Introduktion strålningsbiologi och dosimetri.

Transkript

1 Introduktion strålningsbiologi och dosimetri. Strålslag som kan användas Elektromagnetisk strålning Gamma (strålning från kärnan) Röntgen (bromsstrålning) Annihilationstrålning Partikelstrålning Alfa (heliumkärnor) Positroner (positiva elektroner) Beta (elektroner från kärnan) Elektroner (linjäraccelerator) Protoner, tunga joner, Neutroner (fission, spallation) Bild från Marie Curies doktorsavhandling Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 2 1

2 Användande av strålning Energiavgivare Radioaktivt ämne Röntgenstrålkälla Accelerator Energimottagare Människans vävnad Enskilda celler Mätinstrument Strålskärm Strålning är bärare av energi - Elektromagnetisk vågrörelse (fotonkvanta) - Partiklar i rörelse Absorberad dos Gy = Absorberad energi massenhet J kg Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 3 Joniserande strålning Elektroner slås ut från sina atomer Kemiska bindningar kan förstöras Skador på celler i vävnad Vid en excitation lyfts en elektron upp i utanförliggande skal Elektrisk signal i mottagare Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 4 2

3 Absorption av strålning All infallande strålning som inte tränger igenom ett objekt kommer att absorberas i detsamma. Delar av den absorberade strålningsenergin kommer att orsaka jonisationer och excitationer. Om objektet utgörs av kroppens vävnader: hög grad av absorption mycket energi per massenhet många jonisationer per massenhet ökad risk för skador Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 5 Absorberad dos Det vore således värdefullt om man kan definiera och mäta den absorberade strålningsenergin per massenhet. Denna storhet borde då kunna relateras till den biologiska effekten av strålningen. Man definierar storheten absorberad dos som anger den absorberade energin per massenhet betecknas med D enhet: 1 J/kg = 1 Gy (gray) Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 6 3

4 Absorberad dos (forts) Exempel: letal dos naturlig bakgrund röntgen, nuklearmedicin 6 Gy (till hela kroppen) 1 mgy/år 1-50 mgy per us Om all strålningsenergi omvandlas till värme. Hur mycket höjs kroppstemperaturen vid en helkroppsbestrålning till en absorberad dos på 6 Gy? Svar: o C Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 7 Louis Harold Gray Den brittiske fysikern och strålningsbiologen Louis Harold Gray har fått ge namn åt enheten för storheten absorberad dos. Louis Harold Gray Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 8 4

5 DNA-molekylen Man är numera ganska övertygad om att den primära targeten i en bestrålad cell är DNA-molekylen. En skada på DNA-molekylen kan leda till en irreversibel skada på cellen som innebär att den förlorar förmågan att dela sig eller att det uppkommer strukturella förändringar som gör att cellens funktion ändras. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 9 Direkt- och indirekt effekt Direkt effekt: DNA skadas genom en direkt energideponering i molekylen vilket leder till att kemiska bindningar bryts upp. Indirekt effekt: Energideponeringen sker i DNA-molekylens omgivning. Detta leder till produktion av fria radikaler och andra kemiskt mycket reaktiva substanser, vilka sedan kemiskt attackerar DNA-molekylen. FoF, 1987:1 Vid gamma- och röntgenstrålning orsakar den indirekta effekten ca 75% av skadorna. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 10 5

6 Strålningsinducerade cell-skador DNA molekylär skada Reparation Mutation Kromosomskador Biologiska konsekvenser: Cell död Bestående kromosomskador Nedsatt Funktion Sjukdom, cancer Fel i tillväxt (unga) Genetiska skador Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 11 Reparationsmekanismer Olika typer av skador på DNA-molekylen förekommer: enkelsträngsbrott dubbelsträngsbrott, basförändringar brott på vätebindningar m.fl. Cellen är mest känslig för strålningsinducerade skador under själva delningsfasen (Mitosen) Alla typer av skador på DNA-molekylen leder inte till en irreversibel skada på cellen. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 12 FoF, 1982:4 Ett biologiskt system har en reparationskapacitet som är mycket effektiv. 6

7 Reparationsmekanismer - ett räkneexempel människokroppen består av ca celler. en absorberad dos av 1 mgy per år (jfr naturlig bakgrund) kommer att producera ca jonpar d.v.s. 100 jonpar per cell i kroppen. om vi antar att DNA utgör 1% av cellens massa resulterar detta i 1 jonpar i DNA i varje cell i kroppen varje år. Schematiskt tidsförlopp: Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 13 Tätheten i energiöverföringen beror på strålslag Gamma Röntgen (fotoner) DNA Glesjoniserande Betastrålning Elektroner Alfa Protoner Neutroner Jonfragment Tätjoniserande Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 14 7

8 DNA-Reparationen Reparationsenzymer känner igen basparen Glesjoniserande Tätjoniserande Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 15 Biologisk effekt Processer Fysikaliska processer Jonisationer och excitationer Tidsförlopp s Kemiska reaktioner Fria radikaler s Biologiska effekter Akuta skador Sena skador Veckor, månader, år Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 16 8

9 Cellöverlevnad Överlevnadsfraktion I laboratoriet brukar man beskriva strålkänsligheten hos celler i form av cellöverlevnadskurvor. Kurvan bestämmer den överlevande fraktionen i en cellpopulation vid olika absorberad dos Absorberad dos Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 17 Cellöverlevnad - strålkvalitet Strålkvaliteten bestäms av: typ av strålning (elektromagnetisk- eller olika slag av partikelstrålning) strålningens energi Överlevnadsfraktion Låg LET Allmänt gäller att den överlevande fraktionen celler vid en viss absorberad dos kommer att minska med ökad LET hos strålningen 0.01 Hög LET LET: Linear Energy Transfer enhet: kev/ m Absorberad dos Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 18 9

10 Cellöverlevnad - strålkvalitet (forts) Orsaken till denna effekt är att sannolikheten för att orsaka en irreversibel skada hos DNAmolekylen är mycket högre om den absorberade dosen levereras längs ett tätt spår av jonisationer än i fallet med ett antal jonisations-händelser som är mera jämnt, glesare, fördelade. ICRP Publication 60, 1991 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 19 Ekvivalent dos Vid en viss absorberad dos ger olika strålkvaliteter olika biologisk effekt. En storhet som är närmare relaterad till strålningens biologiska effekt är den ekvivalenta dosen H = w R D enhet: 1 J/kg =1 Sv (sievert) Den absorberade dosen multipliceras med en strålviktningsfaktor, w R, som är relaterad till strålningens biologiska effekt (se nästa sida). Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 20 10

11 Ekvivalent dos - strålviktningsfaktorer Strålslag w R Fotoner 1 Elektroner 1 Neutroner 5-20 beroende på neutronens energi Protoner 5 Alfapartiklar 20 ICRP Publication 60, 1991 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 21 Ekvivalent dos - ett räkneexempel Vid en lungröntgenundersökning erhåller en patient en absorberad dos på 0.2 mgy till lungorna ekvivalenta dosen till lungorna: H= w R D = = 0.2 msv En gruvarbetare inandas radongas (alfa-strålning) och erhåller en lika stor absorberad dos på 0.2 mgy till lungorna ekvivalenta dosen till lungorna: H= w R D = = 4 msv Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 22 11

12 Cellöverlevnad - typ av celler Mest strålkänslig Minst strålkänslig Spermatogoner Lymfocyter Erytroblaster Epitelceller, tunntarm magsäck tjocktarm Hårfolliklar Epidermis CNS Muskelceller Ben Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 23 Deterministiska- och stokastiska effekter Om reparationsmekanismen misslyckas kommer vi att få biokemiska förändringar i cellen vilket leder till cellförändringar eller celldöd. Direkt effekt Celldöd Primär skada Nej Rep.? Ja Indirekt effekt Modifierad Cell En cellförändringsprocess kan leda till att cellen transformeras till en tumörcell och om förändringarna har skett i en könscell till mutationer som kan observeras först hos kommande generationer. Skada på organ Död Deterministiska Effekter Kroppscell Cancer Leukemi Könscell Ärftliga skador Stokastiska Effekter Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 24 12

13 Deterministiska effekter Allvarlighetsgrad Mest strålkänslig individ Minst strålkänslig individ Tröskel Frekvens Absorberad dos Tröskel dos Absorberad dos Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 25 Deterministiska effekter (forts) Deterministiska effekter har en tröskeldos under vilken förlusten av celler i ett organ kompenseras och ej blir kliniskt detekterbar. Över denna tröskeldos kommer skadans allvarlighetsgrad att öka med ökad stråldos. Vävnad Effekt Tröskeldos (Gy) Testiklar temporär sterilitet permanent sterilitet Ovarier sterilitet Linsen Huden linsgrumling katarakt erytem nekros De i tabellen angivna tröskeldoserna gäller vid en kortvarig exponering. Om stråldosen fraktioneras kommer tröskeldosen att öka. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 26 13

14 Stokastiska effekter Man talar i allmänhet om två typer av stokastiska effekter: de som uppträder i könsceller och kan ge upphov till ärftliga effekter de som uppträder i kroppsceller och kan resultera i cancer Ärftliga effekter: Det råder inget tvivel om att joniserande strålning ger upphov till ärftliga effekter. Detta har visats i omfattande djurexperimentella studier. Data från djurförsök utgör basen för kvantitativa uppskattningar av risker för ärftliga effekter eftersom humana data saknas. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 27 Stokastiska effekter (forts) Cancer: När det gäller uppskattningar av risken för cancerinduktion grundas dessa på noggranna observationer och uppföljningar av humana populationer som utsatts för en högre bestrålning än vad som är relevant ur strålskyddssynpunkt. Hiroshima, Nagasaki personer som arbetat med radiumfärg gruvarbetare personer bosatta i områden med hög naturlig bakgrundsbestrålning populationer som blivit bestrålade i terapeutiskt eller diagnostiskt syfte Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 28 14

15 Dos-responssamband Dos-responssamband för leukemi hos överlevande atombombsoffer i Japan. strålning kan orsaka leukemi sannolikheten för induktion av leukemi ökar med stråldosen Den absorberade dosen var hög Gy till flera Gy momentant. Kan då dessa data användas för att uppskatta strålriskerna vid mycket lägre stråldoser (<50 mgy) och doshastighet? Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 29 Dos-responssamband (forts) Flera observationer indikerar att sannolikheten för induktion av cancer är ca 2 gånger så stor vid höga doser och dos-hastigheter jämfört med låga doser och doshastigheter. I en situation där individer erhåller en låg stråldos är sannolikheten för cancer hälften av vad som observerats bland atombombsoffren (gäller låg-let strålning; fotoner, elektroner) KSU, 1992 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 30 15

16 Effektiv dos Sannolikheten för stokastiska effekter varierar mellan olika organ och vävnader. De olika organdoserna, ekvivalenta doserna, bör därför kombineras till ett enda mått som kan ge en uppfattning om den totala stokastiska effekten. Man har infört storheten effektiv dos E = w T H =w T w R D enhet: 1 Sv (sievert) Den ekvivalenta dosen till ett visst organ multipliceras med en organviktingsfaktor, w T, som är relaterad till sannolikheten för stokastiska effekter i detta organ. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 31 Organviktningsfaktorer Organviktningsfaktorer som skall användas vid beräkning av effektiv dos (enligt ICRP) Subtotal: Total: benytor huden blåsan bröst lever esofagus thyreoidea övriga organ colon lungor röd benmärg magsäck gonader Observera att summan av alla organviktningsfaktorerna är 1.00 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 32 16

17 Effektiv dos (forts) Begreppet effektiv dos möjliggör bl.a. jämförelser, ur risksynpunkt, mellan bestrålning av enskilda organ och jämn helkroppsbestrålning. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 33 Effektiv dos - ett räkneexempel En person inandas radon (-strålning) så att den medelabsorberade dosen till lungorna blir 10 mgy D lunga =10 mgy, w R =20 (-strålning), w T = 0.12 (lunga) E = w T w R D lunga =24 msv Sannolikheten för stokastiska effekter kommer i detta fall att bli densamma som om personen utsatts för en jämn helkroppsbestrålning med fotoner till en absorberad dos av 24 mgy D hela kroppen=24 mgy, w R =1 (fotoner), wt=1.00 (alla organ) E = w T w R D lunga =24 msv Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 34 17

18 Strålningsrisker Sannolikhet för strålningsinducerad fatal cancer och ärftliga effekter enligt ICRP Tabellen visar livstidsrisken uttryckt i % per sievert effektiv dos. Livstidsrisken är sannolikheten att någon gång under den återstående livstiden drabbas av fatal cancersjukdom p.g.a. exponeringen för joniserande strålning Organ/Vävnad Fatal cancer (%/Sv) Blåsa 0.30 Benytor 0.05 Bröst 0.20 Hud 0.02 Lever 0.15 Lunga 0.85 Magsäck 1.10 Matstrupe 0.30 Ovarier 0.10 Röd benmärg 0.50 Sköldkörtel 0.08 Tjocktarm 0.85 Övrigt 0.50 Subtotal 5.0 Ärftliga effekter 1.0 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 35 Strålningsriskens åldersberoende Livstidsrisk (%/Sv) Ålder vid bestrålning Medelvärde för hela befolkningen Den högre risken för barn bör medföra speciella strålskyddsinsatser Det finns inget som tyder på att fostret är mindre strålkänsligt än det nyfödda barnet Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 36 18

19 Risk för allvarlig mental retardation (ICRP) ICRP har ägnat särskild uppmärksamhet åt risken för allvarlig mental retardation vid prenatal bestrålning,ffa 8-15 veckan Man har noterat att IQ minskar med 30 enheter per Sv motsvarande en ökad andel observerbara fall av mental retardation med 40% per Sv Effekten är deterministisk med en tröskeldos av storleks-ordningen 100 mgy Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 37 Bestrålning av hela kroppen Energi-överföring som förmår bryta kemiska bindningar genom jonisation. Hela kroppen klarar ca 4 Joule/kg = 4 Gy Benmärgen är det känsligaste organet. Samma energimängd överförd som värme motsvarar temperatur-ökning på ca grader. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 38 19

20 Vår strålningsmiljö Strålning finns överallt! Naturlig strålning Solen Kosmisk strålning Vår egen kropp Mark och vatten Byggnadsmaterial Mänsklig strålning medicinsk strålning kärnvapenssprängning satelliter industri och kärnkraft konsumentartiklar Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 39 Svårighet med riskuppskattning vid låga doser... Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 40 20

21 Riskjämförelse En stråldos på 1 msv till hela kroppen är förenad med en risk att avlida som är 5 på Samma risk att avlida förekommer om man: 1. röker 3 paket cigaretter 2. bor ihop med en rökare i 5 år 3. kör bil 500 mil 4. flyger 5000 mil 5. paddlar kanot i 5 timmar 6. utövar bergsbestigning i 1 timme 7. dricker 50 burkar dietläsk Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 41 Strålning används för diagnostik och behandling Bildgivande undersökningar medicinsk imaging Cancer Hjärt-/kärlsjukdomar Reumatism (ledsjukdomar) Neurologiska sjukdomar (hjärnan) Risker på populationsnivå Sv, msv Behandling Tumörbehandling (cancer) Struma (sköldkörtelsjukdomar) Hudsjukdomar Risk för individen Gy Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 42 21

22 Höga och låga stråldoser 0,005 msv extra årsdos nära kärnkraftverk 0,01 msv stråldosen vid en tandröntgen 0,5 msv årsdosen för vissa sjukvårdsanställda 1 msv naturlig bakgrundsstrålning i Sverige 4 msv årsdosen för boende i Sverige 50 msv max tillåtlig årsdos för vissa anställda 5000 msv svår industriolycka (hälften dör) msv dödlig stråldos 1 msv = 0,001 Sv (sievert) Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 43 Onkologi är läran om tumörsjukdomar onkos (grek.) tumor (latin) = svullnad benign = godartad malign = elakartad Onkologiska kliniker tar hand om patienter med cancer. Cancer är ett samlingsnamn för ca 200 sjukdomstyper. Gemensamt för alla typer av cancersjukdomar är att celler i kroppen växer och delar sig ohämmat och utan kontroll. Behandling är kirurgi, cytostatika, hormoner och strålbehandling % av alla cancerpatienter får strålbehandling. Bildgivande tekniker är viktiga både för diagnostik och planering av strålbehandling. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 44 22

23 Cirka 100 svenskar per dag får cancer Livsstilsfaktorer om vi röker, vad vi äter, hur vi solar, osv. Miljöföroreningar / miljögifter Ärftliga faktorer Virus (humant papillom virus, HPA) Joniserande strålning Prostatacancer 37 % Bröstcancer 30 % Tjocktarm 15 % Lungcancer 13 %? Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 45 Cancer är en ålderssjukdom (2009) Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 46 23

24 Hur botas cancer med strålbehandling? Strålning ger skador på arvsmassan (DNA) Normala celler reparerar en DNA-skada i hög grad Tumörceller reparerar en DNA-skada i låg grad Dosering med en daglig stråldos under 5-7 veckor är effektivast för att slå ut tumören och skonsammast för den friska vävnaden fraktionerad strålterapi. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 47 Från Gray (Gy) till Sievert (Sv) Risk för individen Gy, Sv Risker på populationsnivå Sv, msv Gy Sv Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 48 24

25 Stråldosnivåer vid kurativ behandling Stråldos per fraktion (dag) Vanligen 2 Gy Total stråldos 1Gy 1 J kg Strålkänslig tumör: Gy Måttligt strålkänslig tumör: Gy Strålresistent tumör: Gy 49 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 49 Behandlingsfönstret balans mellan bot och skada 82% sannolikhet för bot 6% risk för skada Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 50 25

26 PET Positron Emission Tomography Två fotoner 180 o motriktade 511 kev 511 kev Annihilationstrålning Funktionella undersökningar i 2 och 3D Joniserande Icke-joniserande Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 51 Tumörceller gillar socker mage rygg Radioaktivt märkt glukoshö V ä Bild framifån Bild från vänster sida Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 52 26

27 Behandlingsuppföljning Cancer i lymfsystemet (Hodgkins lymfom) Cytostatikabehandling Före behandling 3 veckor efter behandling 6 veckor efter behandling Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 53 27