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Heft 2: Ionisierende Strahlung in der Medizin

PTB-Mitteilungen 2/2013

Ionisierende Strahlung in Diagnostik und Therapie

Ulrike Ankerhold

Ionisierende Strahlung ist nicht sichtbar und mit den menschlichen Sinnen nicht wahrnehmbar, so wie beispielsweise Gerüche oder Geräusche. Die Exposition mit ionisierender Strahlung kann gesundheitsschädlich sein und zu schweren Erkrankungen führen. Auf der anderen Seite ist die ionisierende Strahlung als Werkzeug in der Medizin heute nicht mehr wegzudenken. Richtig dosiert wird sie in der Diagnostik und Strahlentherapie zum Wohle des Patienten eingesetzt, entweder um Krankheiten zu erkennen und daraus Behandlungen ableiten zu können oder um gezielt Tumore abzutöten.

Metrologische Aspekte der Dosimetrie in der Röntgendiagnostik

Ludwig Büermann

Die in Deutschland im Jahre 2010 durch ionisierende Strahlung aus natürlichen und zivilisatorischen Quellen verursachte mittlere effektive Jahresdosis pro Person betrug 3,9 mSv. Fast die Hälfte davon, nämlich ca. 1,7 mSv, ist auf röntgendiagnostische Untersuchungen zurückzuführen [1]. Diese Zahlen verdeutlichen die große Bedeutung der Dosimetrie für die Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik und die daraus erwachsende Verpflichtung, eine ausreichende Bildqualität bei minimaler Dosis zu erreichen. Interessant sind auch die prozentualen Anteile verschiedener röntgendiagnostischer Untersuchungsarten und deren Anteile an der kollektiven effektiven Dosis, die in Bild 1 dargestellt sind. Die Kollektivdosis ist das Produkt aus der Anzahl der Personen der exponierten Bevölkerungsgruppe und der mittleren Pro-Kopf-Dosis. Einheit der Kollektivdosis ist das Personen-Sievert. Der Begriff der effektiven Dosis in der Röntgendiagnostik wird im Abschnitt 6 näher beschrieben.

Aktivitätsbestimmung von Radionukliden für Diagnostik und Therapie

Karsten Kossert

Der Einsatz von Radionukliden spielt in der Medizin eine wichtige Rolle und erfordert zuverlässige Aktivitätsbestimmungen. Die PTB stellt dazu Aktivitätsnormale bereit und bestimmt die Aktivität an eingereichten Quellen. Der Artikel beschreibt, wie Aktivitätsbestimmungen in der PTB erfolgen und auf welchen Wegen dies für die Nuklearmedizin genutzt werden kann. Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in der PTB werden ebenso beleuchtet wie die Bestimmung von Nukliddaten einiger für die Medizin relevanter Isotope.

Dosimetrie für die Brachytherapie

Ulrike Ankerhold, Thorsten Schneider

Die Brachytherapie (griechisch brachys = nah) ist eine Methode der Strahlentherapie, bei der eine oder mehrere kleine Strahlungsquellen, fast ausschließlich Radionukliquellen, sehr nahe, in Kontakt zum oder direkt in den Tumor plaziert werden. Die Brachytherapie geht auf das Jahr 1901 zurück. Schon kurz nach der Entdeckung der Radioaktivität durch Becquerel 1896 führte man radioaktive Quellen in einen Tumor ein und stellte fest, dass die Strahlung den Tumor schrumpfen ließ [1]. Im frühen 20. Jahrhundert wurden neue Anwendungstechniken mit Radium durch Danlos am Curie-Institut in Paris und durch Robert Abbe am Memorial Hospital in New York entwickelt [2][3]. Nach dem anfänglichen Interesse an der Brachytherapie in Europa und in den USA ging ihre Anwendung in der Mitte des 20. Jahrhunderts zurück. Grund war die manuelle Handhabung der Quellen und die damit verbundene Strahlenexposition für das medizinische Personal.

Kalorimetrische Bestimmung der Wasser-Energiedosis

Achim Krauss

Die Wasser-Energiedosis, DW, ist die grundlegende Messgröße in der Dosimetrie für die Strahlentherapie. Im klinischen Betrieb wird diese Messgröße üblicherweise mit Dosimetern, z. B. Ionisationskammern verschiedener Bauform oder Halbleiterdetektoren, bestimmt, die zur Anzeige der Wasser- Energiedosis unter Bezugsbedingungen in einem 10 cm × 10 cm ausgedehnten 60Co-Strahlungsfeld kalibriert sind. Die Kalibrierfaktoren dieser Detektoren sind dabei rückführbar auf die in der PTB betriebene Primärnormal-Messeinrichtung für die Darstellung der Einheit der Wasser-Energiedosis. Die Primärnormal-Messeinrichtung der PTB basiert auf der Verwendung eines Wasserkalorimeters. Das Kalorimeter ist in der Lage, die Wasser-Energiedosis bei 60Co-Strahlung unter Bezugsbedingungen mit einer kombinierten Standard-Messunsicherheit von 0,2 % zu bestimmen [1]. Im internationalen Vergleich der Primärnormale für die Wasserenergiedosis, die auf teils unterschiedlichen Messverfahren beruhen [2], nimmt das PTB-Wasserkalorimeter eine Spitzenstellung ein [3].

Dosimetrie mit Ionisationskammern in der externen Strahlentherapie

Ralf-Peter Kapsch

Die Grundlage für eine präzise Patientenbestrahlung in der externen Strahlentherapie ist die genaue Kenntnis der Dosis, die von der verwendeten Bestrahlungsvorrichtung – dabei handelt es sich in aller Regel um klinische Linearbeschleuniger – unter standardisierten Bedingungen (den sogenannten „Referenzbedingungen“) erzeugt wird. Konkret geht es bei dieser „Basisdosimetrie“ darum, die Wasser-Energiedosis an einem Punkt im Wasserphantom (das als Patientenersatz dient) zu bestimmen. Hierbei kommen ausschließlich Ionisationskammer-Dosimeter zum Einsatz, da mit diesen sehr kleine Unsicherheiten der Dosismessung erreicht werden können. Die genaue Vorgehensweise ist in sogenannten Dosimetrieprotokollen, wie z. B. der deutschen Norm DIN 6800-2 [1] oder dem von der IAEA herausgegebenen Protokoll TRS-398 [2] detailliert beschrieben. Im Folgenden werden die Grundzüge der Dosismessung mit Ionisationskammer-Dosimetern vorgestellt.

Dosimetrie für die externe Strahlentherapie: Dosimetrie mit Alanin

Mathias Anton

Alanin ist eine Aminosäure, die chemisch den Proteinbestandteilen in Körperzellen ähnelt und in kristalliner Form vorliegt. Ionisierende Strahlung erzeugt in diesen Kristallen freie Radikale, die stabil gebunden werden. Mit Hilfe eines Elektronen- Spin-Resonanz-Spektrometers (ESR) lässt sich die Anzahl der Radikale relativ bestimmen. Die Konzentration der Radikale, d. h. die Anzahl der Radikale pro Masse des bestrahlten Alanins, ist proportional zur absorbierten Dosis, was erklärt, wie man Alanin als Dosimeter nutzen kann, aber noch nicht, warum man dies tun sollte.

Bei modernen Strahlentherapieformen wie z. B. der sogenannten Intensitätsmodulierten Radiotherapie (IMRT) oder der Tomotherapie wird eine Dosisverteilung erzeugt, die sich mit dem Zielvolumen (etwa dem Tumorgewebe) räumlich möglichst genau überdecken soll. Eine solche Verteilung entsteht durch eine Überlagerung vieler Felder, die mit verschiedenen Querschnitts- Abmessungen und –formen sowie aus verschiedenen Richtungen eingestrahlt werden. Die einzelnen Felder sind z. T. sehr klein, insbesondere bei der Tomotherapie sind einzelne Felder nur 5 mm breit. Herkömmliche Dosismessgeräte wie Ionisationskammern werden in Feldern kalibriert, die deutlich größer sind, typischerweise 10 cm × 10 cm. Das Ansprechvermögen der Dosimeter kann sich für die kleinen Felder deutlich von seinem Wert unter Kalibrierbedingungen unterscheiden. Wünschenswert ist daher ein Dosimeter, dessen Ansprechvermögen möglichst wenig von der Strahlungsqualität abhängt (diese ändert sich mit der Feldgröße geringfügig), dessen Sonde möglichst klein ist und durch seine Materialeigenschaften die zu messende Dosisverteilung möglichst wenig beeinflus

Strahlenschutz in der Medizin

Peter Ambrosi

Die Verwendung radioaktiver Stoffe oder die Anwendung ionisierender Strahlung kann bei den damit verbundenen Tätigkeiten zu einer Exposition von Menschen führen. Die Aufgabe des Strahlenschutzes ist es, diese Exposition so gering wie möglich zu halten. Strahlenschutz in der Medizin hat drei verschiedene Gruppen von Adressaten: das Klinikpersonal, die Patienten und die helfenden Personen.

Das Klinikpersonal gehört, sofern Umgang mit ionisierender Strahlung vorgesehen ist, zu den beruflich strahlenexponierten Personen, da sie der Strahlung bei der Ausübung ihres Berufes ausgesetzt sein können. Typische Arbeitsbereiche in der Diagnostik sind die Anwendung von Röntgenstrahlung, das Röntgen, siehe Bild 1, oder von radioaktiven Stoffen, zum Beispiel in der Nuklearmedizin, siehe Bild 1 im Beitrag „Teilkörperdosimetrie für Photonen und Betastrahlung“. In der Therapie sind typische Arbeitsbereiche die Verwendung von Beschleunigern, zum Beispiel in der Strahlentherapie, oder die Behandlung mit radioaktiven Stoffen.

Messgeräte und Herausforderungen in der Strahlenschutzmesstechnik

Oliver Hupe

Ionisierende Strahlung kann, wie z. B. auch UVStrahlung, vom Menschen nicht direkt wahrgenommen werden. Sie kann jedoch durch Ausnutzen der ionisierenden Wirkung messtechnisch erfasst werden. Trifft ionisierende Strahlung auf Materie, so werden Ladungsträger erzeugt, die dann gemessen werden können. Diese Wirkung führte zur Entdeckung der Röntgenstrahlung durch Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1895. Hier sorgten diese unbekannten „X-Strahlen“ für die Schwärzung von Filmen, wie sie schon durch sichtbares Licht bekannt war. Im Folgenden werden kurz einige Detektoren zum Nachweis ionisierender Strahlung und ihre zugrundeliegenden Messprinzipien vorgestellt.

Messgrößen im Strahlenschutz

Peter Ambrosi, Oliver Hupe, H.-M. Kramer

Die physikalische Basis-Messgröße für den Strahlenschutz ist die Energiedosis, D. Sie ist definiert als das Verhältnis der „auf ein Massenelement übertragenen Energie“ und der „Masse des Massenelements“. Die exakte Definition findet sich in der Norm DIN 6814-3 [1], die auch weitere detailliertere Informationen enthält.

Die Einheit der Energiedosis ist Joule durch Kilogramm mit dem speziellen Namen „Gray“, benannt nach dem englischen Physiker Louis H. Gray (1905–1965). Es gilt: 1 Gy. = 1 J/

Amtliche Personendosimetrie für Medizin-Personal

Oliver Hupe

Die Überwachung der Einhaltung der durch die Röntgen- und Strahlenschutzverordnung vorgegebenen Dosisgrenzwerte wird durch die amtliche Personendosimetrie sichergestellt. Nach § 35 der Röntgenverordnung gilt nach Abs. 1: „An Personen, die sich aus anderen Gründen als zu ihrer ärztlichen oder zahnärztlichen Untersuchung oder Behandlung im Kontrollbereich aufhalten, ist unverzüglich die Körperdosis zu ermitteln…“. Nach Abs. 4 gilt weiter:“ Die Körperdosis ist durch Messung der Personendosis zu ermitteln. Die zuständige Behörde bestimmt Messstellen für die Messungen nach Satz 1….“. Amtliche Personendosimetrie bedeutet, dass die Dosimeter von einer Dosismessstelle ausgegeben und ausgewertet werden, die von der zuständigen Behörde bestimmt wurde.

Dosis für helfende Personen in der Human-, Zahn- und Tiermedizin

Oliver Hupe

Die Ermittlung der Körperdosis ist für Personen erforderlich, die sich in Kontrollbereichen aufhalten. Zu diesem Kreis gehören neben den beruflich strahlenexponierten Personen auch die helfenden Personen in der Human- und Zahnmedizin und auch Personen in der Tierheilkunde, die die Patienten bzw. Tiere während der Untersuchung beruhigen und halten. Deshalb wurde im Rahmen eines vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) und dem Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) geförderten Forschungsvorhabens [1] von der PTB die Dosis helfender Personen bei Röntgenuntersuchungen gemessen. In dem zugehörigen Abschlussbericht [1] können neben den hier auszugsweise aufgeführten Textpassagen weitere Details nachgelesen werden.

Teilkörperdosimetrie für Photonen und Betastrahlung

Rolf Behrens

Es gibt Arbeitsplätze, an denen die Strahlung den Körper eher ungleichmäßig trifft, d. h. das Strahlungsfeld ist inhomogen. Dieser Fall tritt zum einen dann auf, wenn das Personal relativ dicht am Entstehungsort der Strahlung tätig ist, zum anderen, wenn das Strahlungsfeld durch Blenden begrenzt ist. So kann es vorkommen, dass z. B. die Hände von Strahlung getroffen werden, der Rumpf aber nicht. In diesen Fällen wird die Strahlung nicht vom Ganzkörper-Dosimeter registriert. Dadurch ist es notwendig, separate Dosimeter sowohl an besonders der Strahlung ausgesetzten Stellen des Körpers als auch an besonders empfindlichen Stellen zu tragen.

Teilkörper-Dosimeter kommen häufig als Fingerring-Dosimeter zum Einsatz, siehe Bild 1, insbesondere dann, wenn sich hauptsächlich die Hände in einem (eingegrenzten) Strahlungsfeld befinden. Fingerring-Dosimeter dienen dazu, den Grenzwert für die lokale Haut-Äquivalentdosis, 500 mSv pro Jahr, zu überwachen. Ist er eingehalten, kann davon ausgegangen werden, dass die Bestrahlung der Haut nicht zu einem deterministischen Schaden führt, z. B. Rötung oder Bläschenbildung.

Elektronische Dosimeter für gepulste Strahlung

Oliver Hupe, Hayo Zutz, Peter Ambrosi

Neben den amtlichen Personendosimetern werden in der Strahlenschutzüberwachung vermehrt auch eichfähige, direkt ablesbare elektronische Dosimeter mit Alarmfunktion eingesetzt. Die Einsatzbereiche der Dosimeter hängen von den Arbeitsplätzen ab. Die überwiegende Zahl der etwa 350 000 beruflich strahlenexponierten Personen in Deutschland arbeitet in Bereichen, in denen mit Röntgenstrahlung umgegangen wird. In den vergangenen Jahren hat sich in Medizin, Industrie und Forschung ein Wandel von kontinuierlicher zu gepulster Röntgenstrahlung vollzogen.

Messung der Strahlung im Beschleuniger-Therapieraum

Hayo Zutz

In der Tumor-Strahlentherapie nimmt der Einsatz von modernen Linearbeschleunigern immer weiter zu. Die verwendeten hohen Photonenenergien bieten zahlreiche Vorteile für die Therapie, erfordern andererseits aber erhöhte Vorkehrungen für den Strahlenschutz.

Im Nutzstrahl der Beschleuniger liegen die Photonenenergien im Bereich von einigen Megaelektronenvolt. Dadurch ist zur Abschirmung sehr viel Material, also dicke Wände, mit möglichst hoher Dichte, z. B. Blei, erforderlich. Bei Auslegung der Therapieräume wird durch baulichen Strahlenschutz sichergestellt, dass eine Gefährdung von Personen außerhalb der Therapieräume ausgeschlossen ist.

Strahlenwirkung

Hans Rabus

Die Wirkung ionisierender Strahlung auf den menschlichen Organismus ist von grundlegender Bedeutung für den Strahlenschutz und die Strahlentherapie, wobei in beiden Bereichen das Krebsrisiko als Folge der Strahlenschädigung im gesunden Gewebe eine Rolle spielt, in der Strahlentherapie natürlich neben der erwünschten Abtötung des Krebsgewebes.

Strahlenwirkung auf Biomoleküle

Alexander Arndt, Woon Yong Baek

Die Untersuchungen bezüglich subzellulärer Radiosensitivität mit Hilfe des Mikro-Ionenstrahls und der gezielten Anlagerung von Radionukliden an verschiedenen Stellen der Zelle weisen darauf hin, dass DNS das kritische Target für die Strahlenschäden in biologischen Systemen darstellt. Ein großer Teil der strahleninduzierten mutagenen und letalen Effekte kann auf die strukturellen und chemischen Veränderungen der DNS wie beispielsweise Doppelstrangbrüche und Fragmentierung von Basen zurückgeführt werden.

Simulation der Strahlenwirkung auf biologische Objekte

Marion Bug, Heidi Nettelbeck

Biologische Strahlenwirkung wird hauptsächlich durch Energiedepositionen in Folge von Wechselwirkungen der Strahlung mit DNS-Molekülen initiiert. Anschließende chemische und biologische Prozesse in der geschädigten Zelle können zu einer Mutation (Karzinogenese) oder zum programmierten Zelltod (Apoptose) führen.

Um eine Strahlenwirkung auf biologische Objekte abzuschätzen, wird zunächst die Spurstruktur der relevanten Strahlungsart in Abschnitten der DNS simuliert (Bild 1). Bei Spurstruktursimulationen kommen Monte-Carlo-Verfahren zum Einsatz, welche per se die stochastische Natur der Wechselwirkungen von Strahlung mit Materie Schritt-für-Schritt nachbilden und eine numerische Lösung komplizierter Teilchentransportprobleme ermöglichen. Ein Teilchentransport in mikroskopischen Volumina, z. B. ein Abschnitt der DNS mit einer Größe von wenigen Nanometern, wird durch die Simulation jeder einzelnen Wechselwirkung ermöglicht.

Messung der Spurstruktur ionisierender Strahlung

Gerhard Hilgers

Für die biologischen und medizinischen Auswirkungen der Strahlenexposition spielt die stochastische Natur der Strahlungswechselwirkung insbesondere mit der DNS als dem Träger der genetischen Information eine entscheidende Rolle. Ziel des Arbeitsgebiets der Nanodosimetrie ist es, für die Konzepte zur Beschreibung der Strahlenwirkung eine metrologische Grundlage zu schaffen, die auf den physikalischen Charakteristika der mikroskopischen Struktur von Teilchenspuren ionisierender Strahlung beruht. Der Begriff Teilchenspurstruktur bezeichnet dabei die Abfolge der Wechselwirkungsorte eines primären Teilchens und aller seiner Sekundärteilchen unter Einbeziehung der Strahlungswirkung. Die Berücksichtigung der Teilchenspurstruktur ist insbesondere für Ionenstrahlen wichtig, bei denen aufgrund ihres hohen Ionisierungsvermögens die makroskopische Dosisverteilung im Wesentlichen längs der primären Teilchenbahn konzentriert ist.

Strahlenwirkung auf zellulärer Ebene

Ulrich Giesen

Bei der Anwendung von ionisierender Strahlung in der Medizin gibt es 2 Extreme für die gewünschten Strahlenwirkungen. Zum einem den hoch- Dosis Bereich in der Strahlentherapie, bei dem die Tumorzellen maximal geschädigt werden und abgetötet werden sollen. Und zum anderen den niedrig-Dosis Bereich in der Diagnostik mit Röntgenstrahlen und CT, bei dem im Idealfall keine Strahlenwirkung auf die Zellen gewünscht wird. Beide Extreme werden leider nicht vollständig erreicht. Die maximale Strahlendosis im Tumor wird durch die Nebenwirkungen im umliegenden und ebenfalls durchstrahlten Normalgewebe begrenzt. Durch geschickte Bestrahlungsmethoden und die Auswahl von unterschiedlichen Strahlenqualitäten, locker-ionisierende Gamma- oder Protonenstrahlung oder dichtionisierende Schwerionen- Strahlung, wird versucht die Wirkung im Tumor zu maximieren und im gesunden Gewebe zu minimieren. Es bleibt jedoch außerhalb vom Tumorgewebe ein Bereich mit niedriger Dosis.