Fysiologiska effekter av joniserande strålning. Erik Tesselaar Leg. Sjukhusfysiker

Transkript

1 Fysiologiska effekter av joniserande strålning Erik Tesselaar Leg. Sjukhusfysiker

2 2 Innehåll Vad är joniserande strålning Röntgenstrålning inom sjukvården Stråldoser Strålningsskador deterministiska (helkropp, hud, ögonlins) stokastiska (cancer, fosterskador) Strålskydd

3 Vad är joniserande strålning

4 4

5 5 Joniserande strålning har så hög energi att den kan slita loss en elektron d.v.s. jonisera atomen energi

6 6

7 Röntgenstrålning inom sjukvården

8 8 november 1895 upptäcktes röntgenstrålning 8

9 9 Upptäckten spreds mycket snabbt över världen

10 10 Riskerna var okända i början

11 11

12 12

13 13

14 14 Luft i lungor dämpar mycket lite Mjukvävnad dämpar strålningen lite mer Ju högre densitet och ju högre atomnummer desto mer dämpas strålningen. Ben dämpar röntgenstrålningen mest

15 15

16 Stråldoser

17 17 Absorberad dos (D). Mäts i gray (Gy). 1 Gy = 1 J/kg. Fysikaliskt mått Går att mäta med instrument Energi¹ per massenhet Enhet: 1 J/kg=1 Gy (Gray) ¹i form av joniserande strålning

18 18 Absorberad dos (D). Mäts i gray (Gy). 1 Gy = 1 J/kg. Ekvivalent dos (H T ). Mäts i sievert (Sv). 1 Sv = 1 J/kg. Ekvivalent dos är viktad för den relativa biologiska effekten. Röntgen och γ-strålning har viktfaktor W R = 1, α-partiklar har W R = 20.

19 19 Absorberad dos (D). Mäts i gray (Gy). 1 Gy = 1 J/kg. Ekvivalent dos (H T ). Mäts i sievert (Sv). 1 Sv = 1 J/kg. Ekvivalent dos är viktad för den relativa biologiska effekten. Röntgen och γ-strålning har viktfaktor W R = 1, α-partiklar har W R = 20. Effektiv dos (E). Mäts i sievert (Sv). Effektiv dos är viktad för organens relativa känslighet.

20 New ICRP recommendations. J. Radiol. Prot. 28 (2008) (Image from: hubpages.com.)

21 21 DAP-mätare Finns på alla skelett- och genomlysningsutrustningar Kan översättas till effektiv dos för en grupp av patienter m.h.a. tabellvärden som variera mellan msv/gycm 2

22 22 Exempel på effektiv dos 0,005 msv Tandröntgen 0,05 msv Lungröntgen 0,05 msv Flygresa Stockholm-New York 0,2 msv Mammografiscreening (4) 3 msv Medelsvenskens årsdos (60) 5 msv 10 minuter genomlysning av buken (100) 6 msv DT, thorax (120) 10 msv DT, buk (200) 12 msv PCI (240) 20 msv Dosgräns arbetstagare (400)

23 24 Vilken är rätt ordning? Quiz! En lungröntgen. Ett års vistelse i område i Sverige med stort radioaktivt nedfall, under första året efter Tjernobylolyckan. Ett års vistelse i norra Bohuslän. Ett års boende i hus med radonhalten nära gränsvärdet 200 Bq/m 3 luft. En flygresa Stockholm New York. Ett års arbete med maximalt tillåten yrkesbestrålning. Ett års boende intill ett kärnkraftverk vid normal drift. 1. Ett års boende intill ett kärnkraftverk vid normal drift. 2. En flygresa Stockholm New York. 3. En lungröntgen. 4. Ett års vistelse i norra Bohuslän. 5. Ett års vistelse i område i Sverige med stort radioaktivt nedfall, under första året efter Tjernobylolyckan. 6. Ett års boende i hus med radonhalten nära gränsvärdet 200 Bq/m 3 luft. 7. Ett års arbete med maximalt tillåten yrkesbestrålning. Tack till Tuva Öhman, Radiofysik för sammanställning!

24 Strålningsskador

25

26 27 Direkta och indirekta DNA-skador M. Isaksson. Grundläggande strålningsfysik. Studentlitteratur.

27 28 Enkelsträngsbrott, dubbelsträngsbrott och basskador M. Isaksson. Grundläggande strålningsfysik. Studentlitteratur.

28 Möjliga utfall 29

29 30 Två typer av effekter Deterministiska effekter (förutsägbara). Stokastiska effekter (slumpmässiga).

30 Deterministiska (akuta) effekter

31 32 Deterministiska effekter Exempel: illamående, hudrodnad, håravfall (katarakt) Visar sig med säkerhet vid en viss stråldos. Förvärras då stråldosen ökar. Kräver en viss minimal stråldos (tröskeldos). Uppträder kort tid efter bestrålning. Kallas även akuta effekter.

32 33 Tidsförlopp Nekros (vävnadsdöd)

33 Helkropp

34 Akut strålningssyndrom (ARS) 35 Hematopietic syndrome (dos<5 Gy, överlevnad möjlig med behandling) White blood cells and blood platelets are damaged and reduce in number which lead to infections and wounds that to not heal. Nausea, vomit, fatigue, hair loss and fever Gastrointestimal syndrome (dos >10 Gy, död inom 2 veckor) Damages to the gastric mucosa and hence no new cells are formed. Nausea, vomit, diarrhea, loss of appetite, loss of water and coma & death Cerebrovascular syndrome (dos> Gy, död inom 1-2 dagar) Dead within minutes or hours as the CNS to damaged (possible pressure build-up in brain due to leakage of small vessels?) Headache, loss of coordination, loss of breath, low blood pressure, coma and certain death

35 Huden

36 Hudskador: mekanismer 37 Skada uppstår i strålkänsliga keratinocyter i basalmembranet Cellerna ersätts inte tillräckligt snabbt och skadan propagerar uppåt Leder till inflammationmekanismer Störningar i tillväxtfaktorer leder till senare fibrotisering och strukturella förändringar i små blodkärl

37 Hudskador: akuta och sena 38 akuta (timmar veckor) progressiva förändringar i hudgenomblödning rodnad (erytem), ytliga epiteldefekter, klåda, torr/vätskande avfjällning, ödem, ibland sårbildning sena (veckor år) fibros, dermal förtjockning minskad elasticitet, minskad vävnadsstyrka förlängd sårläkningstid pigmentförändringar Förändringar i små blodkärl ligger till stor del till grund för dessa effekter

38 Hudskador röntgenstrålning Nu strålskadade fingrar på en radiolog fingrarna amputerades dos saknas strålskadad rygg på en kraftig patient suboptimalt utfört ingrepp i hjärtat dos: Sv

39 Hudskador på US 40 Ca 40 ingrepp/år med huddos > 2 Gy EVAR/THEVAR (2017: max 11 Gy) PCI-CTO (6 Gy) Kärlinterventioner (stent, embolisering) (12 Gy) För dessa patienter registeras dosen i röntgensvaret Patienter informeras om förhöjd risk för hudskada Undersökning av evt hudskada innan patienten skrivs ut

40 41 Effekt av patientstorlek 15 cm 20 cm 25 cm

41 Effekt av olika projektioner 42

42 43 Strålbehandling fraktioner Gy / fraktion till målorgan Minimera stråldos till omliggande riskorgan hud, lunga, hjärta

43 44 Hudskador strålbehandling 95% av patienter Bröst, huvudhals, lunga höga huddoser Uppstår under första veckan

44 Hudskador: gradering 45

45 Objektiv mätning 46

46 47 Objektiv mätning: blodflöde Strålbehandling bröstcancer 25 x 2 Gy

47 Ögonlins

48 Strålningsinducerad katarakt 49 Orsakas av cellskador i framre delen av linsen Celler flyttar till bakre delen av linsen Yttrar sig som oorganiserade rader av fiberceller och bildar ogenomskinliga förtätningar. Inget cellutbyte sker så skador finns kvar hela livet Behandling: linstransplantation

49 Strålningsinducerad katarakt 50 Under 1950-talet trodde man att linskatarakt bara uppkom vid höga doser Baserade detta på cyklotronarbetare and A-bomb överlevare med doser på 2-3 Gy. Man antog att linskatarakt hade ett doströskelvärde på 1-2 Gy Nya studier har visat att tröskeln för katarakt kan ligga < 0.5 Gy Lång tid mellan exponering och uppkomst av symtom

50 Vilka riskerar höga ögondoser 51 interventionister (kardiologer, radiologer) personal som är närvarande vid genomlysning Långa ingrepp Många ingrepp operationspersonal som befinner sig nära patienter patienter (upprepade) CT undersökningar där ögonen är i det primära strålfältet patieneurointervention (embolisering)

51 52 ICRP statement April Tissue reactions with very late manifistation may occure For eye lens, threshold is estimated 0.5 Gy. Occupational dose limit of 20 mgy/y averaged over 5 years and with no single year exceeding 50 mgy Optimering av strålskyddet av ögonlinsen betonades

52 53

53 Fantom för ögondosmätningar 54

54 dosreduction 100% Dosreduktion 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% model 1 model 2 model 3 0% AP-projection Model 1 Model 2 Model 3 55

55 dose reduction ability Dosreduktion: effect av projektionsvinkel 120% 100% 80% 60% 40% 32% 20% 0% -90ᵒ: 0ᵒ -60ᵒ: 0ᵒ -30ᵒ:0ᵒ 0ᵒ: 0ᵒ 30ᵒ: 0ᵒ 60ᵒ: 0ᵒ 90ᵒ: 0ᵒ 0ᵒ: 30ᵒ 0ᵒ: -30ᵒ Projection LAT:CC 56

56 57 Blyskärm Takhängd blyskydd, 0.5 mm Pb 100% dosreduktion

57 Stokastiska (sena) effekter

58 59 Stokastiska effekter Man kan bara uttala sig om sannolikheten att skadan uppkommer. Sannolikheten (inte graden av skadan) ökar då stråldosen ökar. Även vid låga stråldoser. Uppträder relativ lång tid efter bestrålning. Kallas även sena effekter. Omfattar cancer och ärftliga skador.

59 60 Tidsförlopp (latenstid) Tidsintervallet mellan bestrålning och uppkomst av sjukdom Leukemi: 2-15 år (topp efter 5-7 år) Solida tumörer: år Strålningen kan tidigt initiera den skadliga effekten men andra faktorer behövs för att cancern ska utvecklas (t.ex. vissa hormoner i bröstcancer)

60 Strålningsinducerad cancer

61 62 August 6, 1945

62 63 Riskuppskattningar Till stor del baserade på atombomsoffer i Hiroshima och Nagasaki. Relativt höga doser hos ett fåtal måste användas för riskuppskattningar för stora populationer vid låga doser.

63 64 Beräkningar från Hiroshima och Nagasaki exponerade där stråldos kunde beräknas och som inkluderas i studier mellan döda i cancer vilket är cirka 507 fler döda än förväntat: excess risk. E.g.: D. L. Preston, H. Kato, K. J. Kopecky, S. Fujita. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors: 8. Cancer Mortality, Radiation Research 111 (1987) Y. Shimizu, H. Kato, W. J. Schull. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors: 9. Mortality, : Part 2. Cancer Mortality Based on the Recently Revised Doses (DS86). Radiation Research 121 (1990)

64 D. L. Preston, H. Kato, K. J. Kopecky, S. Fujita. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors: 8. Cancer Mortality, Radiation Research 111 (1987)

65 66

66 67 Cancerrisk DT Cancerrisken varierar med ålder, kön och typ av röntgenundersökning: Buk DT av en nyfödd (0 år) medför 0.14% risk av dödlig cancer (30 msv ekvivalent organdos) Buk DT av en pensionär (65 år) medför 0.01% risk av dödlig cancer (15 msv ekvivalent organdos) Hur stor är cancerrisken av andra faktorer?

67 68 Osäkerhet i riskbedömning Osäkerheten är ungefär en faktor 3 och det mesta av osäkerheten beror på extrapoleringen från höga till låga stråldoser. Andra osäkerhetsfaktorer: Epidemiologi ± 25% Dosimetri 0-30% Olika population -30% till +60%

68 Fosterskador

69 70 Foster är mycket strålkänsliga 0 till 8:e veckan dagar efter befruktning: Ingen risk för mentala skador. Fosterdöd och oförmåga att få fäste i livmodern kan förekomma 8:e till 15:e veckan: Hjärnan utvecklas med celldelning och profilering. Stor risk för mental retardation eller psykisk utvecklingsstörning vid doser > 100 mgy. Risk för mental utvecklingsstörning är 40 % per Gy. Efter 15:e veckan avtar risken för mental utvecklingsstörning.

70 Risk för mental retardation 71

71 Fosterdoser vid radiografi 72

72 Fosterdoser vid DT 73

73 74 Graviditet och röntgenundersökningar Fosterdoser från normala röntgenundersökningar medför inte någon ökad risk för fosterskador utöver bakgrundsrisken. Vid fosterdoser mindre än 100 mgy har ingen förhöjd risk för missbildning konstaterats. Enskilda röntgenundersökningar ger normalt fosterdoser << 100 mgy. Kvinnan har rätt att få veta fosterdosen.

74 75 Graviditet och röntgenundersökningar Om en gravid/misstänkt gravid patient ska röntgas och fostret riskerar att hamna i fältet eller inom 5 cm från fältkant: Skjut om möjligt upp undersökningen Överväg alternativ metod utan röntgen, t.ex. ultraljud eller MR Minimera dosen till fostret genom att t.ex. använda anpassade gravidprotokoll på modaliteten, följ metodbokens anvisningar. Kontakta sjukhusfysiker för en dosuppskattning

75 Strålskydd

76 77

77 Spridd strålning 78

78 79 röntgenrör Bild: Schueler et al. Radiographics 2006;26:

79 80 Liten patient Stor patient Bild: Schueler et al. Radiographics 2006;26:

80 81 Bild: Schueler et al. Radiographics 2006;26:

81 82 Strålskyddsprinciper Tid: Vistas i strålning så kort tid som möjligt. Avstånd: Strålningen avtar med kvadraten på avståndet. Skydd: Använd strålskydd om möjligt

82 83

83 84 30 kev: H ½ = 0.02 mm 60 kev: H ½ = 0.13 mm 200 kev: H ½ = 0.60 mm

84 85

85 86

86 Tack!