Medicinsk strålningsfysik KAROLINSKA INSTITUTET STOCKHOLMS UNIVERSITET

Transkript

1 Medicinsk strålningsfysik KAROLINSKA INSTITUTET STOCKHOLMS UNIVERSITET TENTAMEN I RADIOFYSIK, KURS RF Dosimetri 5 p A. Problemdel. Helt korrekt lösning ger 10 p. Använda ekvationer och antaganden skall motiveras. Ange tydligt hur tabellvärden erhållits. Hjälpmedel: Physics Handbook, Tabellsammanställning 1. Med en jonisationskammare som innehåller luft och har en vägg av 3 mm grafit görs en mätning fritt i luft med 60 Co-gammastrålning. En laddning på 7,95 nc uppmättes efter en bestrålningstid på 120 s. Temperaturen var 295 K och trycket 100 kpa. En ny mätning gjordes i samma punkt med en annan jonkammare med samma volym, men med en vägg av 2 mm Al och med luften i jonkammaren ersatt med argon. Vid den andra mätningen, var temperaturen 293 K och trycket 99,5 kpa. Vilken blir strömmen i jonkammaren i detta fall? Antag att dämpningen av fotoner är samma i de bägge jonkammarväggarna och att de är tillräckligt tjocka för att ge laddad partikeljämvikt. W/e (Ar ) = JC -1, W/e (luft ) = 33,97 JC Strålbehandling med lätta joner eller protoner har blivit mer aktuell den senaste tiden. Fördelen med denna typ av behandling är att man kan mer väldefinierat behandla bara tumören och minska stråldosen till frisk vävnad. Samtidigt är det mer kritiskt att träffa rätt. Vid stråldosberäkningar måste man också ta hänsyn till partiklarnas energi. Betrakta följande behandlingssituation. Partikelflödet består av 150 MeV protoner. Targetcentrum ligger på 12,0 cm djup i mjukvävnad som här kan approximeras med muskelvävnad med densiteten 1,0 g/cm 3. Emellertid kommer på grund av tarmrörelser samt felaktig inställning strålen att passera 6,0 cm mjukvävnad, 2,0 cm luft (i tarmen), 1,0 cm benvävnad (densitet 1,8 g/cm 3 ) samt 3,0 cm mjukvävnad. Den planerade dosen till targetcentrum är 2,0 Gy. Vilken blir den verkliga dosen? Försumma energiförlusten i luften i tarmen. 3. En 137 Cs strålkälla med aktiviteten 15,0 GBq, som skall användas för gynekologisk strålterapi, placeras i ett vattenfantom. På 100 mm avstånd från strålkällan placeras en jonisationskammare som har luftdoskalibreringsfaktorn N D,air =2, Gy/C. En ström på 5, A uppmättes. Hur stor är fotonfluensen av sekundärfotoner vid jonkammaren? Sekundärfotoner kan anses vara en gång spridda comptonfotoner. Vid beräkningarna får medelenergier användas och både för primär och sekundärfotoner kan jonkammaren anses vara en Bragg-Gray kavitet och ingen korrektion för perturbation behöver göras.

2 B. Teoridel: Helt korrekt svar ger 4 p 1. Ett volymselement (se figur) bestrålas med fotoner med energin hν. De utslagna elektronerna erhåller kinetiska energierna T 1 resp. T 2. T 1 avger halva sin energi innan den inträder i volymen. T 2 avger 3/4 av sin energi i volymen. Den absorberas sedan genom bromsstrålning varpå en foton med elektronens återstående energi bildas. Denna foton totalabsorberas och emitterar en elektron med bromsstrålningsfotonens energi. Hur stor är uttryckt i hν, T och T 2 a) kermat? b) kollisionskermat? c) den absorberade dosen? e - δ e - T 2 Bromsstrålning hν δ hν e - T 1 δ hν s dm hν s 2. Vid bestämning av massbromsförmågeförhållandet i samband med kavitetsteorier måste man känna elektronernas energifördelning. För Bragg-Gray modellen kan man utnyttja att elektronerna förlorar energi kontinuerligt. Härled ett uttryck för det spektrum man erhåller då. I Spencer-Attix teorin är det ej möjligt att använda detta spektrum. Varför? Vilken är den principiella skillnaden mellan dessa spektra? 3. Det finns fyra typer av strålningsjämvikt som i olika sammanhang kan användas för att förenkla beräkningar av absorberad dos. Förklara dessa jämviktssituationer och ange vilka ekvationer som bör gälla i respektive fall. Ge också exempel på situationer där respektive ekvation kan tillämpas. 4. En 6 MV fotonstråle från en linjäraccelerator infaller mot ett vattenfantom. Rita upp hur absorberad dos, kerma samt kollisionskerma varierar med djupet i fantomet. Antag att fantomet endast träffas av fotoner. Diskutera kurvornas utseende och ange relationen mellan kurvorna på djup större än elektronernas räckvidd. Hur påverkas kurvorna om fotonstrålen är kontaminerad med elektroner, dvs att förutom fotoner fantomet även träffas av högenergetiska elektroner. 5. G-värdet för Ferrosulfat (Fricke) dosimetern varierar med strålslag och dess LET. Hur? Beskriv de kemiska reaktioner som resulterar i detta LET-beroende.

3 6. Figuren visar dosfördelningen i och omkring en simulerad diamantdetektor med oändlig utsträckning i sidled placerad i ett vattenfantom. På varje sida av diamanten finns tunna elektroder av silver. Förklara dosfördelningens utseende genom hela figuren. Som strålkälla användes 1.25 MeV fotoner. 7. A typical average annual effective dose from the natural background (excluding radon and its daughters), cosmic rays and internal radiation is 1 msv. For 60 Co gamma radiation the frequency and dose average specific energies are z F,1 = 0.87 mgy and z D,1 = 2,2 mgy respectively for an object with the diameter 8 μm. (The size corresponds to the size of the cell nucleus). How many traversals have a cell nucleus experienced on average after one year? What is the probability for a cell nucleus not to be hit at all? 8. Du ska föreslå neutrondosmätningar i vatten fantom på djupet 5 cm bestrålade med två strålslag med strålningsfält 20x20 cm 2 vid fantomens yta. Den första mätningen ska utföras i en neutronstråle med medelenergi 5 MeV vid fantomens yta. Den andra mätningen berör en 20 MV fotonstråle. I båda fall finns det blandade fält i mätningsposition med olika bidrag från neutroner och fotoner. Diskutera kort källor till dessa blandade neutron-foton fält. Motivera valet av detektortyper med hänsyn till deras känslighet för neutroner och fotoner

4 PSTAR: Stopping Powers and Range Tables for Protons BONE, COMPACT (ICRU) Kinetic Electron. Nuclear Total CSDA Projected Energy Stp. Pow. Stp. Pow. Stp. Pow. Range Range MeV MeV cm2/g MeV cm2/g MeV cm2/g g/cm2 g/cm E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-02

5 4.500E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+03

6 PSTAR: Stopping Powers and Range Tables for Protons MUSCLE, SKELETAL (ICRP) Kinetic Electron. Nuclear Total CSDA Projected Energy Stp. Pow. Stp. Pow. Stp. Pow. Range Range MeV MeV cm2/g MeV cm2/g MeV cm2/g g/cm2 g/cm E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-02

7 4.000E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E+03