Bezpečnost pacientů: Ochrana pacientů před ionizujícím zářením Kvalitní zdravotní péče: Kvalita zobrazení v radiologii Základy Ø Ionizující elektromagnetické záření: f > 3x10^15Hz tj. l < 100 nm (UV, rtg a gama), má dostatek energie pro ionizaci atomů tvořících naše tělo. Ø Ionty způsobují tvorbu VOLNÝCH RADIKÁLŮ (H, OH z vody) a vysoce chemicky reaktivních sloučenin, např. H[2]O[2], které vyvolávají změny biologicky významných molekul, např. DNA, a vedou k biologickým účinkům jako je kancerogeneze a mutageneze. Ø Čím vyšší je počet fotonů absorbovaných tělem a čím vyšší je energie těchto fotonů, tím vyšší je počet vytvářených volných radikálů, tím vyšší je riziko. Kvalita obrazu a dávka Obecně platí, že lepší obraz vyžaduje více fotonů a tím i vyšší dávku! Čím je nutno se zabývat? • Dávky ionizujícího záření vedou ke skutečnému riziku – pacient nepociťuje, avšak k poškození došlo, některé z buněk jeho těla se změnily! • ODŮVODNĚNOST: Je rentgenový snímek opravdu nutný pro diagnózu z hlediska kriterií následné péče? Je pro pacienta prospěch větší než riziko? Lze využít dřívější snímky? Lze použít MRI nebo ultrazvuk (neionizující záření)? • Moderní kvalitní radiologické postupy jsou OPTIMALIZOVÁNY = přesná diagnóza při současném vyhnutí se zbytečným dávkám u pacientů • Přesná diagnóza vyžaduje obrazy vysoké kvality, což však pro pacienta často znamená vyšší dávku! • OPTIMALIZOVANÉ POSTUPY (SLUŽBY): – Vyhýbání se opakováním – Používání zobrazovacích zařízení, která mají požadované ukazatele výkonnosti – Používání protokolů, které poskytují obrazy s právě dostatečnou kvalitou obrazu pro přesnou diagnózu Obsah přednášky Ø Veličiny a jednotky používané pro odhad rizika Ø Dosimetry a detektory záření Ø Bezpečnost pacientů: dávky ionizujícího záření Ø Kvalita ve zdravotní péči: kvalita zobrazení pro vysokou přesnost diagnostiky Ø Optimalizace dávek: vztah mezi dávkou a kvalitou zobrazení v radiologii Ø Rizika a dávky u CT a intervenční radiologie Veličiny a jednotky pro odhad rizika Efektivní dávka: Radiosensitivita (pro kancerogenezi, mutagenezi): tkáňový váhový faktor Staré veličiny a jednotky (dnes používané jen v USA) Ø 1Rad = 0.01Gy Ø 1 Rem = 0.01Sv Ø Faktor kvality = váhový faktor záření Ø Dávkový ekvivalent = faktor kvality x absorbovaná dávka Ø Roentgen (R): stará jednotka používaná jen pro záření rtg a gama ve vzduchu (expozice, definice viz učebnice) Dozimetry (čidla absorbované dávky) Obvykle jsou používány pro měření absorbovaných dávek u pacientů nebo zaměstnanaců. Efektivní dávky pak mohou být vypočteny z absorbovaných dávek. Dozimetry používané dnes v medicíně: a) Založené na termoluminiscenci, např. fluoridu lithného. Ionizující záření uvádí některé elektrony do stabilních excitovaných stavů, kde mají vyšší energii než ve stavu základním. Po zahřátí látky se elektrony vracejí do základního stavu, což je doprovázeno vyzářením viditelného světla. Intenzita tohoto světla je úměrná absorbované dávce. Všechny medicínské osobní dozimetry nošené jako odznaky jsou dnes tohoto typu. Mohou být vyráběny i jako prsteny pro měření absorbované dávky v prstech, například při práci s radiofarmaky v nukleární medicíně. Jsou kladeny i na kůži pacientů pro měření vstupních dávek. b) Založené na polovodičích: Ionizující záření způsobuje přeskoky elektronů z valenčních vrstev do vodivostního pásu u polovodičů (vnitřní fotoefekt) a zvyšuje takto jejich elektrickou vodivost. S polovodičovými dozimetry se příležitostně setkáváme jako s miniaturizovanými sondami, které se zavádějí do tělesných dutin. Měří přímo dávku absorbovanou pacientem. Dozimetry (čidla absorbované dávky) • Fotografické metody jsou založeny na schopnosti ionizujícího záření vyvolat zčernání fotografické emulze (filmu). Osobní dozimetry: Film je uvnitř plastového pouzdra a obvykle má fotografické emulze na obou stranách. Jedna emulze je citlivější („rychlá“), druhá méně citlivá („pomalá“). Pouzdro má okénka s různými filtry (hliník, cín, olovo a kadmium) pro určení druhu ionizujícího záření. Tyto dozimetry nosí lidé pracující v radiochemických laboratořích aj. Absorbovaná dávka je určována ze stupně zčernání filmu. • Metody založené na ionizaci plynu (ionizační komory) využívají schopnosti ionizujícího záření vytvářet podél své dráhy ionty. Přítomnost iontů zvyšuje elektrickou vodivost plynu. Vytvořený náboj je úměrný dávce, velikost proudu dávkové rychlosti. Ionty zanikají rekombinací a čidlo může být znovu použito. Počítače záření Ø Počítače záření jsou detektory záření, které detekují jednotlivé fotony nebo částice a tudíž je umožňují počítat. Ø Geiger-Müllerův počítač je založen na ionizaci plynu, ovšem hodnota napětí na elektrodách je taková, že dokonce i jednotlivý foton či částice ionizujícího záření vytváří dostatek iontů k tomu, aby mohla být detekována. Napětí mezi elektrodami je tak vysoké, že dokonce sekundární ionty mohou ionizovat neutrální molekuly a nastává tzv. multiplikace neboli lavinový efekt. „Lavina" iontů zasahujících jednu z elektrod je registrována jako krátký napěťový impuls. Počet impulsů udává počet fotonů nebo částic. Velikost impulsu však nezávisí na energii fotonu, a proto tento počítač nelze použít pro měření energie částic (jedná se o detektor záření, nikoliv o čidlo). Ø Scintilační počítače jsou optoelektronická zařízení (používaná například v gama kamerách), která jsou jak detektory, tak i čidly – měří jak počet jednotlivých fotonů či částic, tak i jejich energii. Geiger-Müllerův počítač Scintilační počítač Scintilační počítač se skládá ze scintilátoru, fotonásobiče a elektronické části – zdroje vysokého napětí a čítače impulsů. Scintilátor je látka, v níž dochází ke scintilaci (tvorbě malých záblesků viditelného světla) po absorpci energie ionizujícího záření. Světlo vzniká při deexcitačních a rekombinačních procesech. Nejúčinnějšími scintilátory jsou krystaly jodidu sodného aktivované stopami thalia. Scintilační počítač Scintilátor je uzavřen ve světlotěsném pouzdře. Jedna strana pouzdra je průhledná, takže vznikající fotony se mohou dostat do fotonásobiče, který měří světlo nízké intenzity. Fotony zasahují fotokatodu – velmi tenkou vrstvu kovu s nízkou vazebnou energií elektronů. Z katody vyražené elektrony jsou přitahovány a urychlovány nejbližší kladně nabitou elektrodou, první dynodou. Dynody vytvářejí kaskádu např. deseti elektrod. Při každém dopadu elektronů je v průměru vyraženo šest sekundárních elektronů. Tyto elektrony jsou přitahovány k další dynodě, kde se proces opakuje. Vznikající napěťové impulsy se počítají v elektronické části přístroje. Velikost impulsů je dána energií částic ionizujícího záření. Rizika spojená s ionizujícím zářením Správný pohled na rizika plynoucí z ionizujícího záření Rizika v nemocnici: z fyzikálních, chemických a biologických činitelů Fyzikální činitelé: mechanické, elektrické, magnetické, optické, ionizující záření Ionizující záření je jedno z nejméně rizikových Protože se však získávají miliony obrazů ročně, riziko se zvyšuje pro populaci jako celek. Určité riziko je spojeno s každým mSv, např. 50 případů výskytu rakoviny na milion vyšetřených na jeden mSv. Lékařské dávky záření rostou s nástupem ‘better safe than sorry’ medicíny a se snadností používání moderních zařízení (např. spirální CT ve srovnání s konvenčním CT, digitální radiografie ve srovnání se snímkováním na film). Proto EU vytvořila směrnici pro ochranu pacientů před zářením (97/43/EURATOM). Charakteristika biologických účinků Ø Akutní (účinek se projeví v krátkém čase, např. loupání pokožky po intervenční radiologii) nebo pozdní (účinek se projeví po delším čase, např. vznik nádoru) Ø Deterministické (existence prahové dávky, nulové riziko při dávce nižší, např. zákal oční čočky, poškození kůže, poškození mozku u plodu) nebo stochastické (žádný práh, riziko úměrné dávce, riziko není nikdy nulové, např. vznik nádorů, mutageneze) Účinky záření na buňky Ø Buňky se vyznačují největší radiosenzitivitou během mitózy (dělení buněk) Ø Účinky záření na buňky: – Smrt buňky před mitózou nebo po ní (není příliš důležité s výjimkou některých postupů s vysokými dávkami, kdy umírá příliš mnoho buněk, takže tkáň trpí – například v intervenční radiologii) – Opožděné nebo prodloužené mitózy – Abnormální mitózy následované opravami – Abnormální mitózy následované replikací – toto je zpravidla největší problém u zobrazovacích metod – mohou vést ke kancerogenezi a mutagenezi Deterministické účinky: Oči Účinky na kůži Těhotné ženy : Účinky na embryo a plod Ochrana embrya a plodu Ø Žena v plodném věku: ochrana možného embrya a plodu při rentgenovém snímkování oblasti od kolen až po bránici Ø Dotazovaní na těhotenství, těhotenský test, pravidlo 28 dnů Ø S výjimkou určitých procedur vyžadujících vysoké dávky může být snímkování prováděno normálně s určitými dodatečnými bezpečnostními opatřeními Radiosenzitivita buněk Ø Zákon Bergonié a Tribondeau: radiosenzitivita buněk je úměrná rychlosti dělení buněk (frekvenci mitóz) a nepřímo úměrná úrovni buněčné specializace (diferenciace). Ø Vysoká citlivost: kostní dřeň, spermatogonie, granulózní tkáň obklopující vajíčko Ø Střední citlivost: játra, štítná žláza, pojivová tkáň, cévní endotel Ø Nízká citlivost: nervové buňky (mozek je jednou z nejméně citlivých částí těla!!) Ø Čím je pacient mladší, tím jsou jeho tkáně radiosenzitivnější. Zvýšená obezřetnost v pediatrii (děti jsou 3x radiosenzitivnější než dospělí) Cílová anatomie/patologie a výsledná kvalita zobrazení Výsledné kvality zobrazení (image quality outcomes) Základní terminologie Ø Cílová anatomie / patologie: co chceme vidět na obraze, např. zlomeniny kostí, nádory atd. Ø Výsledná kvalita zobrazení cílů (Target Image Quality Outcomes): jaké kvality musíme mít u obrazu, abychom byli schopni vidět cílovou anatomii a patologii dostatečně zřetelně pro stanovení přesné diagnózy, např. ostré obrysy. Snímek dětského zápěstí Boční projekce hrudníku Mamografie Ukazatele výkonnosti, standardy výkonnosti a kvalita obrazu Ukazatele výkonnosti rentgenových přístrojů • Definice: Ukazatel výkonnosti přístroje je měřitelná fyzikální specifikace lékařského přístroje poskytující informaci o tom, jak je přístroj kvalitní. • Standardy výkonnosti lékařských přístrojů jsou doporučené hodnoty ukazatelů výkonnosti. Ø PROSTOROVÉ ROZLIŠENÍ (SR – spatial resolution) Ø ROZLIŠENÍ KONTRASTU (CR – contrast resolution) Ø POMĚR SIGNÁL – ŠUM (SNR – signal-to-noise ratio) Ø GEOMETRICKÁ PŘESNOST Ø UNIFORMITA Prostorové rozlišení (SR) Ø Položte testovací objekt pro SR na vyšetřovací stůl rentgenového přístroje a exponujte. Ø SR je maximální prostorová frekvence, která může být zřetelně viděna. Objekty s různou prostorovou frekvencí PROSTOROVÁ FREKVENCE (SF) = počet dvojic čar (lp) na 1 cm Rozlišení kontrastu (CR) Rozlišení kontrastu (CR) Šum Měření poměru signál/šum (SNR) Geometrická přesnost Stejnorodost (uniformita) Obecné poznámky • Vždy je nutno zvolit zařízení, jež má ukazatel výkonnosti, který nejlépe zviditelní studovanou anatomii/patologii. • Pokus o zlepšení jednoho ukazatele výkonnosti může vést ke zhoršení jiného, takže je nutná opatrnost a kontrola, který ukazatel výkonnosti je nejdůležitější. • Pokusy o zlepšení ukazatelů výkonnosti často vedou k vyšším pacientským dávkám (je nutné si položit otázku, zda zlepšený ukazatel výkonnosti je skutečně nutný pro zlepšení přesnosti diagnózy) • Protokoly musí být sestaveny tak, aby nedošlo ke zhoršení těchto ukazatelů výkonnosti. Pro vyšší prostorové rozlišení • Zařízení: – Rentgenka: použijte zařízení s nejmenším dostupným ohniskem – Radiografie s použitím filmu • Používejte jemnozrnné emulze/zesilovací folie • Požívejte tenké folie (zvyšují však pacientskou dávku) – Digitální radiografie: použijte digitální snímač s největším počtem pixelových senzorů na jednotku plochy • Protokol: – Využijte nejmenší ohnisko dostupné na vašem zařízení – Velká vzdálenost zdroje od pacienta – Malá vzdálenost pacienta od detektoru – v případě nutnosti použijte kompresi pacienta – Vyhýbejte se geometrickému zvětšení, je-li to možné – Minimalizujte vliv pohybů pacienta (použijte krátké expozice, imobilizujte pacienta, dejte mu řádné instrukce) – Používejte digitální zoom Pro vyšší rozlišení kontrastu • Zařízení: – Radiografie s použitím filmu • Používejte „tvrdé“ filmy (s vysokým gradientem šedi) and expose within the film latitude • Řádné vyvolání filmu (teplota, koncentrace vývojky, délka vyvolávání) – Digitální radiografie: používejte zařízení s analogově-digitálním převodníkem o vysokém rozlišení • Protokol: – Nízké napětí rentgenky – Minimalizujte dopad rozptýleného záření na detektor (minimalizuje velikost pole, tloušťku ozařované části těla, použijte Buckyho clonu, vzduchovou štěrbinu mezi pacientem a detektorem. – Digitální radiografie: použijte diagnostické okno (viz CT) Pro lepší poměr signál/šum (SNR) • Zařízení: – Filmová radiografie: použijte nízkošumový film – Digitální: používejte detektory s nízkým elektronickým šumem • Protokol: – SNR je úměrný druhé odmocnině počtu fotonů dopadajících na jednotku plochy detektoru. Proto čím vyšší je počet fotonů, tím je lepší SNR. Z toho důvodu používejte vyšší proud rentgenkou (vyšší žhavení katody) a méně citlivé detektory (obojí však vede k vyšším pacientským dávkám). Pro vyšší geometrickou přesnost • Zajistěte řádné centrování svazku, aby se omezilo zkreslení. • Zajistěte správné polohování pacienta (objekt zájmu by měl být rovnoběžný s detektorem) pro omezení zkreslení. • Výhodná je velká vzdálenost zdroje od pacienta a malá vzdálenost pacienta od detektoru – v případě nutnosti použijte kompresi pacienta, aby se zmenšilo geometrické zvětšení. Pro vyšší stejnorodost (uniformitu) • Zařízení: – Film: používejte filmy, zesilovací folie a kazety vysoké kvality, dobře udržovaná vyvolávací zařízení – Digitální: používejte vysoce kvalitní digitální snímače • Protokol: – Používání filtrů vykrývajících ty části těla, které nevyžadují vysokou intenzitu záření (např. plíce) – Využití „heel efektu“ – nestejnorodosti svazku vznikající v důsledku nesymetrického pohlcování záření v materiálu anody. (Ohnisko je těsně pod povrchem anody) Ujistěte se o nepřítomnosti artefaktů Optimalizace pacientských dávek v radiologii Ochrana pacientů před zářením Základní problémy Ø Každý snímek získaný pomocí ionizujícího záření s sebou nese riziko pro pacienta, a proto si musíme položit otázky: – Můžeme použít nějakou jinou metodu, která nezatěžuje pacienta ionizujícím zářením (např. ultrazvukem nebo MRI)? – Je daný snímek opravdu nutný? – použijme „kriteria následné péče“ (referral criteria). Ø Jakmile se rozhodneme pro získání snímku, pak: – Nejdůležitější je přesná diagnóza. – Přesná diagnóza vyžaduje obrazy s odpovídajícími kvalitami zobrazení – Aby bylo možno zlepšit kvality zobrazení, potřebujeme zlepšit ukazatele výkonnosti, což často vyžaduje vyšší pacientské dávky! Příklady „kriterií následné péče“ Etické principy ICRP Ø Princip zdůvodnitelnosti (Justification principle): Použijte zobrazení za pomoci ionizujícího záření jen tehdy, když prospěch pro pacienta (zlepšení zdravotního stavu) převažuje nad rizikem – řiďte se „kriterii následné péče“. Ø Princip omezení dávky: Kontrolujte pravidelně, zda dávky absorbované pacientem nepřekračují diagnostic reference level (DRL) dávek doporučených pro danou zvláštní studii – existují DRL definované na úrovni EU, většinou však jen na úrovni národní nebo dokonce místní. Ø Princip optimalizace: Aby bylo omezeno riziko pro pacienta, vyhýbejte se opakovanému snímkování a snižujte dávku na minimum nutné právě pro přesnou diagnózu, tedy ne tak, aby došlo ke ztrátě přesnosti diagnózy. Optimalizace pacientských dávek při rentgenovém vyšetření Za účelem této optimalizace: Ø Používejte zařízení pracující s nízkými dávkami. Ø Pracujte podle protokolů zajišťujících nízké dávky. Ø Ujistěte se, že postup spadá do vaší kompetence. Ø Provádějte pravidelnou kontrolu kvality zařízení, aby jste zamezili opakovanému snímkování (kontrola kvality = pravidelná kontrola ukazatelů výkonnosti, abyste se přesvědčili, že nedošlo k jejich zhoršení) Ø Provádějte pravidelnou analýzu vadných snímků (reject analysis) Ø Když je to nutné, nechte si poradit: využijte služeb experta (v ČR – radiologického fyzika). Používejte zařízení pracující s nízkými dávkami Ø Silnější stínítka (zhoršují však prostorové rozlišení) Ø Žádná Buckyho clona (zhoršuje se však rozlišení kontrastu, vyhýbejte se používání clony u dětí a malých dospělých – malé tělo – málo rozptýleného záření) Ø Používejte imobilizační pomůcky u dětí a starých osob. Ø Používejte DAPmetr pro monitorování dávek absorbovaných pacientem. Ø Používejte správné filtry (odstraňují fotony o velmi nízké energii, které jsou absorbovány již v kůži) Ø Požívejte zařízení pro automatickou expozici - Automatic Exposure Device (AED). Ukazatel výkonnosti pro dávku dodávanou přístrojem Používejte protokoly pro nízké dávky Ø Vymezte (kolimujte) svazek tak, aby bylo ozařováno co nejmenší pole (zlepšuje se tím i CR) Ø Chraňte radiosenzitivní orgány (gonády, prsy, oči, štítnou žlázu …): pomocí kolimace svazku, správného projekčního úhlu, použitím ochranných pomůcek jako např. zástěr z olovnaté gumy a chráničů gonád. Ø Používejte správnou projekci – pro snímky lebky a hrudníku je např. nejlepší projekce zadopřední. Ø Nízké napětí, nízké žhavení (avšak nižší rozlišení kontrastu) Ø Nikdy nepoužívejte vzdálenost zdroj-pokožka kratší než než 30 cm Ø Používejte kompresi pacienta, aby byl ozářen co nejmenší objem tkáně (zlepšuje prostorové i kontrastní rozlišení) Ø Řádně instruujte pacienty, aby se snímkování nemuselo zbytečně opakovat Pacientské dávky u CT Pacientské dávky u CT: současný stav Ø CT je procedura zatěžující pacienty vysokými dávkami Ø CT se neustále rychle rozvíjí Ø Četnost vyšetření CT rychle vzrůstá od 2 % ze všech radiologických vyšetřeních v některých zemích před deseti lety na 10-15 % nyní. Ø Celosvětově CT představuje 5% radiologických vyšetření avšak 34% celkové dávky! Proč zvýšená dávka? Ø Čím vyšší je dávka, tím je lepší kvalita obrazu. Ø Expoziční podmínky jsou často nastavovány stejně u dětí i u dospělých. Ø Projevuje se tendence zvětšování objemu tkáně zahrnutého do jednotlivého vyšetření Ø Moderní spirální CT značně usnadnilo objemové snímání bez mezer mezi vrstvami Ø Protože CT umožňuje automatickou korekci obrazu, používají se někdy nevhodné (zpravidla příliš velké) expozice pro útlejší části těla, respektive nízké expozice pro silnější části. Ø Mnozí radiologové věří, že moderní CT přístroje, které jsou velmi rychlé, zatěžují pacienty menší dávkou záření – krátké expozice však vyžadují vyšší intenzitu záření (hodnotu proudu procházejícího rentgenkou). Radiosenzitivní orgány vyžadující ochranu • U CT hrudníku je vysoká dávka záření v prsech • U CT mozku dostává vysokou dávku oční čočka • U CT mozku a hrudníku dostává vysokou dávku štítná žláza • U CT pánve dostávají vysokou dávku gonády Srovnání dávek u CT a konvenčního rentgenového vyšetření Přístroje CT s nízkou dávkou • Automatická modulace proudu procházejícího rentgenkou (při nestejné velikosti řezů tělem pacienta) • Rentgenka neobkružuje pacienty v úplném kruhu: stačí např. 270 stupňů u CT hlavy (vynechává se frontálních 90^o), což šetří oči. • Naklánění „gantry“ a tím i roviny řezu za účelem vyhnutí se velmi citlivým orgánům • Možnost zvláštního pracovního režimu pro děti a malé pacienty Nízkodávkové protokoly • Omezení snímaného objemu jen na to, co je nutné • Stínění povrchových orgánů jako je štítná žláza, prsy (k dispozici jsou speciální chrániče prsů), očí a gonád zejména u dětí a mladých dospělých. U CT hrudníku může dávka v prsech dosáhnout 30 – 50 mGy, i když se nejedná o cílovou anatomii. • Jestliže se zmenší tloušťka vrstvy (řezu, slice), aby bylo dosaženo vyššího axiálního (osového) prostorového rozlišení, pak je nutno zvýšit dávku. • Konvenční CT: omezení počtu řezů a zvýšení jejich odstupu. • Spirální CT: větší strmost „spirály“ omezuje dávku • Zvláštní protokoly pro pediatrické pacienty (např. s nižším proudem přes rentgenku) Měření dávek u CT Pacientské dávky v intervenční radiologii: okolnosti Jedná se o zdlouhavé, složité, obtížné a někdy opakované procedury, z čehož vyplývají prodloužené expoziční časy – mohou vést k vysokým pacientským dávkám. Pacient: Radiodermatitida Pacient: vážné poškození pokožky vysokými dávkami Technická opatření pro ochranu pacientů Ø Expozice: impulsní mód (nespojitá expozice) s proměnlivou frekvencí snímků 50, 25, 12.5, 6 za sekundu Ø Zobrazení dávky na displeji (celková délka skiaskopie, počet snímků, kumulativní DAP) Ø Minimalizovat: dobu skiaskopie, použití modu s vysokou kvalitou obrazu Ø Krátké přerušované expozice pomocí pedálového spínače Ø Dlouhé procedury: redukce dávky u ozařované kůže například zaměřením cíle pod jiným úhlem. Ø Minimální používání zoomu, který vede k vyšším pacientským dávkám Ø Je třeba mít na paměti, že dávkové rychlosti jsou vyšší a dávky se akumulují rychleji u velkých pacientů. Ø Zesilovač obrazu musí být co nejblíže k pacientovi. Ø Vždy kolimovat svazek co nejpřesněji jen na oblast zájmu. Autoři: Carmel J. Caruana, Vojtěch Mornstein