiálů, sterilizace, terapie • Optické záření – VIS • (380 – 760 nm) • Zdroje Slunce, teplá tělesa, laser, diody, luminiscence • Užití: • Spektroskopie, mikroskopie, fototerapie, regenerace, prokrvení • Optické záření – IR • (760 – 10000 nm) • Zdroje Slunce, teplá tělesa, laser, diody • Užití: • Spektroskopie, terapie, prohřívání, prokrvení • Radiové vlnění • (1 – 10 m) • Zdroje radiové a TV vysílače, radiofrekvenční cívky • Užití: • Telekomunikace, MR zobrazování, MR spektroskopie • Mechanické vlnění – UZ • (> 20 kHz) • Zdroje mechanické, piezoelektrický jev • Užití: • Diagnostika, litotrypse, echolokace, čištění • Diagnostika • (20 – 160 keV) • Zdroje rentgenka • Užití: Skiagrafie, skiaskopie, mamografie, CT … • Diagnostika - rentgenka • Nukleární medicína • Rozpadová řada • Typy přeměn • Poločasy rozpadů • Energie IZ • Navázání na nosič • 99mTc, 123I, 131I … • Nukleární medicína • Cyklotron • Obvykle e- záchyt nebo β+ • 67Ga (e), 81Ru (e,β+), 123I(e) • 11C, 15O, 18F (β+) • Nukleární medicína • Reaktor • Obvykle β-, produkty 235U • 131I, 99Mo, 137Cs • Vhodná separace • Nukleární medicína • Generátory • Pro zjednodušení přípravy • 99Mo – 99mTc • 68Ge – 68Ga • 90Sc – 90Y • 81Rb – 81mKr • Terapie • Lineární urychlovač • Betatron • Cyklotron • Brachyterapie • Terapie • Protony Č Í • Cíle: • Vyloučení deterministických účinků IZ • Snížení pravděpodobnosti vzniku stochastických účinků na společensky přijatelnou míru • Zabezpečit dostatečnou úroveň ochrany zdraví a umožnit přitom přínos z využití zdrojů IZ Č Í • Principy: • zdůvodnění • optimalizace • limitování • bezpečnosti zdrojů Č Í • Princip zdůvodnění • Opravdu potřebuji provést vyšetření? • Nebylo vyšetření již provedeno ( např. v jiném zdravotnickém zařízení)? • Specifikace vyšetření: “prosím o snímek pravé ruky“ rameno, zápěstí…? • Zvýšená citlivost u dětí a plodu (pravděpodobnost projevu stochastických účinků je 2x až 3x vyšší než u dospělých) Č Í • Princip optimalizace • ALARA (As Low As ReasonAble) • Optimalizace správné zobrazovací metody tak, aby ozáření pacienta bylo minimalizováno, aniž by to mělo vliv na získání nezbytné diagnostické informace Č Í • Princip limitování • Obecné / pro radiační pracovníky / pro učně a studenty • Princip limitování se nevztahuje na: • Ozáření z přírodních zdrojů (pokud nejsou vědomě a záměrně využívány) • Lékařské ozáření • Havarijní ozáření v důsledku radiační nehody nebo havárie Č Í • Princip limitování • Obecné: • Součet efektivních dávek ze zevního ozáření a úvazků efektivních dávek z vnitřního ozáření < 1 mSv za kalendářní rok • Ekvivalentní dávka v oční čočce < 15 mSv za kal. rok • Průměrná ekvivalentní dávka v 1 cm2 kůže < 50 mSv za kalendářní rok Č Í • Princip limitování • Radiační pracovník: • Součet efektivních dávek ze zevního ozáření a úvazků efektivních dávek z vnitřního ozáření < 100 mSv za 5 za sebou jdoucích kalendářních let (50 mSv za kalendářní rok) • Ekvivalentní dávka v oční čočce < 150 mSv za kal. rok • Průměrná ekvivalentní dávka v 1 cm2 kůže < 500 mSv za kalendářní rok • Ekvivalentní dávka na ruce od prstů po předloktí a na nohy od chodidel po kotníky < 500 mSv za kalendářní rok • Osobní dávkový ekvivalent Hp (0,07) < 500 mSv za kalendářní rok • Osobní dávkový ekvivalent Hp (10) < 20 mSv za kalendářní rok Č Í • Princip bezpečnosti zdrojů • Zdroje IZ musí být zabezpečeny tak, aby nad nimi nemohlo dojít za nepředvídatelných podmínek ke ztrátě kontroly • Zábrana odcizení a přístupu k nim nepovolaným osobám • Trvalé sledování zdroje a hlášení ztráty příslušným orgánům • Předávání zdroje jen držiteli platného povolení • Periodická inventarizace mobilních zdrojů • Technická bezpečnost – dobrý technický stav zdrojů IZ Č Í • Ochrana • Časem • Vzdáleností • Stíněním Č Í • Ochrana časem • Lineární závislost • Ekonomické • Skiaskopie • Neopakovat vyšetření Č Í • Ochrana časem • Automatic Exposure Control (AEC) • Ukončení expozice po náběru dostatečného množství záření • Konzistence, redukce dávky, odpovídá ALARA v praxi Č Í • Ochrana časem • Automatic Tube Current Modulation (ATCM) Č Í • Ochrana vzdáleností • Kvadratická závislost • Ekonomické • Optimalizace vzdálenost zdroj-pacient a pacient-detektor Č Í • Ochrana stíněním • Exponenciální závislost • Finančně nákladnější • Typ záření > typ materiálu 𝐼 = 𝐼0 𝑒−μ𝑥 mm Pb % prošlého RTG 50 kV 75 kV 100 kV 0,25 0,35 3 10 0,35 0,05 1,5 4,5 0,5 0,01 0,7 3 Č Í • Ochrana stíněním • Správné použití Č Í • Ochrana stíněním • Správné použití Č Í Á ĚŽ • Radon a produkty: • Vzniká rozpadem radionuklidu 226Ra uranradiové rozpadové řady • Kritické v uzavřených prostorách • Kosmické záření: • Vysoce energetické záření • Na povrch dopadá až záření sekundární • Závislý na nadmořské výšce • Záření zemské kůry: • Záření radionuklidů přírodních rozpadových řad a nuklidu 40K • Vnitřní ozáření: • Z potravy a při dýchání (kromě radonu) • Hlavními kontaminanty je 40K Č Í Á ĚŽ • Lékařské ozáření • Ozáření pacientů v souvislosti s vyšetřením • Největší část RTG (velký počtu výkonů) • Jaderná energetika • Zátěž z Černobylu v ČR je cca 3 mSv • Ročně z přírodního ozáření 3,5 mSv • Profesionální ozáření • Pracovníci se zdroji IZ (lékařství, těžba, úprava zdrojů …) ŘÍ • Detektory • Plynové • Ionizační komory • Geiger-Müllerovy počítače (GM) • Polovodičové • Scintilační • Dozimetrie • Filmová • Termoluminiscenční • Radiofotoluminiscenční • Elektronická • Zobrazování • 2D scintigrafie • SPECT • PET ŘÍ • Ionizační komora • Ionizace molekul plynu při U 50 – 300 V • Proud ~ počtu částic • Při vysokých intenzitách IZ • Ionizační dozimetry pro RTG • Měřiče aplikované aktivity v NM ŘÍ • GM počítač • Ionizace molekul plynu (Ne) při U ~ 1000 V • Nutné zhášedlo (halogen) • Mrtvá doba • Proud ~ počtu částic • Při nízkých intenzitách γ • Detekce β ŘÍ • Polovodičové detektory • Principem podobné plynovým • Vznik páru elektron-díra • Velmi nízká excitační E • Výborná E rozliš schopnost • Nutné chladit (kap. N) • Omezené rozměry • Nižší geometr. Účinnost • Ge(Li), HPGe – detekce gama • Si(Li), HPSi – detekce alfa, nízko E RTG ŘÍ • Scintilační detektor • Studnové, gamakamery • Multikanálový analyzátor • Spektrum různých E současně • U ~ 1000 V • Krystalové, kapalné, organické ŘÍ • Filmový dozimetr • Tvorba latentního obrazu • Optická hustota ~ intenzitě ozáření • Osobní dáv. Ekv. (fotony+elektrony) • E, směr, časové rozložení • Citlivé na světlo, vlhkost, teplotu ŘÍ • Termoluminiscenční dozimetr • Excitace IZ a deexcitace do záchytného centra (ZC) • Po zahřátí deexcitace ze ZC s emisí fotonu • E vyzářená ze ZC ~ E absorbované IZ • Vysoká citlivost, opakované použití • Široká oblast lin. Vztahu dávka-signál • Citlivé na světlo ŘÍ • Radiofotoluminiscenční dozimetr • Princip obdobný jako u termolumin. D. • Místo záchytných center má ovšem materiál luminiscenční centra • Vyhodnocení = ozáření detektoru UV • E vyzářená ze ZC ~ E absorbované IZ • Vysoká citlivost, dlouhodobá stabilita • Nízká E závislost • Citlivé na světlo ŘÍ • Elektronický dozimetr • Většinou GM, polovodič Si nebo IK • Inter/externí vyhodnocení • Možnost ovlivnění elmag polem • Mobilní tel, MR, čtečky karet… • Vysoká citlivost, okamžitá informace • Průběžné sledování • Nastavení alarmů ŘÍ • Vnitřní kontaminace • Typ přeměny (α + β nebezpečnější než γ + n0) • Fy, Ch a Bi vlastnosti (plyn/kapalina, vaznost nosiče, distribuce organismem…) • Aktivita -> úvazek efektivní dávky / úvazek ekvivalentní dávky dle modelu • Měření aktivity • Přímé • Celotělové počítače • Nepřímé • Měření exkret, pracovního prostředí, znalost hmotnostní aktivity v potravinách • Když nelze měřit přímo nebo je třeba zjistit více informací, které přímé metody nedokáží ŘÍ • 2D Scintigrafie • Gamakamera • Kolimátor • Scintilační krystal • Fotonásobič • Vyhodnocovací elektronika ŘÍ • 2D Scintigrafie • Kolimátor • Rozlišení… ŘÍ • 2D Scintigrafie • Krystal + elektronika • Rozlišení… • Rozmazání z důvodu rozdílné hloubky scintilace • Rozmazání z důvodu vícenásobného Comptonova rozptylu • Přesnost (fluktuace, optické ztráty na rozhraní krystal-fotonásobič…) elektroniky • Minimalizace • Větší počtu fotonásobičů • Vyšší účinnost fotonásobičů • Optický kontakt krystal-fotonásobič • Celkové rozlišení 9 – 12 mm (v závislosti na vzdálenosti) ŘÍ • 2D Scintigrafie ŘÍ • 2D Scintigrafie ŘÍ • 3D Scintigrafie – SPECT ŘÍ • 3D Scintigrafie – SPECT • Přesnější určení polohy • Zobrazení lézí „nad sebou“ • Lepší kontrast • Hybridní SPECT/CT • Citlivost 0,04-0,3 cps/Bq 99mTc ŘÍ • PET • β+ • El. Kolimace • Koincidenční detekce ŘÍ • PET • Rozlišení ~ 5 mm • Time Of Flight (TOF) • Hybridní PET/CT, PET/MR • Citlivost 7-10 cps/Bq 18F Á • NRS • Intervaly aplikované aktivity • Doporučená aktivita dle typu vyšetření dospělý/dítě • Dávka v orgánu s nejvyšší absorbovanou dávkou [mGy/MBq] • Efektivní dávka [mSv/MBq] • Scintigrafie skeletu (99mTc-fosfát) 0,0057 mSv/MBq doporučená A = 500 MBq > E = 2,85 mSv • PET (18F-FDG) 0,019 mSv/MBq, A = 300 MBq > E = 5,7 mSv