L13-14, Säteilyn ja aineen välinen vuorovaikutus 26.04.2018/ Jorma Heikkonen, (FT, fyysikko) Hand mit Ringen (Käsi ja sormukset): Wilhelm Röntgenin ensimmäinen lääketieteellinen" röntgenkuva, otettu hänen vaimonsa kädestä 22. joulukuuta 1895 ja esitetty Freiburgin yliopiston fysiikan laitoksen professorille Ludwig Zehnderille 1. tammikuuta 1896 1
Säteilyn käyttöä koskeva lainsäädäntö: Säteilylaki (1991) ja sen muutokset Säteilyasetus (1999 ja sen muutokset STM:n asetus säteilyn lääketieteellisestä käytöstä (423/2000) Laki Säteilyturvakeskuksesta, 1983 ja 1989 Säteilyturvakeskuksen ST- ohjeet ja päätökset (www.stuk.fi) 2
Säteilynkäyttäjän velvollisuudet - Noudattaa Säteilylakia, Säteilyasetusta ja ST-ohjeita (STUK) - Sisäinen (2-5 v välein) ja ulkoinen auditointi 5v välein. - Nimetty säteilynkäytön vastaava johtaja (mm. valvonta) ja lääketieteellisen fysiikan asiantuntija - käyttämällä mahdollisuuksien mukaan uusinta laitetekniikka, vähentämällä tarpeettomia kuvauksia - käyttämällä mahdollisuuksien mukaan korvaavia kuvausmuotoja (UÄ, MRI) - Huolehdittava säteilytyöntekijöiden säteilykoulutuksesta (40h/5v) 3
Säteily 1) Ionisoiva säteily: pystyy irrottamaan atomilta elektronin eli ionisoimaan sen - hiukkassäteily (alfa a, beta b, protoni p, neutroni n) - radioaktiiviset isotoopit (luonnolliset, keinotekoiset) - röntgen (x)- ja gammasäteily (g) 2) Ei-ionisoiva säteily - näkyvä valo, mikroaallot, radioaallot yms. Jako voidaan tehdä myös: 1) Hiukkassäteily (alfa a, beta b, protoni p, neutroni n) 2) Sähkömagneettinen säteily (aaltoliike). Spektrin pieniaaltoisin eli suurienergisen alue, röntgensäteily ja gammasäteily on haitallista jo hyvinkin pieninä annoksina (ei-stokastiset vauriot) 4
Säteilyn biologiset vaikutukset Säteily vaikuttaa ihmisen soluihin ja kudoksiin haitallisesti Haittavaikutusten luokittelua: Deterministiset ja stokastiset Somaattiset ja geneettiset STUK: Wendla Paile 5
Deterministiset (suorat) vaikutukset (ei-stokastinen) Liittyvät suuriin kerta-annoksiin (vakavat onnettomuudet ja esim. sädehoito). Ilmenee kun suuri osa kudoksen tai elimen soluista kuolee tai jakautuminen estyy. - elimen toiminnallinen häiriö Seurauksena voi olla säteilysairaus, luuydin- ja suolistovauriot, palovamma, harmaakaihi, sikiövaurio. yleisesti: suuri annosnopeus, pieni kynnysarvo pieni annosnopeus, suurempi kynnysarvo STUK: Wendla Paile 6
Stokastiset vaikutukset (käytännössä) Satunnainen, tilastollinen haitta. Syöpä tai sukusolulinjan soluvauriosta aiheutuva perinnöllinen haitta. Haitan todennäköisyys (esim. syöpäriski) kasvaa (lineaarisesti) annoksen kasvaessa. Ei kynnysarvoa. Koko elinaikana kertynyt annos määrää kokonaisriskin. STUK: Wendla Paile 7
Haitat annoksen funktiona Kynnysarvo (~ 1 Gy) Deterministinen haitta (vihreä) ja stokastinen haitta (musta) säteilyannoksen funktiona. STUK: Wendla Paile 8
Säteilysairauden oireet: (Annos koko keholle) (Suomessa ei ole todettu säteilysairauksia) Annos (Gy) Oireet < 0,25 Ei näkyviä oireita. Annos voidaan kuitenkin todeta kromosomitutkimuksin. 0,25-1 Ei näkyviä oireita. Ohimeneviä verenkuvan muutoksia. 1-2 Yleiskunto heikkenee. Väsymystä, ruokahaluttomuutta, oksentelua. Verenkuvassa selviä muutoksia. 2-4 Suurin osa annoksen saaneista kokee pahoinvointia ja oksentelua vuorokauden kuluessa. Lisäksi ripulia jos suoliston limakalvot ovat vaurioituneet. Ihovaurioita. Verenvuotoa. 4 Yli puolet menehtyy kuukauden kuluessa. 4 6 Varmasti kuolettava annos. 9
Varaukselliset hiukkaset, kuten elektronit ja a-hiukkaset aiheuttavat suoraan ionisoivan efektin kohteessa Sähkömagneettinen säteily (fotonisäteily) ja varauksettomat hiukkaset aiheuttavat yleensä epäsuoran ionisaation kohteessa Säteilyn ionisoituminen voi vaurioittaa kudosta (solun toipuminen tai tuhoutuminen, riippuu vaurion vakavuudesta) tai säteily voi vaurioittaa DNA-ketjun (vakava vaurio) Säteily aiheuttaa kudosvaurioita mutta vain vähän lämpöä. Koko keholle tuleva säteilymäärä 4-5 Gy (J/kg) aiheuttaa kuoleman, mutta vastaava energiamäärä aiheuttaa kehossa vain 0.001 o C lämpötilan nousun. Solukuolema tapahtuu säteilyn suorana tai epäsuorana vaikutuksena ilman lämpöefektiä. 10
Sähkömagneettisen säteilyn spektri 11
Säteily Sähkömagneettisen säteilykvantin energia voidaan laskea kaavasta: E = hn = h c/l h = Planckin vakio = 6,626 x 10-34 Js c = valon nopeus = 2,998 x 10 8 m/s. l = aallonpituus (10-10 m) = 1 Å (Ångström) [ei SI-järjestelmän yksikkö] n = taajuus 1/s (frekvenssi) - Suuri aallonpituus --> pieni energia - Siis esimerkiksi 0,1 nm aallonpituudella kvantin energia on 12.4 kev 12
Ionisoiva säteily (hiukkassäteily, sähkömagneettinen) Jos säteily on energialtaan niin suurta, että se kykenee irrottamaan elektronin (elektroneja) kohdeatomin elektronikuorelta, on säteily silloin ionisoivaa Kun elektroni poistuu atomista, muuttuu atomi positiiviseksi ioniksi Kun tällaisia muutoksia tulee paljon säteily aiheuttaa kohteessa (kudoksessa) kemiallisia muutoksia, jotka voivat ilmetä haittavaikutuksina (säteilyvaurioina) Sädehoidossa säteilykeila suunnataan pahanlaatuiseen kasvaimeen (hoitokohteeseen) useasta suunnasta tarkoituksena tuhota se. Samalla terve kudoskin saa säteilyä, mutta toipuu siitä nopeammin kuin kasvainkudos Sädehoidossa kasvaimen tuhoamiseen tarvittava säteilyannos on n. 50-70 Gy annettuna päivittäin n.2 Gy, jolloin hoito kestää 5-7 viikkoa. 13
Atomin rakenne Atomi muodostuu positiivisesti (+) varautuneesta ytimestä ja sitä kiertävistä negatiivisista (-) elektroneista kuorilla K, L, M, jne. Kulombinen vuorovaikutus pitää atomin koossa Ydin koostuu protoneista (+) ja varauksettomista neutroneista. Ydinvoima pitävät ydintä koossa. Kuvassa on hiili-atomi C. Sillä on 6 protonia, 6 neutronia ja 6 elektronia. (protonien määrä = elektronien määrä) Yksinkertaisin atomi vety (H), sillä on yksi protoni, mutta ei yhtään neutronia. Uraanilla on ytimessä 92 protonia ja 146 neutronia (92 elektronia) Elektroneilla on energiaa, niiden irrottamiseen tarvitaan vastaava energiamäärä. 14
Atomin rakenne, isotooppi Neutronien lukumäärä on ns. neutroniluku N nukleonien kokonaismäärä on A = Z+N, on ns, massaluku Nuklidia merkitään symbolilla (Z = 82, järjestysluku) ytimen halkaisija = 2,8 x 10-15 m Hiilellä on ytimessä 6 neutronia, mutta niitä voi olla 7, 8 tai vielä enemmän 15
Atomin rakenne, isotooppi Tällaisia atomeja, joilla on sama määrä protoneja ytimessään, mutta neutronien määrä vaihtelee, sanotaan toistensa isotoopeiksi. Hiileltä tunnetaan yksitoista eri isotooppia. Isotooppi voi olla radioaktiivinen. Radioaktiivisista atomeista emittoituvien fotonien energiaalueet vaihtelevat arvosta 2.6 kev (Ka karakteristinen röntgensäteily, elektronisieppaus) arvoon 7.1 MeV (typen gammasäteilyyn). 16
Radioaktiivinen hajoaminen Hajoaminen voi tapahtua neljällä eri tavalla: 1) Fissio (kaikkein raskaimmilla ytimillä spontaani fissio) 2) Alfahajoaminen (raskaat ytimet), Atomi emittoi He-ytimen eli a-hiukkasen 226 Ra 222 Rn + 4 He (α) 3) Betahajoaminen. Syynä on ytimen väärä protoni/neutronisuhde, jonka ydin korjaa oikeaksi betahajonnan avulla. Betahajontaa on kolmea eri lajia: β - -hajonta positroni- eli β+-hajonta elektronisieppaus eli elektronikaappaus Betahajonnassa ytimen massaluku ei muutu, koska betahajonnassa muuttuu joko protoni neutroniksi tai päinvastoin neutroni protoniksi. Esimerkiksi Y-90, on puhdas betasäteilijä: T½ = 64,1 h Zirkonium (stabiili) - energia: Max / Mean = 2.3 Mev/ 0.94 MeV - kantama: max = 11mm 17
4) gamma (g)- aktiivisuus, gammasäteily Hiukkasen lähdettyä atomista, ydin jää usein viritettyyn tilaan. Ytimen viritystilan energia voi purkautua sähkömagneettisen säteilyn muodossa, gammasäteilynä Energiat ovat MeV:ien suuruisia, joten saadaan hyvin lyhytaaltoista g-säteilyä. Nimi viittaa syntymekanismiin: g-säteily lähtee ytimestä, röntgensäteily elektroniverhosta 18
Radioaktiivinen hajoaminen positroniemissiossa ytimen sisällä oleva protoni muuttuu neutroniksi ja ytimestä emittoituu positronihiukkanen (β+). (p + ) (n) + β + kevyet nuklidit kuten 11 C, 13 N, 15 O, 18 F ovat kuitenkin puhtaita positroniemittereitä. Elektronisieppauksessa (EC) ytimessä oleva protoni muuttuu neutroniksi sieppaamalla yhden oman atomin rataelektronin (p+) + e - (n) + n Positroniemissiossa ja elektronisieppauksessa tytäratomin järjestysluku on yhden alhaisempi kuin emoatomin. Yleensä elektronisieppaus tapahtuu K-kuorelta. Syntyneen aukon täyttyessä, L-kuoren elektronilla, syntyy karakterististä röntgensäteilyä. 19
Radioaktiivinen hajoaminen Radioaktiivisten aineiden siirtymälait keksittiin jo v.1903 (Rutherford): - kokonaisvaraus (järjestyslukujen, siis varausten algebrallinen summa) on ennen hajoamista sama kuin sen jälkeen - Massalukujen summa on ennen hajoamista sama kuin sen jälkeen 234 92 U fi 90Th + 238 He - Thorium on puolestaan β- emittoija, joten sen jäännösytimelle Z=91 ja A = 234 0 = 234. Th fi Pa - a- säteilijöille A pienenee 4:llä, Z pienenee 2:lla - β- säteilijöille A ei muutu, Z kasvaa 1:llä + 4 2 234 234 0 90 91-1 e 20
Hajoamislaki Radioaktiivisessa hajoamisessa emittoituu elektroni tai helium-ydin eli alkuperäinen ydin muuttuu: dn - = l N (hajoamislaki) dt Integroimalla saadaan alkuperäisten ytimien lukumäärä hetkellä (t). Hajoaminen on eksponentiaalista, t ½ on puoliintumisaika, l on hajoamisvakio eli N -l t -l t = N 0 e I = I 0 e 10 8 A = A 0 e -l t = A 0 e ln - t ( 2) t ½ Aktiivisuus 6 4 2 0 0 2 4 6 T(fys) 21
Puoliintumisaika Puoliintumisajan t ½ kuluessa ytimien luku pienenee puoleen (N -> N 0 /2) N 2 = N 0 2 0 e ln l -l t 2 1 / fi t = 1/ 2 Puoliintumisajat vaihtelevat erittäin paljon, välillä 10-6 sekuntia - 10 6 vuotta Sopivan puoliintumisajan omaavia radioisotooppeja, kuten Tc-99m (6,0 h), I-131 (8,1 vrk) käytetään hyväksi lääketieteessä, isotooppikuvauksissa ja hoidoissa Fysikaalisen puoliintumisajan lisäksi on ns biol. puoliintumisaika ja efektiivinen puoliintumisaika. Näiden välillä vallitsee yhtälö 1 T eff 1 = T fys + 1 T biol 22
Etäisyyden neliölaki (inverse square law) Ł I I 1 2 ł = Ł r r 2 1 ł 2 I. Säteilyannoksia (säteilytyöntekijät) voidaan pienentää: 1. Pidentämällä etäisyyttä, etäisyyden neliölaki (pihdit yms) 2. Pienentämällä altistusaikaa, (ripeämpi työskentely) 3. Käyttämällä sopivia suojaimia, (lyijyesiliina, lyijysuojalevyt) 23
Säteilyn käyttöön liittyvät yksiköt 1. Säteilytys (exposure X): X = dq/dm Tässä dq on varaus (+ tai -), joka säteilyn vaikutuksesta on syntynyt ilmaan, kun kaikki elektronit, jotka säteily on vapauttanut tilavuudesta, jonka massa on dm, ovat täydellisesti pysähtyneet. Yksikkö: C/kg. (Coulombi/kg), Vanha säteilytyksen yksikkö on röntgen (R), joka määritellään: Kun säteilytys synnyttää 1 g:ssa kuivaa ilmaa 1.6 10 12 ionipareja, on säteilytys silloin 1 röntgenyksikön suuruinen. 1 R = 2,58 10-4 C/kg 24
Säteilyn käyttöön liittyvät yksiköt 2. Absorboitunut annos D (dose): (ICRU 1980) Yksikkö: Gray (Gy) = J/kg Annosnopeus (dose rate), DR = dd/dt Aikaisempi SI-järjestelmään kuulumaton absorboituneen annoksen yksikkö oli rad. 100 R @ 100 rad = 1 Gy. Absorboituneen säteilyannoksen yksikköä (Gy) käytetään erityisesti sädehoidossa. 25
Säteilyn käyttöön liittyvät yksiköt 3. Annosekvivalentti (dose equivalent) H: (säteilyn laatuun ja säteilysuojeluun liittyvä yksikkö, kudos) H = D x QF jossa QF = quality factor, jolla pyritään ottamaan huomioon eri säteilylajien kyky aiheuttaa terveydellisiä haittavaikutuksia. Tavallisesti ja erityisesti sairaalakäytössä QF =1 Yksikkö: Sievert (Sv) = J/kg (1 Sv = 1 Gy) Pienempiä yksiköitä msv ja msv Jos käytetään vanhaa absorboitunutta annosta rad (10-2 J/kg), on annosekvivalentin yksikkö rem. 100 rem = 1 Sv 26
Säteilyn käyttöön liittyvät yksiköt 4. Efektiivinen annos E: yksikkö Sievert (Sv): Efektiivinen annos on summa elin- tai kudoskohtaisista annoksista E = S (w T H T ) = w 1 H 1 +w 2 H 2 +. - Kudoksilla erilaiset painokertoimet w T, jotka kuvaavat kunkin kudoksen herkkyyttä - H T on ekvivalenttiannos 5. (Mansievert, mansv): on kollektiivisen annoksen yksikkö Jos esimerkiksi 1000 hengen suuruisessa väestöryhmässä jokainen saa keskimäärin 20 msv (= 0,02 Sv) säteilyannoksen, kollektiivinen annos on 20 mansv. Tutkitaan säteilyn myöhäisvaikutuksia, stokastisia säteilyhaittoja. 27
Eri kudosten painokertoimia w T - kivekset, munasarjat 0,20 - luuydin, keuhkot, paksusuoli, mahalaukku 0,12 - kilpirauhanen, ruokatorvi, rinnat, virtsarakko 0,05 - luun pinta, iho 0,01 28
Esimerkki 1. Miespotilaalta kuvattiin selkäranka, lantio ja alaraajat, jolloin hän sai seuraavat elinkohtaiset keskimääräiset absorboituneet annokset: - luuytimeen 2,37 mgy - keuhkoihin 2,40 mgy - kilpirauhaseen 1,22 mgy - paksusuoleen 1,14 mgy - kiveksiin 4,32 mgy ( ei suojausta) - muut 2,18 mgy a) Mikä on potilaan saama efektiivinen annos? Potilaan kuvauksessa syntyy ns. sekundäärisäteilyä, (Compton sirontaa). Kuvaushuoneessa voi olla läsnä avustaja, joka käyttää ns. lyijykumiesiliinaa. Esiliina (1) vastaa absorptiokyvyltä 0,25 mm lyijykerrosta ja esiliina (2) absorptioarvoa 0,35 mm lyijykerrosta. b) Laske primäärisäteilyn ja sironneen säteilyn absorptiokertoimet lyijyssä, kun esiliina (1) päästää sironnutta säteilyä läpi 8,6% ja esiliinan (2) läpi menee primäärisäteilystä 4,6%. Kumpi säteily on läpitunkevampaa? Perustele. 29
Esimerkki 1 E T = W T W R D T = W T H T D T = absorboitunut anos W R = säteilyn painotuskerroin W T = elimen tai kudoksen painotuskerroin H T = ekvivalenttiannos Efektiivinen annos on summa elinkohtaisista osuuksista elin D (mgy) W R H T W T E T (msv) luuydin 2,37 1 2,37 0,12 0,284 keuhkot 2,40 1 2,40 0,12 0,288 kilpirauhanen 1,22 1 1,22 0,05 0,061 Paksusuoli 1,14 1 1,14 0,12 0,137 kivekset 4,32 1 4,32 0,20 0,864 muut 2,18 1 2,18 0,39 0,850 yhteensä 1 2,48 W T = 1- S W T = 0,39 Efektiivinen annos = 2,5 msv 30
Röntgensäteily vaimenee väliaineessa eksponentiaalisesti. Määrittämällä yhtälöstä absorptiokertoimet I = I 0 e -m d Saadaan yhtälöt: 8,6 = 100 eksponentti (-μ s 2,5) μ s = 9,82 1/mm (1) 4,7 = 100 eksponetti (-μ p 3,5) μ p = 8,80 1/mm (2) Primäärisäteily läpitunkevampaa, nähdään absorptiokertoimista: μ(prim.) < μ(sek.) 31
Annoksen ja pinta-alan tulo DAP DAP- lukema (CT-tutkimukset, röntgentutkimukset, angiografia) Pinta-annoksen ja säteilytetyn alueen pinta-alan tuloa potilaan ihon pinnalla sanotaan DAP:ksi (mgy cm2) (Dose Area Product). DAP ei riipu kuvausetäisyydestä, sillä säteilytetyn alueen pintaala kasvaa samassa suhteessa, kun etäisyyden neliölain vaikutuksesta annos pienenee. Käytännössä DAP-lukemat alle 100 32
Röntgen /SPECT-CT/CT ESD (Entrance Surface Dose, eli ihoannos): [mgy, Gy] DAP (Dose Area Product): [Gy cm 2 ] Riippumaton etäisyydestä ESD = DAP/A iho tai lasketaan kaavoilla, jos A iho arvoa ei saatavilla. DLP (Dose Lenght Product): [mgy cm] Esim. 5 mm leikkeet ja n. 30 cm kuvauspituus: DLP = 500-700 mgy cm. Jos mas- arvo puolitetaan, DLP pienenee jopa 1/10 osaan. Low Dosekuvaus. 33
POTILAAN SÄTEILYALTISTUKSEN VERTAILUTASOT AIKUISTEN TIETOKONETOMOGRAFIATUTKIMUKSISSA (STUK) Taulukko 1. Potilaan säteilyaltistuksen vertailutasot aikuisten tietokonetomografiatutkimuksissa TT-annoksen tilavuuskeskiarvona (MSADw) ja annoksen ja pituuden tulona (DLPw). Taulukossa annettu vertailutaso tarkoittaa yhdestä kuvaussarjasta aiheutuvaa säteilyaltistusta. TT-tutkimus MSAD w (mgy) DLPw (mgy*cm) Pää: kallonpohja Pää: aivot Vatsa Keuhkot LS-ranka (3 nikamaa) 90 65 15 13 50 MSAD w on sama kuin annosnäytössä oleva 1000 ** 1000 ** 600 500 500 ** Kallonpohjan ja aivojen kuvaus yhteensä 34
POTILAAN SÄTEILYALTISTUKSEN VERTAILUTASOT TAVANOMAISISSA AIKUISTEN RÖNTGENTUTKIMUKSISSA (STUK 15.12.2008) Taulukko 1. Tavanomaisten röntgentutkimusten vertailutasoja pinta-annoksina aikuisille. Kuvausprojektio Pinta-annos/projektio (ESD)*) [mgy] Thorax PA 0,2 Thorax LAT 0,8 Lanneranka AP 5 Lanneranka LAT 15 Lantio AP 5 Urografia (kuvaa kohti) 5 Natiivivatsa AP tai PA 5 Rinta CC, MLO, LAT 10 Hammaskuvaus, ylämolaari 5 *) Pinta-annoksella tarkoitetaan absorboitunutta annosta iholla (ESD). 35
Aktiivisuus (Curie ja Becqurel) Curie, Ci (hajoaminen/sekunti) Becquerel, Bq (hajoaminen/sekunti) 1 Ci = 3,7 x 10 10 hajoamista/s = 3,7 x 10 10 Bq Etuliitteiden avulla: - pienet yksiköt: milli (m), mikro (m), nano (n),... - suuret yksiköt: kilo (k), mega (M), giga (G),... 1 mci = 37 MBq Aktiivisuuksia (Bq) ei voida muuttaa helposti tarkoiksi säteilyannoksiksi eli Gy-yksiköksi. Malleilla ja ohjelmilla voidaan arvioida annosten suuruuksia (Olinda- program) 36
Isotooppikuvausten (GAMMAKUVAUS) annoksia: Sydänlihaksen perfuusiokuvaus 110 MBq (Tl-201) Munuaisten gammakuvaus 185 MBq (Tc-99m) Luuston gammakuvaus 700 MBq (Tc-99m) Sydämen ejektiofraktio 850 MBq (Tc-99m) Kilpirauhasen radiojodihoito 1100-3700 MBq (I-131) Neuroendogrinologiset kasvaimet 7400 MBq x 4 (Lu-177) 37
Ovatko eri säteilylajit samanarvoisia? Radiobiologinen sovellutus: Kun säteilyn fysikaalinen annos kerrotaan edellä QF-tekijällä, voidaan se kertoa ns. RBE- tekijällä (Relative Biological Effect), jotta saataisiin ekvivalenttinen annos ja sama biologinen vaikutus. Ts. D eq = RBE1 D1 + RBE2 D2 +... RBE ei ole siis vakio ja vaihtelee säteilylajista ja energiasta. Yleensä säteilyä verrataan Co-60:n tai röntgensäteilyn (250 kev) RBE- arvoon, joka on 1. Hiukkassäteilyssä RBE on välillä 1.0-1.3 38
Säteilyn energiansiirtokyky Säteilyn biologisten vaikutusten laajuus riippuu sen luonteenomaisesta energiansiirtokyvystä. Tiheään ionisoiva säteily (suuri energian siirtokyky) aiheuttaa runsaasti ionisaatiota kulkiessaan solun pintaan (esim. α-säteily). Suuri riski tuottaa vaurio. Katkaisee säikeet. Harvaan ionisoiva säteily kulkee kuitenkin yleensä pidemmän matkan (esim. sekund. elektronit). Pieni riski tuottaa vaurio. STUK 39
Säteilyn käyttö sairaalassa Röntgenputki (60-140 kev), perinteinen röntgenkuva (thorax-kuva) Varjoainekuvaukset mm. sepelvaltimotauti, sydäntutkimusosasto Röntgensädehoito ei ole enää käytössä, (poikkeus iho-allergiasairaudet) Tietokonetomografialaitteet (CT), röntgenputki kiertää potilaan ympäri ja tietokone muodostaa leikekuvia (80-130 kev). Kuvauksessa saadaan noin 50-100 leikekuvaa noin 0,5 minuutissa. Sädehoito : Lineaarikiihdyttimet, megavolttilaitteet (6-18 MeV). Syöpätautien klinikalla voidaan hoitaa kaikkia kasvaintyyppejä nykyaikaisilla sädehoitotekniikoilla Jälkilatauslaitteet, ontelon sisäinen sädehoito ;ruokatorvi, gynekologiset kasvaimet (kudoksen sisäinen) Silmäapplikaattorit (Ru-106, I-125), silmän paikallinen sädehoito (uvea-melanooma) 40
Esimerkkejä säteilyannoksista 0,1-0,3 msv/h Luonnon taustasäteily 0,4 msv/h Hälytysraja mittausasemilla 5 msv/h Tshernobyl ja lentokoneet (12 km), 2 msv/vuosi 15 msv/h Isotooppihoidoissa eristys lopetetaan ja potilas kotiutetaan jos annosnopeus tätä pienempi 1 metrin etäisyydellä 0,1-0,2 msv keuhkojen röntgenkuvaus 4 msv jokaisen saama keskimääräinen vuosiannos 100 msv säteilytyöntekijöille 5 v suurin sallittu annos Säteilyturvakeskus mittaa henkilökunnan (säteilytyö) saamia annoksia: Syväannoksen kirjauskynnys (tausta vähennetty) 0,1 msv/kk ja pintaannoksen 2 msv/kk 41
Isotooppi Eri elinten isotooppitutkimukset (gammakamera, SPECT-CT, PET-CT, MRI-CT) SPECT+CT fuusiokuvaus (mm. luusto, munuainen, aivot, keuhkot, sydän, sisäelimet) Isotooppihoidot: Yleisin kilpirauhasen radiojodihoito, I-131 (55 vuoden ajan) Luustometastaasien hoito, Sm-153, (25 v ajan) Feokromosytooma (MIBG), I-131 (25 v ajan) NHL (Zevalin-hoito ), Y-90, v.2004 (Zevalin (ibritumomab tiuxetan) is a form of radioimmunotherapy (a radiolabeled monoclonal antibody) indicated for treatment of patients with relapsed or refractory, low grade or follicular B-cell non-hodgkin's lymphoma (NHL) - Maksametastaasien hoito Y-90, SIRT (v. 2010) Neuroendokrinogiset kasvaimet, Lu-177 ( v. 2011) - Alfaradin (Ra-223), prostatametastaasien (luusto) hoitoon! 42
SIRT eli maksametastaasien radioembolisaatio (Brachytherapy, SIRT-hoito) Taustaa Ulkoisessa sädehoidossa maksan säteilyannos rajataan n. 30-35 Gy Maksakasvaimet tarvitsevat kuitenkin 60-75 Gy säteilyannoksen. SIRT- hoito mahdollistaa suuret säteilyannokset n.150 Gy 43
SIRT eli maksametastaasien radioembolisaatio Periaate Hoidossa annetaan maksavaltimoon ohjatun katetrin kautta pieniä Y-90 radioisotooppiin kiinnitettyjä pieniä mikropalloja, jotka suonistoja pitkin hakeutuvat kasvaimeen, muodostavat radioembolian. Näin b- säteily tuhoaa paikallisesti kasvainkudosta. Hoitomuoto käynnistyi Euroopassa ja USA:ssa v. 2002, Australiassa annettiin jonkin verran hoitoja jo 1980-luvulla HYKS:n Syöpätautien klinikalla 1. hoito annettiin huhtikuussa 2010. Voidaan hoitaa primäärisiä maksakasvaimia (HCC) tai maksametastaaseja Hoito voidaan tarvittaessa toistaa 44
Intensity Röntgensäteily Röntgenputki UNFILTERED (IN VACUUM) K-CHARACTERISTIC RADIATION BREMSSTRAHLUNG 50 100 150 Photon energy (kev) 45
Röntgensäteilyn syntymekanismi Röntgenputkelta kiihdytetyt elektronit osuvat kohtioon, jolloin: 1. Elektronit jarruuntuvat ja vapautuu energiaa säteilymuodossa. Kyseessä on jarrutussäteily (bremsstrahlung) 2. Elektronit irrottavat elektrneja kohtioatomista, esimerkiksi sisimmältä K-kuorelta (viritys) Syntyneeseen aukkoon siirtyy elektroni seuraavalta kuorelta L- kuorelta Näiden välinen energiaero vapautuu säteilynä aaltoliikkeenä, karakteristien säteily 46
Säteilyn ja aineen välinen vuorovaikutus Varatut hiukkaset voivat menettää energiaansa seuraavasti: 1. Epäelastinen (non-elastic) törmäys atomin elektroniin, jolloin syntyy virityksiä ja ionisoitumista. 2. Epäelastinen törmäys ytimen kanssa (ei sieppausta ytimeen); hiukkanen muuttaa suuntaansa, voi syntyä jarrutussäteilyä. Joskus voi syntyä ytimen virityksiä. 3. Elastinen törmäys (elastic) ytimen kanssa, ei synny jarrutussäteilyä eikä ytimen viritystä. 4. Elastinen törmäys atomin elektronin kanssa, energia < 100 ev. 47
Varattujen hiukkasten vuorovaikutus aineessa a) "Pehmeä" törmäys ( b >> a) Ei sanottavaa vuorovaikutusta. Jos hiukkasen (elektroni) nopeus v=c/n on suurempi kuin valon nopeus kyseisessä nestemäisessä väliaineessa (esim. vesi), syntyy ns. Cerenkov- säteilyä. Ydinvoimaloissa vedessä nähdään Cerenkov- säteilyä, on väriltään "sinivihreää". Ehto siis v = βc. Cerenkov- säteily emittoituu kulmassa z partikkelin etenemissuuntaan nähden: UNDISTURBED TRAJECTORY b a NUCLEUS z = arc cos(1/βn) b) "Kova" törmäys (b ~ a): Hiukkanen osuu atomiin ja on vuorovaikutuksessa elektronien kanssa. c) Vuorovaikutus ytimen kanssa (b << a). Coulombinen vuorovaikutus. 48
Säteilyn (gamma- ja röntgen) vuorovaikutus väliaineessa, säteilyn absorptio Gammasäteily aiheuttaa väliaineessa edetessään vuorovaikutusta, joista tärkeimmät ovat 1. 2. ja 3.: 1. Compton efekti (compton absorptio) E g = h n mom.= h n/c q j mom.= h n'/c - e 0 o E' g = hn 2. Photoelektroninen efekti (photoabsorptio) 3. Parin muodostuminen (4. Rayleigh- sironta) hn mom. = h n /c k.e. = T = h n- E mom. = p e f atom q b 0 k.e. = T ~ a= 0 mom. = p a (5. Fotoni-ydin vuorovaikutus) 49
3. Parinmuodostus (minimienergia 1.022 MeV, eli 2 x 0.511 MeV) Parinmuodostus on absorptiotapahtuma, jossa fotoni "häviää" ja syntyy elektroni ja positroni. Ilmiö tapahtuu kun fotoni osuu lähelle atomin ydintä tai toisinaan myös ulommilla elektronikuorilla. ANNIHILAATIO: Kun positroni pysähtyy, se "sieppaa" elektronin, jolloin syntyy kaksi samansuuruista täysin vastakkaisiin suuntiin lähtevää gammakvanttia, ja kummankin kvantin energia 0.511 MeV. Lääketieteellisessä kuvantamisessa käytetään ns. positronisäteilijöitä hyväksi (mm. F-18, O-15, N-13, C-11, Ga-68). ( 4. Rayleigh- sironta ) ( 5. Fotoni-ydin vuorovaikutus ) 50
Säteilyn mittaus, havaitseminen Yleimmät mittarit: Ionisaatiokammiot (mm. Sädehoitolaitteet, Isotooppi) Puolijohdeilmaisimet (Sädehoito) Termoloistekiteet (TLD), (Sädehoito, Isotooppi) Diodit (Sädehoito) Erikoisfilmit CaF-Cromic,ei kehitystä (Sädehoito) Vähenevä käyttö: Tavanomaiset filmit, Kalorimetrit, ei juuri lainkaan 51
Erilaisia ionisaatiokammioita (STUK) 52
Tuikeilmaisimet Tuikeilmaisimen pääosat ovat tuikekide ja valonmonistinputki (PMT). Tuikekide on suuri puolijohdekide, esimerkiksi talliumilla aktivoitu natriumjodidikide NaI(Tl) tai jotakin tuikemuovia. Säteilyn esim. gammakvantin osuessa NaI (Tl) kiteeseen syntyy valotuikahduksua, jotka monistetaan (vahvistetaan ) valomonistinputkessa. Gammakamerassa on yksi tuikekide, 40x50cm, paksuus n.12 mm ja valomonistinputkia n.55 kpl. 53
Säteilyn ilmaisimet Geigermittari (Geiger-Muller -putki) on suljettu kaasulla (jalokaasu) täytetty putki. Kaasussa syntyy elektronipurkauksia säteilyn vaikutuksesta ja vielä uusia purkauksia (purkausvyöry), kun putken sisällä on korkea jännite (>750 V). Tällöin syntyy sähkövirta ja havaitaan jännitepulsseja. Niiden määrä todetaan useasti viisarinäytöllä tai digitaalinäytöllä eri voimakkuuksina (tikitys). Mittarilla havaitaan mm. betasäteilyä ja gammasäteilyä. Edullinen hinta, reaaliaikainen näyttölukema, laaja mittausalue. Mittari on hyvä yleismittari ja käytetään säteilymäärän toteaminen sairaaloissa, puolustusvoimissa. Mittari ei tunnista kuitenkaan säteilyn energiaa. Säteilynilmaisimia ovat muun muassa ionisaatiokammio (sädehoitolaitteiden annosmittaus), dosimetrit (henkilökohtainen mittaus), termoluminisenssi (TLD), valomonistinputki+tl-kide, puolijohdeilmaisimet. 54
Ionisaation perustuva mittaus I Ionisaatiokammio 200 300 V + t Verrannollisuuslaskuri 200-750 V - - - ionisoiva säteily Geiger- eli GM-putki 750-1000 V + + + - 55
Ionisaatiokammio - pulssin korkeus verrannollinen säteilyn energiaan - ei synny ketjureaktiota, saturaation asti keräys Verrannollisuuslaskuri - pulssin korkeus verrannollinen säteilyn energiaan - ketjureaktio pysähtyy ennen saturaatiota Keräysjännite kasvaa Geiger-Muller- putki - pulssin korkeus riippumaton säteilyn energiasta - purkaus aiheuttaa uusia (ketjureaktio), ketjureaktio purkaantuu saturaatioon asti - jälkipurkaukia (toipumisaika) - hyvä herkkyys 56
TLD (termoluminisenssidosimetria Säteilyn vaikutuksesta elektroni siirtyy valenssivyöhykkeestä johtavuusvyövyökkeeseen, elektroni loukkuuntuu Loukkuuntuminen vapautuu ja elektroni palaa vaiheittain takaisin, kun materiaalia lämmitetään (200-250 astetta) Atomin palautuessa alkuperäiseen tilaan, se emittoi valokvantin Valokvantti ohjataan dynodille, jossa elktronit monistetaan ja mitataan valon intensiteetti Intensiteteetistä saadaan säteilymäärä selville Tällaisia loisteaineita ovat mm. LiF CaF 2, CaSO 4, Li 2 B 4 O 7 (muutaman mm suuruisia kiteitä tai jauhemaisena aineena) Ei reaaliaikainen mittaus ionizing event by radiation Conduction Band electron migration hole migration electron trap depth hole trap + luminescence center hn Valence Band A. B. electron release by heating recombination with light emission hole trap depth energy band gap ~ 10 ev 57
Syöpäkasvainten isotooppihoidot I-131 beta, gamma, kilpirauhasen radiojodihoito (1955-) I-131 beta, MIBG-hoito, feokromosytooma, paraganglioma (1984-), (jäämässä pois) Y-90 beta, Zevalin-hoito NHL radioimmunoterapia (CD20 antigen), n.2005 (vähän) Sm-153 beta, gamma luustometastaasien palliatiivinen hoito, (1990-) (jäämässä pois) Y-90 beta, maksametastaasien SIRT-hoito (2009) Lu-177 beta, gamma: neuroendokriniset kasvaimet (2011) Ra-223 alfa, prostata-potilaiden luustometastaasien hoito (2013) 58