Mitä säteily on? Ajankohtaista säteilyn riskeistä ja teknologiasta. Suomalaisen säteilyannos. Atomi, molekyyli ja ionisaatio

Transkriptio

1 Mitä säteily on? Ionisoiva säteily voi olla sähkömagneettista säteilyä (esim. röntgensäteily) tai hiukkassäteilyä Toni Ihalainen Ajankohtaista säteilyn riskeistä ja teknologiasta Atomi, molekyyli ja ionisaatio Suomalaisen säteilyannos Atomi muodostuu positiivisesti varatusta ytimestä ja ympäröivistä negatiivisista elektroneista. Perustilassa atomi on sähköisesti neutraali. Atomit liittyvät toisiinsa kovalenttisidoksilla ja muodostavat molekyylin. Ionisoivan säteilyn energia riittää irrottamaan atomista elektronin, jolloin atomi muuttuu sähköisesti varaukselliseksi. Ionisaatio tekee usein atomista alttiimman kemiallisille reaktioille. Ionisoiva säteily voi myös rikkoa molekyyleja. Säteilytilanne Vihdissä tänään: 0,14 μsv/h Eri säteilylähteiden osuus suomalaisen säteilyannoksesta Sisäilman radon Luonnon radioaktiivisuus kehossa Ulkoinen säteily maaperästä Kosminen säteily avaruudesta Lääketieteelliset röntgentutkimukset Lääketieteelliset radioisotooppitutkimukset Ydinasekokeet ja Tshernobyllaskeuma Suomalaisen säteilyannos on noin 3,7 msv vuodessa. Siitä 0,45 msv aiheutuu säteilyn lääketieteellisestä käytöstä. Röntgensäteily lääketieteessä Röntgensäteilyn ominaisuudet Röntgenputken avulla tuotettua sähkömagneettista säteilyä, joka koostuu valon nopeudella etenevistä fotoneista ja jonka energia riittää tunkeutumaan ihmiskehon läpi aiheuttamaan molekyylivaurioita Tuotetaan sähköisesti Ei voi havaita ihmisaistein Etenee valon nopeudella Energia riittää irrottamaan atomeista elektroneja (so. aiheuttamaan ionisaation), johon perustuvat röntgensäteilyn biologiset vaikutukset röntgensäteilyn mittaaminen Energia riittää tunkeutumaan ihmisen läpi Röntgensäteily vaimenee puoleen 5 cm kudosta (vettä) tai 0.5 cm betonia tai 0.01 cm lyijyä 100% POTILAS 3% Kuvailmaisin

2 Säteilyannoksen määritelmiä Elinten ja kudosten säteilyherkkyys Säteilylajin biologista riskiä kuvaava painokerroin Elinkohtaiset painokertoimet Absorboitunut annos D [Gy] Ekvivalenttiannos H [Sv] Efektiivinen annos E [Sv] Voidaan mitata (ei kuitenkaan yleensä in vivo) Voidaan laskea, jos D mitattu ja säteilylaji tunnettu Voidaan laskea, jos H tunnettu kaikkialla ja kudoskohtaiset painokertoimet tiedossa J/kg 0,12 0,12x 0,05 0,02 Mihin efektiivinen annos soveltuu? Mihin efektiivinen annos ei sovellu? Tiettyjen röntgentutkimusten aiheuttamien biologisten säteilyannosten vertailuun Muista säteilylähteistä saatujen säteilyannosten ja röntgentutkimusannosten vertailuun Yksittäiselle potilaalle efektiivistä annosta ei voi määrittää Suorat syöpäriskiarviot efektiivisen annoksen perusteella eivät ole suositeltavia Eri ikäryhmien (esim. lapset, aikuiset, vanhukset) tai sukupuolten välisiä eroja on vaikea vertailla ilman lisäoletuksia Röntgendiagnostiikassa lisäepävarmuutta aiheuttaa elinten osittainen tai epätasainen altistuminen säteilylle Lääketieteellisen säteilyn käytön aiheuttaman säteilyannoksen jakautuminen Röntgentutkimusmäärät Suomessa 2011 Säteilyn lääketieteellisestä käytöstä aiheutuu suomalaiselle keskimäärin 0,45 msv säteilyannos vuodessa Siitä 58% aiheutuu tietokonetomografiasta Yhdysvalloissa kansalaisille aiheutuu säteilyn lääketieteellisestä käytöstä keskimäärin 3 msv säteilyannos vuodessa. 3,6 miljoonaa röntgentutkimusta (3,9 miljoonaa vuonna 2008) jossa ei mukana turvallisuusluvan ulkopuolisten laitteiden hammasröntgenkuvauksia (1,4 miljoonaa) tavanomaisia natiiviröntgentutkimuksia sekä varjoainetutkimuksia 89% TT-tutkimuksia 9% Lasten tutkimuksia (0-16v.) on ollut 7,6% kaikista tutkimuksista Suomen tutkimusmäärät henkeä kohden laskettuna ovat lähellä kehittyneiden maiden keskiarvoa TT-tutkimusten määrän kasvu näyttää taittuneen

3 Röntgentutkimusten säteilyannoksia Annosvastaavuus Annosvastaavuus Efektiivinen Tutkimus PA-keuhkokuvina altistumisaikana annos (msv) (kpl) taustasäteilylle Röntgentutkimusten säteilyannosten vertailua Natiivitutkimukset Raaja, esim. polvi 0,01 0,3 1 päivä Keuhko (PA-kuva) 0, päivää Lanneranka 2, kuukautta Vatsa (natiivi) 2, kuukautta Efektiivinen annos (msv) Tietokonetomografiat Pää 1, kuukautta Lanneranka 5, ,5 vuotta Vatsa vuotta ,4 0,03 Vatsan TT Luonnonsäteily vuodessa Ls-rangan natiivikuvaus Keuhkojen natiivikuvaus (AP+LAT), nykylaitteet (PA+LAT), nykylaitteet Eri tutkimusten osuus kaikkien kuvantamistutkimusten aiheuttamasta säteilyannoksesta (Yhdysvallat) Sydänlihasperfuusion gammakuvaus: 22,1% Vatsan TT: 18,3% Lantion TT: 12,2% Rintakehän TT: 7,5% Mammografia: 3,1% Keuhkojen röntgenkuvaus: 0,7% Keskimääräinen kuvantamisen aiheuttama säteilyannos henkeä kohden oli tässä aineistossa 2,4 msv vuodessa. Fazel et al: Exposure to Low-dose Ionizing Radiation from Medical Imaging Procedures. N Engl J Med 361;9, Aug 27, Säteilyn haittavaikutukset solutasolla Säteilyvaurion perimmäinen syy on DNA-molekyylin vaurioitumisessa Kaksi vaikutusmekanismia: Suorat osumat DNA-molekyyliin Osumat vesimolekyyleihin, jotka hajoavat vapaiksi radikaaleiksi, jotka puolestaan voivat vaurioittaa DNA-molekyyleja kemiallisten reaktioiden kautta DNA-vaurioiden seurauksia: Perimän vaurioituminen Solun muuttuminen syöpäsolun esiasteeksi Solukuolema Jakautumiskyvyn menetys Vaurion korjaus ja normaalin toiminnan jatkuminen Väärin korjautunut kaksoisjuoste voi periytyä jälkeläissoluille, tai jälkeläisille, jos vaurio on sukusoluissa Säteilyn haittavaikutusten tutkiminen on vaikeaa Suurille annoksille altistuneita tutkittavia on vähän tarjolla Hiroshima ja Nagasaki Tshernobyl Lääketieteellisen säteilyn käytön aineistot Pienten säteilyannosten tapauksessa säteilyn haittavaikutuksia on vaikea erottaa muista lähteistä aiheutuneista haittavaikutuksista Säteilyn terveysvaikutusten kaksi luokkaa Suorat (deterministiset) vaikutukset Liittyvät suuriin kerta-annoksiin Johtuvat suuresta solukuolemien määrästä Vaikutuksilla on tietyt kynnysarvot Vaurion vakavuus kasvaa säteilyannoksen kasvaessa Ihon punoitus (>2Gy), ihovaurio, hiustenlähtö, säteilysairaus, kuolema (>8Gy) Satunnaiset (stokastiset) vaikutukset Ei kynnysarvoa, vaan vaikutuksen toteutumisen riski kasvaa säteilyannoksen kasvaessa Lineaarinen malli vakioannos kasvattaa riskiä aina saman verran Toteutuessaankaan haittaa ei voi liittää tiettyyn altistukseen Syöpäriskin kasvu, vaikutukset perimään

4 Satunnaiset vaikutukset Yksilön ja väestön riski On otettava huomioon pienillekin säteilyannoksille altistavissa tutkimuksissa tai toimenpiteissä Vaikutusten arvioinnissa käytetään lineaarista kynnysarvotonta mallia (ns. LNT-malli) Tarkasteltaessa yksilöä suurehkonkin annoksen aiheuttama syöpäriskin kasvu on pieni; deterministisiltä vaikutuksilta suojaaminen/suojautuminen on tietenkin olennaisen tärkeää Tarkasteltaessa väestöä on tärkeää ottaa huomioon stokastiset vaikutukset, sillä vaikka yksittäisen henkilön annos olisi pienikin, aiheuttaa se vaikutuksia laskennallisesti tietylle määrälle henkilöitä, jos altistus kohdistuu suureen populaatioon Syöpäriski Edellä mainittua optimointiongelmaa joudutaan pohtimaan mm. lääketieteellisessä kuvantamisessa, jossa käyttämällä suurempaa säteilyannosta voidaan tyypillisesti saavuttaa parempi kuvanlaatu Säteilyannos STUK Röntgentutkimusten säteilyriskien arviointi Säteilyn haittavaikutukset lapsilla Säteilystä aiheutuneen syöpäkuoleman riskin on arvioitu olevan 5% sievertiä kohden Edellä mainittu pätee suurilla säteilyannoksilla; sen sijaan pienillä säteilyannoksilla ei ole saatu tilastollisesti pätevää näyttöä Arvioon liittyy siten merkittäviä epävarmuuksia eikä yksilön riskiä voi arvioida näiden yksinkertaistusten perusteella Lapsuuden säteilyaltistukset suurentavat syövän suhteellista riskiä enemmän kuin aikuisiän altistukset Varhaislapsuudessa tapahtuneen altistuksen aiheuttaman syöpäriskin on arvioitu olevan korkeintaan kolminkertainen koko väestön riskiin verrattuna Kilpirauhassyöpä on esimerkki syöpätyypistä, jonka riskiä nimenomaan lapsena saatu säteilyaltistus kasvattaa Säteilyn vaikutukset alkioon ja sikiöön Uutta tietoa säteilyn terveysvaikutuksista Jos raskaana olevalle naiselle tehdään keuhkojen röntgenkuvaus, sikiön annos on alle 0,01 mgy, mutta lantion TT-tutkimuksen tapauksessa se on 25 mgy. Ennen alkion kiinnittymistä suuri säteilyannos voi aiheuttaa alkion kuoleman. Alle 100 mgy:n annoksilla tällainen vaikutus on hyvin harvinainen. Epämuodostumien riskiä ei selvästi alle 100 mgy:n annoksilla käytännössä ole Keskushermostovaurio on mahdollinen 8-15 viikkoa hedelmöityksen jälkeen, alle 100 mgy annoksilla vaikutuksilla ei käytännön merkitystä Sikiön altistuessa säteilylle syöpäriskin on arvioitu olevan samaa luokkaa kuin varhaislapsuudessa tapahtuneessa altistuksessa Sikiö saa raskausaikana 1 mgy annoksen luonnonsäteilystä Säteilyn vaikutus sydän- ja verisuonitauteihin Säteilyn vaikutus silmän linssiin

5 Säteilyn vaikutus sydän- ja verisuonitauteihin Säteilyn vaikutus sydän- ja verisuonitauteihin Viitteitä suurten säteilyannosten aiheuttamasta kohonneesta sydän- ja verisuonitautikuolleisuudesta on saatu jo aiemmissa tutkimuksissa Nyt julkaistu tutkimus on laajin toistaiseksi aiheesta tehty Tutkimus hyödyntää säteilyn terveysvaikutusten tärkeintä aineistoa, Hiroshiman ja Nagasakin atomipommituksista selvinneiden terveysseurantaa (LSS = Life span study) Aineiston koko: henkilöä Säteilyn vaikutus sydän- ja verisuonitauteihin Säteilyn vaikutus silmän linssiin 0,5 2 Gy:n säteilyannokset lisäävät sydän- ja verisuonitautikuolleisuutta Alle 0,5 Gy:n säteilyannoksilla vaikutus on epävarma Jos säteilyannos x (0,5 Gy < x < 2,0 Gy) aiheuttaa väestössä n syöpäkuolemaa, se aiheuttaa väestössä n/3 ylimääräistä sydän- ja verisuonitautikuolemaa Pään TT: 0,06 Gy Koronaariangio-TT: 0,05 Gy Säteilyn vaikutus silmän linssiin Säteilyn vaikutus silmän linssiin Suurten säteilyannosten on tiedetty aiheuttavan kaihia, mykiön osittaista tai täydellistä samentumista Suomen säteilylainsäädännössäkin on silmän linssin annosraja (150 msv vuodessa) ICRP on käyttänyt riskiarvioissaan 5 Sv kynnysarvoa silmän linssin havaittaville muutoksille pitkäaikaisen säteilylle altistumisen tapauksessa ICRP kiinnitti v säteilysuojelusuosituksissaan huomiota siihen, että silmän linssin säteilyvaurioista on liian vähän ja osin ristiriitaista tietoa IAEA on viimeisen kahden vuoden aikana tutkinut asiaa, tulokset ovat kahdessa v julkaisussa Kynnysarvoksi arvioidaan nyt 0,5 Sv Annosraja Suomessakin muuttumassa arvoon 20 msv vuodessa (5 vuoden keskiarvo, vuosiraja 50 msv) Tutkimus 1: kardiologisiin toimenpiteisiin osallistuva henkilökunta Kolumbiassa ja Uruguayssa Silmän keskimääräinen kumulatiivinen annos oli 6 Sv kardiologeilla ja 1,5 Sv hoitohenkilökunnalla Johtopäätös: kardiologeilla oli 32% korkeampi riski silmän linssissä havaittuihin muutoksiin verrokkiryhmään verrattuna Myös hoitajilla riski oli hiukan kohonnut, mutta tulos ei ollut tilastollisesti merkittävä Säteilysuojelukoulutus ja käytännöt puutteellisia ja vaihtelevia

6 Säteilyn vaikutus silmän linssiin Ajankohtaista säteilyn riskeistä Tutkimus 2: kardiologisiin toimenpiteisiin osallistuvan henkilökunnan silmän linssin tutkiminen Malesiassa Kumulatiivinen säteilyannos arvioitiin haastattelujen perusteella: silmäannoksen keskiarvoksi saatiin 4,3 Sv ja mediaaniksi 1,0 Sv Muutoksia havaittiin 52% kardiologeista ja 45% hoitohenkilökunnasta (jälleen hoitohenkilökunnan osalta statistiikka jäi heikommaksi mutta tulos oli kuitenkin tilastollisesti merkittävä) On mahdollista, ettei kynnysarvoa ole olemassa Säteilysuojelukoulutus ja käytännöt puutteellisia ja vaihtelevia Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus Säteilyannoksia Fukushimassa ja ympäristössä Pelastustyöntekijät <10 msv: 66% msv: 30% msv: <4% >100 msv: <1% Väestö ensimmäisenä vuonna onnettomuuden jälkeen: Lähimmät piirikunnat: msv Muu Fukushiman alue: 1-10 msv Naapurialueet: 0,1-10 msv Muu Japani: 0,1-1 msv Muu maailma: <0,01 msv Isotooppeja ydinvoimalaonnettomuuksissa Poikkeavat tapahtumat säteilyn lääketieteellisessä käytössä Cesium-137 Beetasäteilijä Puoliintumisaika 30 vuotta Jodi-131 Beetasäteilijä Puoliintumisaika 8 päivää Kerääntyy kilpirauhaseen Säteilyn käytössä sattuneista poikkeavista tapahtumista on aina ilmoitettava (säteilyn käytön turvallisuudesta vastaavalle johtajalle, joka tekee ilmoituksen STUK:lle) Esimerkki poikkeavasta tapahtumasta maailmalta: TTaivoperfuusiotutkimuksen ylisuuret annokset Yhdysvalloissa useassa sairaalassa

7 Röntgenlaitteiden tekninen kehitys Ilmaisintekniikka kehittyy... Lähes kaikki uudet kiinteät röntgenlaitteet varustettu suoradigitaalisella ilmaisimella Herkempi kuin kuvalevy, parempi kuvanlaatu Uudet osastokuvauslaitteet on varustettu langattomalla suoradigitaalisella ilmaisimella Kuvanlaatu paranee Kuvan voi katsoa saman tien Myös c-kaarilaitteisiin on tulossa sama ilmaisintekniikka (toistaiseksi korkea hinta on jarruttanut tekniikan käyttöönottoa c-kaarissa) Monitori Taulukuvailmaisin Taulukuvailmaisimen rakenne ja toiminta Läpivalaisu: taulukuvailmaisimen edut kuvanvahvistimeen verrattuna Fotonien tulosuunta CsI-kide Näkyvä valo Puolijohde, esim. A-Si Elektronit Herkempi ilmaisin Suurempi dynaaminen alue Suurempi kuva-ala Ei geometrista vääristymää reuna-alueilla Parempi kuva-alan tasaisuus Ilmaisimen pienempi koko Luentaelektroniikka Kohina kuvassa Kuvan digitaalinen muoto mahdollistaa kuvankäsittelyn A B Digitaaliselle kuvalle suoritetaan esikäsittelyä (tasaisuuskorjaus, kuolleiden pikselien korjaus) ja jälkikäsittelyä (kuvan kontrastiominaisuuksien optimointi mahdollisimman tarkoituksenmukaiseksi) Tausta Luu Jälkikäsittelyn onnistumisessa segmentoinnilla (eri tavalla vaimentavien kohteiden luokittelulla) on tärkeä osuus Pehmytkudos C D Tausta

8 Tietokonetomografian tekniikka Tietokonetomografia (lyh. TT tai CT) Perustuu röntgensäteilyn käyttöön Potilaan ympäri pyörivän röntgenputken ja ilmaisinten avulla mitataan vaimennusprofiili kohteen eri suunnista ja rekonstruoidaan leikekuva Säteilyannokset ovat keskimäärin selvästi suurempia kuin projektioröntgenkuvauksessa Pyörähdysaika jopa 0,3s Kuvanmuodostuksen periaate Tietokonetomografian kehityssuuntia Säteilynilmaisinten rivi Noin viisi vuotta sitten TT-kuvauksissa alettiin laajamittaisesti siirtyä tilavuuksien kuvantamiseen isotrooppisella paikkaerotuskyvyllä (tilavuusalkion koko joka suunnassa sama) ohuet leikkeet entistä vähemmän osittaistilavuusvaikutuksia mahdollisuus jälkikäteisin leikerekonstruktioihin mielivaltaisissa suunnissa monipuoliset 3Dvisualisointimahdollisuudet y x z y x z 1. Vaimennusprofiilin mittaus 2. Takaisinprojisointi (+matemaattinen suodatus) Anisotrooppinen vokseli Isotrooppinen vokseli Tietokonetomografia: leveän ilmaisimen etu Tietokonetomografian kehityssuuntia Röntgenputki Säteilykeila Ilmaisin z Leikemäärän ja ilmaisinten leveyden kasvuun liittyvä kehitys lienee saavuttanut toistaiseksi lakipisteensä kattavimmilla ilmaisimilla varustetuilla laitteilla pystytään kuvaamaan aivot tai sydämen yhdellä pyörähdyksellä Pyörähdys- ja skannausnopeuden suhteen ei myöskään ole tällä hetkellä suuria kehityspaineita Merkittävimmät kehityssuunnat liittyvät säteilyannosta pienentäviin tekniikoihin kuvanlaskentaan monienergiakuvantamiseen Puolivarjoalue (ei voida hyödyntää monileikekuvantamisessa)

9 TT-laitevalmistajien viime vuosien ratkaisuja Miksi annosta halutaan vähentää TT:ssä? Toshiba: mahdollisimman kattava ilmaisin (320-rivinen ilmaisin) GE: mahdollisimman herkkä ilmaisin (uusi detektorimateriaali) Siemens: kaksi röntgenputkea, josta on etua erityisesti sydänkuvauksissa Suomessa ihmiselle lääketieteellisestä toiminnasta aiheutuva keskimääräinen vuosiannos on 0,45 msv 58% tästä aiheutuu TT:stä Yhdysvalloissa lääketieteellisestä toiminnasta aiheutuu keskivertokansalaiselle jo 3 msv keskimääräinen annos vuosittain Viime vuosina annosten nousuun on kiinnitetty runsaasti huomiota myös Yhdysvalloissa, mikä heijastuu myös laitevalmistajien ratkaisuihin Iteratiivinen kuvanlaskenta Iteratiivisen kuvanlaskennan periaate Iteratiivinen rekonstruktio on uusi tapa muuttaa potilaasta TT-kuvauksessa kerätty vaimennustieto leikekuvaksi Aikaisemmin on käytetty ns. suodatettua takaisinprojisointia (filtered backprojection, FBP) Iteratiivisen rekonstruktion (IR) erot aiempaan tapaan nähden: parempi kuvanlaatu samalla säteilyannoksella; tai sama kuvanlaatu pienemmällä säteilyannoksella vähemmän kuvavirheitä (esim. potilaassa olevasta metallista johtuvia) vaatii paljon enemmän laskentatehoa, joten kuvien laskenta voi olla hitaampaa Kuvasta muodostetaan ensimmäinen arvaus laskennallisesti Ensiarvauksen pohjana voidaan käyttää perinteisellä tyylillä rekonstruoitua kuvaa Otetaan huomioon perinteistä tapaa enemmän paikkaresoluutioon liittyviä kuvaustilanteen ja laitteiston ominaisuuksia (mallinnetaan fokuspisteen, vokselin ja ilmaisinelementin muoto ja koko) Otetaan huomioon perinteistä tapaa enemmän kohinaominaisuuksiin vaikuttavia seikkoja (kohinan tilastollisen mallintamisen kautta) Tämän jälkeen arvattua kuvaa verrataan todelliseen kerättyyn dataan Korjataan lähtöarvoja siten kuin arvauksen ja mitatun datan ero edellyttää Riittävän monen toiston jälkeen päästään lopulliseen kuvaan Iteratiivinen kuvanlaskenta, esimerkki tekniikan mahdollisuuksista Monienergiakuvantaminen Sama säteilyannos, oikealla iteratiivinen kuvanlaskenta Monienergiakuvantaminen mahdollistaa materiaalien (esim. jodivarjoaine, munuaiskivet) erottelemisen kuvasta aiempaa paremmin Esimerkki: varjoainekuvauksen kuvadatasta voidaan virtuaalisesti luoda varjoaineeton kuva Kuvauksessa käytetään kahta tai useampaa jännitettä Kuvaus on mahdollista toteuttaa käyttämällä kahta erillistä röntgenputkea, käyttää useampikerroksista ilmaisinta tai vaihdella yhden röntgenputken jännitettä nopeassa tahdissa (edellyttää myös nopeaa ilmaisinta)

10 Ionisoimaton säteily lääketieteessä: magneettikuvaus Magneettikuvauksessa läsnä ovat erittäin voimakas staattinen magneettikenttä nopeasti muuttuvat magneettikentät radiotaajuussäteily Magneettikuvaus on lähtökohtaisesti turvallinen menetelmä potilaalle, mutta riskejä aiheuttavat ferromagneettisten esineiden joutuminen magneettikenttään potilaassa olevat vierasesineet radiotaajuussäteilyn välittämän energian aiheuttama lämmönnousu