Transcript Document
ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA JĄDROWEGO Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER Plan wykładu 1. Wprowadzenie 2. Podstawowe pojęcia 3. Zderzenie i rozproszenie 4. Przewodnictwo materii 5. Naturalne źródła promieniowania jonizującego 6. Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio 7. Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio 8. Źródła promieniowania jonizującego 9. Pole promieniowania jonizującego 10. Detekcja promieniowania 11. Skutki napromieniowania materii żywej 12. Dozymetria medyczna 13. Ochrona przed promieniowaniem 14. Osłony przed promieniowaniem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 2 DOZYMETRIA MEDYCZNA Biologiczny czas połowicznego zaniku • • • • • • Dokładny opis matematyczny czasowych zmian aktywności całego układu (wszystkich organów) jest niemożliwy Stosowane proste modele pozwalają w przybliżeniu opisać czasowe zmiany aktywności promieniotwórczych jąder atomowych znajdujących się w organizmie Cały układ tworzy zbiór n stabilnych podukładów, które pochłaniają wprowadzone promieniotwórcze jądra Pomiędzy podukładami zachodzi wymiana jąder promieniotwórczych Przekazywana przez t-ty podukład aktywność jest proporcjonalna do jego aktywności całkowitej Do układu wprowadza się jądra promieniotwórcze o stałej rozpadu l Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 4 Model n-podukładów • Zmiany aktywności w czasie dt każdego podukładu: n dA i lA i ki 0A i k jiA dt j 1 j kijA i Ai - całkowita aktywność i-tego podukładu, ki0- część aktywności i-tego podukładu wydalana na zewnątrz w czasie dt (tracona przez cały układ), kji - część aktywności i-tego podukładu pochodząca w czasie dt z podukładu j-tego, kij - część aktywności i-tego podukładu przekazywaną w czasie dt podukładowi j-temu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 5 Model n-podukładów • Zmiany aktywności w czasie dt każdego podukładu: n dA i lA i ki 0A i k jiA dt j 1 • • • • j kijA i zmniejszenie aktywności na skutek rozpadu jąder promieniotwórczych (wydalanie fizyczne) zmniejszenie aktywności na skutek wydalenia części jąder promieniotwórczych przez układ (wydalanie biologiczne) wkład pozostałych (n -1) podukładów do aktywności i-tego podukładu aktywność przekazana przez i -ty podukład pozostałym (n -1) podukładom Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 6 Model n-podukładów • aktywność właściwa Ci(t) w chwili t – aktywność Ai przypadającą na całkowitą masę i-tego podukładu: n A i (t ) exp(lt ) Bij F j (t )exp(x j t ) C i (t ) mi j 1 Fj cosA it p j sin A it ξi - dodatnia stała mającą charakter stałej rozpadu Bij- stała dodatnia, ujemna lub równa zeru pi - stała Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 7 Model n-podukładów • • w momencie t = 0 wprowadzamy do układu radioizotop o aktywności A0 aktywność właściwa dla 1-go podukładu: n A i (0) C 1 (0) B0 j mi j 1 • aktywność właściwa sumy pozostałych (2+3+...+n) podukładów n A i (0) C i (0) Bij 0 mi j 1 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 8 Model n-podukładów • • • • • po dostatecznie długim czasie proces wydalania promieniotwórczych jąder powinien być zakończony wyrazy z ujemnymi współczynnikami Bij są do zaniedbania praktycznie pozostaje – albo jeden wyraz z dodatnią wartością Bij i jednocześnie z małą wartością współczynnika x – albo wiele wyrazów z bardzo bliskimi, praktycznie nierozróżnialnymi wartościami x dla jednego wyrazu funkcja Fj(t) jest tożsamościowo równa jedności (składowa periodyczna, o ile istnieje, zanika i pozostaje jedynie wyraz wykładniczy) współczynnik x ma charakter stałej zaniku, związanej z wydzielaniem biologicznym Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 9 Model n-podukładów • dla dostatecznie długiego czasu t aktywność właściwa C i C i exp (l f lb )t C i exp(lef t ) λf - fizyczna stała rozpadu λb- biologiczna stała rozpadu λef- efektywna stała rozpadu • biologiczny czasu połowicznego zaniku i efektywny czas połowicznego zaniku ln 2 ln 2 Tb , Tef lb l f lb Tf Tb 1 1 1 lub Tef Tef Tf Tb Tf Tb Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 10 „Własności biologiczne” „Własności biologiczne” promieniotwórczych jąder atomowych jądro atomowe Tf [dni] Tb [dni] organ waga [g] % aktywności 3H 4400,0 19,0 całe ciało 70000 100 14C 2000000,0 35,0 180,0 tłuszcz kości 10000 7000 50 5 24Na 0,6 0,6 całe ciało 70000 95 32P 14,3 14,0 kości 7000 20 87,1 18,0 skóra 2000 8 42K 0,5 0,5 mięśnie 30000 70 45Ca 164,0 151,0 kości 7000 25 59Fe 46,3 27,0 krew 5400 80 60Co 1900,0 8,4 9,0 wątroba śledziona 1700 150 0,4 0,005 65Zn 250,0 21,0 kości 7000 2 76As 1,1 1,1 nerki 300 0,03 86Rb 18,6 7,8 mięśnie 30000 42 89Sr 53,0 52,0 kości 7000 25 131J 8,0 7,5 tarczyca 20 20 198Au 2,7 2,6 2,6 nerki wątroba 300 1700 2,4 1 35S Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 11 Proste modele . • model dzielący cały rozpatrywany układ biologiczny na n podukładów można w wielu zagadnieniach zastąpić przez modele proste • można rozpatrywać - albo tylko jeden układ - promieniotwórcze jądra atomowe są absorbowane jedynie w określonej części układu biologicznego - albo n podukładów, w których n jest liczbą niewielką Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 12 Model jednego układu • Model jednego układu można zastosować w przypadku np. wprowadzenia izotopu promieniotwórczego do krwi, a który następnie dzięki metabolizmowi osadza się w określonym organie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 13 Model jednego układu • Do podstawowego układu 1 o masie m1 wprowadzone są radioizotopy o aktywności A0 i aktywności właściwej C1 • Zmiana aktywności układu 1 zachodzi z szybkością k1: – na skutek wydalania z szybkością awk1 – na skutek trwałego przyswojenia w określonej części układu z o masie mz z szybkością azk1 A . 0 A 1, m1, C 1, k1 aw k1 A Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny w az k1 A z, mz, C z 14 Model jednego układu • Prędkość zmiany aktywności układu dA 1 (k1 l )A dt 1 • Prędkość zmian aktywności wydzielonej dA z a z k1A 1 lAz dt . • Prędkość zmian aktywności trwale przyswojonej dA w aw k1A 1 - lA dt Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny w 15 Model jednego układu A 0 az aw 1 C z (0) A w (0) 0 C 1 (0) C 0 • warunki początkowe m1 • czasowe zmiany aktywności właściwej układu 1 A C 1 (t ) C 0 exp[(l k1 )t ] 0 exp[(l k1 )t ] m1 • czasowe zmiany aktywności właściwej trwale przyswojonej m1 C z (t ) C 0 a z exp(lt )[1 exp(k1t )] mz A 0 1 a z exp(lt )[1 exp(k1t )] mz • czasowe zmiany aktywności wydalonej A w (t ) A 0 aw exp(lt )[1 exp(k1t )] Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 16 Model jednego układu A , C [jedn.um.] Czasowe zmiany 1 aktywności właściwej C1 i Cz aktywności wydalonej Aw Cz (az = 0,4; aw = 0,6; k1 = 0,69; l = 0,35; m1 = 2,5; mz=1) 0,1 C1 A . 0,01 0 2 w 4 6 8 10 12 T [jedn.um] • szybkość zanikania aktywności przyswojonej zależy głównie od stałej k1, czyli od wielkości stałej rozpadu biologicznego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 17 Model dwu układów • model dwu układów można zastosować gdy wprowadzony promieniotwórcze jądra atomowe w jednych organach rozprzestrzeniają się szybko a w innych odkładają wolno • np. w przypadku wprowadzenia izotopu promieniotwórczego do krwi, który następnie dzięki metabolizmowi osadza się szybko np. w tkance miękkiej i wolno np. w kościach . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 18 Model dwu układów . • do układu 1 o masie m1 wprowadzony jest radioizotop o aktywności A0 i aktywności właściwej C1. • Zmiana aktywności układu 1, zachodzi z szybkością k1 – na skutek wydalania z szybkością awk1, – na skutek trwałego przyswojenia przez część układu o masie mz z szybkością azk1 – na skutek przekazania z szybkością a1k1 pewnej aktywności do układu 2 o masie m2 – na skutek przekazania przez układ 2 pewnej aktywności z szybkością b1k2. • Układ 2 zmienia swoją aktywność na skutek wydalania z szybkością b2k2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 19 Model dwu układów A b1 k2 0 A 1, m1, C 1, k1 aw k1 A Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny w a2 k1 az k1 A 2, m2, C 2, k2 b2 k2 A z, mz, C z 20 Model dwu układów • prędkość zmiany aktywności układu 1 i układu 2 dA 1 b1k1 A 2 (k1 l )A 1 dt dA 2 a2k1 A 1 (k2 l )A 2 dt • warunki początkowe A 0 C 1 (0) C 0 m1 az aw a1 1 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny C 2 (0) C z (0) A w (0) 0 b1 b2 1 21 Model dwu układów • czasowe zmiany aktywności właściwej układu 1 i układu 2 k2 l A 0 k1 l C 1 (t ) exp(lt ) exp(l t ) exp[(l )t ] m1 A ak C 2 (t ) 0 1 1 exp(lt )exp(l t ) exp[(l )t ] m2 • czasowe zmiany aktywności właściwej trwale przyswojonej A 0 a w k1k 2 C z (t ) exp(lt ) mz l (l ) ( l )(k 2 l ) l (k1 l ) 1 exp(lt ) exp[(l )t ] k 2 k 2 k1 k 2 (k1 k 2 ) 2 4a1b1k1k 2 l 2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 22 Radiologia • radiologia - interdyscyplinarny dział fizyki medycznej zaliczany do fizyki stosowanej • zajmuje się zastosowaniem w medycynie promieniowania jonizującego • związek fizyki i medycyny datuje się czasów Odrodzenia • istotnym postępem było odkrycie promieni X oraz pierwiastków promieniotwórczych • do celów diagnostycznych, terapeutycznych i w badaniach naukowych medycyna wykorzystuje również wiele innych zjawisk fizycznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 23 Radiologia • do celów diagnostycznych promieniowanie jonizujące można wykorzystać do prześwietlania albo do badań atomami znaczonymi • prześwietlanie promieniami X wykorzystuje różną jego absorpcję różne organy, czasem z dodaniem tzw. kontrastów • badanie atomami znaczonymi polega na wprowadzaniu do ustroju określonego preparatu promieniotwórczego i śledzenie jego losów w organizmie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 24 Radiologia • w radiodiologii stosuje się pewne określenia, które są wynikiem kompromisu pomiędzy opisem fizycznym a biologiczno-medycznym • energia promieniowania jonizującego pochłonięta w tkankach ustroju, wywołuje szereg przemian fizykochemicznych, które prowadzą do powstania określonego efektu biologicznego • efekty te, nie do końca zbadane, mogą stanowić potencjalne zagrożenie dla życia • konieczne jest uwzględnienie specyficznych cech napromieniowanych tkanek – określenie maksymalnie dopuszczalnych dawek promieniowania dla różnych organów – stosowanie specjalnie opracowanych metod pomiarowych – realizacja procedury stosowania promieniowania jonizującego 25 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny Radiologia • w leczniczym stosowaniu promieniowania jonizującego napromieniowywany ośrodek stanowią tkanki ciała pacjenta • teleradioterapia - źródło promieniowania jest w pewnej odległości od obiektu napromieniowywanego • brachyradioterapia – źródło promieniowania jest w bliskim kontakcie z terenem leczonym • radioterapia śródtkankowa - źródło promieniowania jest umieszczone wewnątrz napromieniowywanej tkanki Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 26 Diagnostyka • w diagnostyce dawki uzyskiwane przez pacjenta muszą być z założenia minimalne • wykorzystuje się głównie promieniowanie X • metody pomiarowe - stosowane w laboratoriach ze zamkniętymi źródłami promieniowania • przy stosowaniu metody atomów znaczonych – wymagania jak dla laboratoriów izotopowych stosujących źródła otwarte o określonej aktywności Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 27 Diagnostyka • w badaniach diagnostycznych wiązka promieniowania przechodzi przez ciało a detektor znajduje się na zewnątrz • teoretyczna możliwość dokładnego wyznaczenia dawki pochłoniętej przez pacjenta źródło Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 28 Radioterapia • W radioterapii stosowane dawki są z założenia większe • Do wyznaczenia dawki w punkcie napromieniowania wykorzystuje się głównie badania modelowe • Dozymetria w radioterapii posługuje się szeregiem empirycznych określeń stosowanych przy planowaniu leczenia • Istnieją zalecane normy międzynarodowe • Niektóre normy są ogólne, niektóre dotyczą jedynie konkretnego urządzenia czy stosowanej metody • W planowaniu leczenia wykorzystuje się specjalistyczne programy komputerowe, które mogą sterować samym procesem napromieniowania • Dopuszczalne dawki dla różnych organów są przedmiotem licznych dyskusji. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 29 Radioterapia • w zastosowań terapeutycznych napromieniowany obszar znajduje się w ciele pacjenta • wiązka musi być odpowiednio skolimowana – zawsze istnieje półcień • określenie dawki w punkcie napromieniowania nie jest możliwe • do wyznaczenia dawki wykorzystuje się pomiary wykonywane na modelach (fantomach) źródło Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 30 Dopuszczalne dawki (Gy) w terapii 10 50 20 60 30 20 40 8 szpik 100 8 Wg. Agencji Atomowej, Wiedeń 1990 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 31 Zagrożenie promieniowaiem zewnetrznym (%) 0,03 0,12 0,15 0,25 0,03 kości 0,12 czerwone ciałka krwi reszta inne Wg. Agencji Atomowej, Wiedeń 1990 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 32 Fantom • fantom – model do badań wpływu promieniowania – materiał tkankopodobny o wymiarach zapewniających warunki pełnego rozproszenia wiązki promieniowania • fantom anatomiczny - fantom przypominający kształtem ciało ludzkie • materiał fantomowy – materiał w którym podobnie jak w określonej tkance ciała – promieniowanie jest pochłaniane i rozpraszane – efektywna liczba atomowa materiału w przybliżeniu taka sama – ma podobną gęstość Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 33 Fantom • materiałem fantomowym równoważnym tkance miękkiej jest woda – gęstość i efektywna liczba atomowa wody oraz tkanki miękkiej są prawie jednakowe • Woda jest też równoważnik dla całego ciała – w dozymetrii takie założenie jest bezpieczne • Inne materiały fantomowe – drewno prasowane – perspeks - odpowiednio spreparowaną parafinę – Mix – mieszanina 60,8 % wosku, 30,4 % polietylenu, 6,4 % tlenku magnezu i 2,4 % dwutlenku tytanu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 34 Fantom mózg czaszka kręgosłup ramię żebra płuca serce wątroba nerki jelito grube jelito cienkie miednica pęcherz 0 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 5 cm 35 Fantom • odpowiednik kości (efektywna liczba atomowa 13,8) – szkło – gips – aluminium • konieczność korekcji w stosunku do gęstości kości • odpowiednik tkanki płucnej (ma dużo pęcherzyków powietrza, ma mniejszą gęstością od tkanki miękkiej i absorbuje promieniowanie X lub w mniejszym stopniu) – korek Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 36 Fantom Średnie liczby atomowe dla promieniowania dla materiałów biologicznych ciało powietrze woda mięśnie kości tłuszcz podskórny Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny gęstość liczba Z [g/cm3] elektronów dla efektu [1023/g] fotoelektry cznego 0,00129 3,03 7,64 1,00 3,34 7,42 1,00 3,34 7,42 1,85 3,00 13,8 0,91 3,38 5,92 Z dla efektu Comptona 7,36 6,60 6,60 10,0 5,2 37 Metoda atomów znaczonych • dla danego pierwiastka izotopy promieniotwórcze nie różnią się w sposób istotny pod względem chemicznym od izotopów stabilnych • izotopy promieniotwórcze – są łatwo wykrywalne dzięki emitowanemu przez nie promieniowaniu – tworzą takie same rodzaje wiązań jak izotopy stabilne – kinetyka reakcji chemicznych jest na ogół jednakowa • zamiana w biocząsteczce izotopu stabilnego izotopem promieniotwórczym pozwala śledzić jej przemiany metaboliczne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 38 Metoda atomów znaczonych • współczesne metody detekcji pozwalają wykrywać promieniowanie emitowane przez pojedyncze atomy promieniotwórcze – znikoma ilość cząsteczek znakowanych nie zakłóca normalnego przebiegu np. procesów fizjologicznych – znikome natężenie promieniowania nie powinno wpływać ujemnie na strukturę i funkcje komórek Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 39 Metoda rozcieńczenia izotopowego • pozwala na wyznaczenie objętości lub stężenia składnika mieszaniny • stosowana gdy bezpośredni pomiar nieznanej objętości jest niemożliwy, np. – objętości krwinek czerwonych – objętości krwi – całkowitej zawartości niektórych biologicznie ważnych pierwiastków, np. potasu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 40 Autoradiografia • wykorzystuje zaczernienie emulsji fotograficznej pod wpływem promieniowania emitowanego przez pierwiastki promieniotwórcze • wykrywanie izotopów promieniotwórczych w cienkich warstwach tkanek • pozwala to na lokalizację izotopu w tkance lub komórce • umożliwia wyznaczenie ilości izotopu w próbce Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 41 Metody klirensowe • metoda klirensowa - szybkie, dynamiczne badania izotopowe • umożliwia pomiar ważnych procesów fizjologicznyc głównie przepływ krwi i ukrwienia narządów – przepływ mózgowy – przepływ sercowy • badania klirensowe za pomocą kamery scyntylacyjnej o dużym polu widzenia współpracującej z komputerem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 42 Żródła promieniowania • Źródła izotopowe - najczęściej urządzenia typu „Gammacell” – mała pojemność komór radiacyjnych – duża przestrzeń pola napromieniania • promieniowanie z promieniotwórczego izotopu 60Co – stosunkowo długi czas zaniku (T1/2 = 5,27 lat) – wysoka energia kwantów (średnio 1,25 MeV) • promieniowania z promieniotwórczego izotopu 137Cs – długi czasie zaniku (T1/2 = 30 lat) – mniejsza energia kwantów (0,661 MeV) • aktywności stosowane w źródłach izotopowych sięgają setek terabekereli (TBq). Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 43 Gammacel (Aparat ALSYON) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 44 Żródła promieniowania • Reaktor jądrowy jako źródło promieniowania – prawdopodobieństwo aktywacji napromieniowanego materiału neutronami z reaktora • Stosuje się pętle radiacyjne – źródłem promieniowania jest radioizotop aktywowany w reaktorze – po aktywacji kierowany do pomieszczenia napromieniowania – po napromieniowaniu wraca do reaktora źródło poczta pneumatyczna reaktor Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 45 Żródła promieniowania • przyspieszacze liniowe wielkiej częstości • zaleta - możliwość pracy ciągłej bądź impulsowej - zmiany energii i natężenia strumienia cząstek • zakres energii elektronów od 4 MeV do 50 MeV • do wytwarzania promieniowania X stosuje się przyspieszacze niskoenergetyczne (od 4 MeV do 6 MeV) • przyspieszacze o większym zakresie energii - można wprowadzić zarówno wiązkę promieniowania X jak i wiązkę elektronów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 46 Przyspieszacz liniowy VARIAN Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 47 Przestrzenny rozkład promieniowania • Wiązka promieniowania (X, , elektrony) w urządzeniach terapeutycznych jest rozciągła – do jej ograniczenia stosuje się układy kolimatorów • pole wiązki – przekrój wiązki prostopadły do osi wiązki – określa dwuwymiarowe parametry wiązki – ma zwykle kształt prostokątny o wymiarach zależnych od odległości od źródła promieniowania • napromieniowany obiekt jest trójwymiarowy – konieczna znajomość przestrzennego rozkładu dawki w wiązce Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 48 Pomiar dawki • bezpośredni pomiar dawki w miejscu napromieniowania nie jest możliwy – wszelkie pomiary wykonuje się na fantomie – trzeba uwzględnić szereg dodatkowych zjawisk • rozproszenie promieniowania wynikające z istnienia kolimacji • rozproszenie na granicy powietrze ciało • niejednorodność napromieniowywanego ciała • stosowane określenia uwzględniają parametry fizyczne (rozciągłość źródła promieniowania, rozproszenie, możliwości pomiaru,...) oraz złożony proces oddziaływania promieniowania z materią biologiczną Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 49 Rozproszenie wsteczne • współczynnik rozproszenia wstecznego WRW (BSF- back scatter factor) promieniowania X lub promieniowania stosunek mocy dawki dla określonego pola promieniowania zmierzonej na powierzchni fantomu i mocy dawki zmierzonej w tym samym miejscu w powietrzu po usunięciu fantomu • dla promieniowania ze źródła 60Co pomiar mocy dawki wykonuje się standardowo na głębokości 0,5 cm • WRW zależy zarówno od energii kwantów jak i od wielkości powierzchni pola promieniowania, która maleje w miarę wzrostu energii kwantów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 50 Rozproszenie wsteczne WRW 1,5 1,4 d1/2(Cu) = 1 mm 2 mm 1,3 4 mm 1,2 1,1 1,0 0 100 200 300 400 2 S [cm ] Zależność WRW od powierzchni S kwadratowego pola wiązki dla promieniowania X o warstwie połówkowej 1 - 4 mmCu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 51 Procentowa dawka na głębokości • w wyniku oddziaływania kwantu promieniowania z materią (niezależnie od rodzaju procesu) powstaje elektron o energii zależnej od energii kwantu i procesu, w którym powstał – jonizacja wywołana przez elektron jest największa na końcu zasięgu • W napromieniowanej materii istnieje maksimum jonizacji na pewnej głębokości – maksimum jonizacji jest rozmyte • powstające elektrony mają różne energie nawet dla promieniowania monoenergetycznego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 52 Procentowa dawka na głębokości • dawka promieniowania jest największa na pewnej głębokości • głębokość maksymalnej wartości dawki zależy – od energii kwantów promieniowania – od wielkości napromieniowywanego pola na jego powierzchni • procentowa dawka na głębokości PDD (procentage depth dose) - stosunek mocy dawki w osi wiązki w fantomie na danej głębokości do mocy dawki w osi wiązki na głębokości maksymalnej mocy dawki • ze wzrostem energii promieniowania – rośnie procentowa dawka na danej głębokości – większa jest głębokość maksymalnej mocy dawki – większy jest udział promieniowania rozproszonego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 53 Metody napromieniowania • izocentrum - zlokalizowanie wiązki z określonym miejscu napromieniowywanego ciała • metoda SSD (source surface distance) – napromieniowanie izocentrum wiązką promieniowania z nieruchomego źródła • metoda SAD (source axis distance) – źródło porusza się ruchem wahadłowym po luku dokoła izocentrum Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 54 Metody napromieniowania źródło wiązka napromieniowane ciało SSD Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny SAD 55 Półcień • odpowiednie pole wiązki promieniowania uzyskuje się przy użyciu kolimatorów • na brzegach wyciętej przez kolimator wiązki występuje bardziej lub mniej ostry spadek mocy dawki – półcień • rozkład promieniowania w obszarze półcienia jest trudny do określenia • obszar półcienia wiązki powinien być jak najmniejszy • całkowite wyeliminowanie półcienia nie jest możliwe Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 56 Półcień • na wielkość półcienia wpływa – geometria • wymiar źródła promieniowania • położenie przesłon) – rozproszenie promieniowania na przesłonach – przenikanie promieniowania przez materiał przesłony – rozproszenie w napromieniowanej materii –… Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 57 Półcień półcień Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 58 Izodozy • izodozy – linie wyznaczające przestrzenny rozkład mocy dawki poza osią wiązki • izodozy dla celów terapeutycznych określają stosunek mocy dawki w całej wiązce promieniowania do mocy dawki w ustalonym punkcie na osi wiązki • za 100 % przyjmuje się (najczęściej) maksymalną wartość mocy dawki w osi wiązki • pomiary - w fantomie wodnym Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 59 Fantom wodny Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 60 Izodozy cm 0 6 4 2 0 2 4 6 4 2 0 2 4 80 60 80 4 2 0 2 4 cm 100 60 10 40 80 40 20 60 10 20 20 40 (a) (b) (c) a) promieniowanie X (filtr 1,5 mm Cu), b) promieniowanie 60Co, c) promieniowania X z liniowego przyspieszacza elektronów 23 MeV Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 61 Filtr klinowy • filtry klinowe – stosuje się dla wiązek promieniowania o energiach większych od 1 MeV – dla małych energii promieniowania nie jest celowe • duże boczne i wsteczne rozproszenie promieniowania – są ciężkie i mają ograniczone możliwości doboru kątów oraz rozmiarów napromieniowanych pól – powodują powstanie wtórnych elektronów oraz rozproszonego promieniowania X – przez pochłanianie części promieniowania procentowa dawka na głębokości może różnić się od procentowej dawki dla pola nie objętego filtrem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 62 Filtr klinowy klin 100 10 cm 80 cm 60 cm 40 cm 20 cm • Kąt filtra klinowego dobiera się aby określona izodoza (np. izodoza 50 %) miała żądane nachylenie w stosunku do normalnej do osi wiązki Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 63 Filtr klinowy • w nowszej generacji liniowych przyspieszaczy elektronów ruch pojedynczych części przesłon sterowany jest za pomocą komputera – możliwe jest stosowanie dynamicznych filtrów klinowych • odpowiedni program może zmieniać w sposób kontrolowany pole podczas napromieniowywania Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 64 Pomiar dawki ekspozycyjnej • pomiar dawki ekspozycyjnej wewnątrz napromieniowywanego ciała za pomocą bezpośredniego pomiaru jest praktycznie niemożliwe • dawkę określa się pośrednio na podstawie pomiaru mocy dawki w fantomie wodnym lub stałym • pomiar mocy dawki w fantomie dla promieniowania X i w ściśle określonych warunkach określa tzw. wydajność aparatu terapeutycznego • standardowe wymiary fantomu do pomiaru wydajności powinny wynosić (303020) cm3 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 65 Standardowy fantom źródło ZS g Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 66 Pomiar dawki ekspozycyjnej • dla metody SSD – odległość źródło – powierzchnia fantomu 80 lub 100 cm – pole napromieniowania 1010 cm2 określone na powierzchni fantomu – głębokość kanału sondy 5 cm (dla 60Co i fotonów 9 - 10 MeV) – czas pomiaru 200-300 jm (jednostek monitorowych) lub 1 min (w zależności od aparatu) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 67 Pomiar dawki ekspozycyjnej • dla metody SAD – odległość źródło – izocentrum 80cm lub 100 cm – pole napromieniowania 1010 cm2 określonego w izocentrum – głębokość kanału sondy 5 cm (dla 60Co i fotonów 9 - 10 MeV) – czas pomiaru 200-300 jm lub 1 min (w zależność od aparatu) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 68 Moc dawki pochłoniętej • moc dawki pochłoniętej Gy 1013,25 T K D C pT D f k x C pT p 293,15 hPa t jm D – zmierzona wartość dawki ekspozycyjnej, t – czas, f – współczynnik konwersji dawki ekspozycyjnej na pochłoniętą, kx – współczynnik kalibracji użytego detektora, CpT – współczynnik uwzględniający wpływ temperatury i ciśnienia atmosferycznego, p - ciśnienie atmosferyczne, T – temperatura • moc dawki pochłoniętej jest dawką standardową DST – podstawa do obliczania • czasu napromieniowania • dawki w dowolnym punkcie obszaru napromieniowanego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 69 Moc dawki w fantomie • moc dawki w fantomie w osi wiązki na głębokości g dla pola napromieniowania S na powierzchni fantomu q( S ) D D ( g , S ) ST D% ( g , S ) D max (S ) D% ( g , S ) D% (d , S ) q(S) - współczynnik pola promieniowania S na powierzchni fantomu wyznaczony dla kwadratu równoważnego, D(g,S) i D(S) - odpowiednio procentową dawkę na głębokości g oraz na głębokości d = 5 cm dla wiązki o przekroju S na powierzchni fantomu przy ustalonej odległości źródła od napromienianej powierzchni, D max (S ) - moc dawki na głębokości maksymalnej dawki (100%) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 70 Czas napromieniowania • określoną dawkę otrzymuje się po określonym czasie napromieniowania – czas podawany jest zwykle w jednostkach mnitorowych • czas napromieniowania zależy od wielu czynników, głównie od konstrukcji źródła promieniowania • istotne parametry urządzenia podawane są przez producenta w postaci odpowiednich współczynników lub programów komputerowych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 71