Dosimetri vid röntgendiagnostik Hur mäter man stråldoser vid röntgenundersökningar? SK kurs 7 December 2015 Gudrun Alm Carlsson Radiofysik, IMH Hälsouniversitetet, Linköping tel: 013-286855 e-mail: Gudrun.Alm.Carlsson@liu.se Patientdosimetri Riskuppskattningar Optimering av fysikaliska och tekniska parametrar Dosimetry in the detector Bildkvaliten beror av energi absorptionen I detektorn Optimering Välj avbildnimgsparametrarna så att bästa bildkvalitet erhålles till lägsta möjliga dos till patienten Upplägg Absorberad strålningsenergi Absorberad strålningsenergi Absorberad dos Dosimetri 1) Laddad partikeljämvikt- kerma 2) Hur kan vi mäta kerma? 3) Hur bestämmer man absorberad dos i vävnad? 4) Hur varierar absorberad dos med djupet i kroppen? 5) Patientdoser- hur kan de mätas? Absorberad dos Hur transporteras joniserande strålning i en bestrålad kropp? Hur fördelar sig den absorberade energin I kroppen? Absorbed dose D= dϵ/dm Vävnadens densitet ρ dm = ρ dv När volymen dv görs oändligt liten får vi den absorberade energin i en punkt. Både dε och dm går mot noll men kvoten dε/dm antar ett ändligt värde. Absorberad dos antar ett bestämt värde i varje punkt och beskriver hur den absorberade energin varierar med läget I den bestrålade kroppen Varje foton ger upphov till en jonisation Varje frisatt banelektron ger upphov till tusentals jonisationer innan den stoppas Elektronernas räckvidder är korta jämfört med fotonernas fria medelväglängder Unit Gy 1 Gy=1J/kg Frigjord banelektron som bromsas ner genom att jonisera (punkterna=jonpar): 1
Dosimetri Hög- och låg LET strålning D=dε/dm d = absorberad strålningsenergi den lilla massan dm Den absorberade energin (i vävnadsvolymer av lika storlek) varierar i olika delar av kroppen betroende på hur dämpning av strålningen sker i kroppen (extern bestrålning) och hur de radioaktiva ämnena fördelar sig i kroppen vid intern bestrålning För att beskriva dessa variationer har vi definierat begreppet ABSORBERAD DOS, D Enhet: 1 Gy = 1 J/kg Vid röntgendiagnostik varierar absorberade dosen i stort sett exponentiellt med djupet i kroppen (monoenergetiska fotoner). Avvikelser beror på spridd strålning som alstras vid spridningsprocesser i kroppen. Strålskyddsmått- ICRP 103 (2007) Strålskyddsmått ICRP 103 Ekvivalent dos H w R D Effektiv dos (hela kroppen) E w T H T T H =organdosen D viktad med den relativa biologiska effekten w R ICRP Publication 103 (2007) Ekvivalenta dosen används vid riskuppskattningar för slumpmässiga skador (cancer och ärftlig skada) Enhet: 1 Sv (sievert) För fotoner och elektroner är ekvivalenta dosen = organdosen D mätt i Gy H T = ekvivalenta dosen för organ T w T = viktfaktor för organ (organets relativa känslighet för slumpmässig skada) ICRP Publication 103 (2007) T w T 1 Effektiva dosen motsvarar den homogena helkroppsdos som ger samma totala risk för slumpmässig skada som den aktuella bestrålningen med varierande doser till organen Effektiva dosen är ett mått på den totala risken att utveckla cancer eller ärftliga skador Effektiv dos- exempel Viktfaktorer för organ Anger den relativa risken för letal strålningsinducerad cancer i ett organ Summan av faktorerna är 1 Om lungorna bestrålas till 1 msv (viktfaktor 0,12) så är det samma risk för slumpmässig skada (att utveckla cancer efterbestrålningen) som om hela kroppen bestrålats med 0,12 msv 0.01 Hjärna 0.04 Esofagus 0.12 Lunga 0.12 Mage 0.04 Lever 0.04 Blåsa 0.01 Hud 0.12 Övrigt* Spottkörtlar 0.01 Thyroidea 0.04 Bröst 0.12 Tarm 0.12 Gonader 0.08 Ben-ytor 0.01 Benmärg (röd) 0.12 Strålskyddssektionen US *binjure, ET, gallblåsa, hjärta, njure, lymfnoder, muskler, mun-slemhinnor, pankreas, prostata, tunntarm, mjälte, tymus, uterus/cervix 2
Fri medelväglängd för fotoner och räckvidder för elektroner vid samma energi Dosimetri Energy, kev 10 Photons, 1/, mm 2 Electrons, R mm 0.0024 20 13 0.0083 Laddad partikeljämvikt Charged particle equilibrium CPE kerma 30 60 80 100 150 38 49 54 59 66 0.028 0.058 0.096 0.14 0.28 200 73 0.44 Laddad partikeljämvikt Betrakta masselement som är litet jämfört med sekundärelektronernas räckvidd Sekundärelektroner som frisatts av fotoner i masselementet avger del av sin energi (joniserar) utanför masselementet Sekunärelektroner som frisatts av fotoner utanför masselementet avger sin energi (joniserar) i samma masselement Om det omgivande mediet är av samma slag så råder balans mellan energin som bärs ut ur masselementet och energin som förs in i det Det råder då laddad partikeljämvikt i masselementet Charged particle equilibrium CPE Kerma = energi som överförs till sekundärelektroner per massenhet Absorberad dos när CPE råder kerma I punkter där CPE råder är den absorberade dosen proportionell mot fotonernas energifluens en D en är mass energi absorptionskoefficienten och beror av fotoenenergin och materialet Ett speciellt namn på den absorberade dosen då CPE råder är kerma, K CPE D=K Undantag när CPE inte gäller: gränsytor mellan olika medier Hur kan vi mäta absorberad dos? 100 kv Al lead På avstånd mindre än100 m råder inte CPE. Celler som ligger intill ett material med högt atomnummer kommer att bestrålas med ett överskott av fotoelektroner från metallen, desto mer ju högre atomnummer metallen har. Sn Cu 200 kv En viktig mätmetod utnyttjar CPE i luft och mäter luftkerma kan hänföras till primära standarder vid standardlaboratorier Kerma i luft mäts med en jonkammare En jonkammare består av en luftvolym omgiven av luftekvivalenta väggar av högre densitet än luften. Väggarnas tjocklek ska vara något större än sekundärelektronernas räckvidder så att endast elektroner frisatta i väggen når luftvolymen 3
Jonkammare Cylindrisk jonkammare Absorberad dos i medium/vävnad Om en jonkammare används att mäta kerma i luft fås kerma I vävnad i samma punkt genom att korrigera med hjälp av kvoten av massenergiabsorptionskoefficienterna K air en air I praktiken kalibreras jonkammaren vid ett standardlab K tissue en tissue en K tissue K air tissue en air Absorberad dos (kerma) framför och bakom högatomärt material (tex kontrastmedel) Patientbestrålning: fältyta Organ i primärfältet får högre doser vid liten fältyta men totala absorberade energin blir lägre och därmed totala risken På djupet 18 mm in a Teflon kub är tunna metallfolier placerade (Sn likt Ba) x Cu 0 Sn Heldragen linje visar djupdoskurvan i ostört fantom Patientbestrålning: rörspänning (kv) Högre rörspänning ger lägre absorberade doser (doserna normaliserade till utgångsdosen) Patientbestrålning: primärfiltrering Den extra filtreringen reducerar antalet fotoner med låga energier som inte bidrar till bilden utan enbart till bestrålning av patienten 4
Patientbestrålning: kompression Vid kompression från 20 cm till 15 cm reduceras ingångsdosen till hälften Hur kan vi mäta organdoser? Organdoser kan bara mätas indirekt 1) Genom att placera dosimeter på huden 2) Genom att mäta den infallande strålningen med hjälp av en tunn jonkammare som täcker hela fältytan Dosimeter mäter absorberade dosen i den punkt där den är placerad Transmissonsjonkammare mäter luftkerma integrerad över fältytan = kerma area produkten (KAP) Dosimetern kan också vara en jonkammare eller en diod Dosimeter ska inte nämnvärt dämpa fotonerna Signalen från KAP meter registrerar fältytans storlek. Med huddosmätning fås ingen information om fältytan TLD = thermoluminescent dosimeter Inversa kvadratlagen KAP meter inbyggd i röntgenrörets kollimatorhus Fabrikantens kalibrering av den inbyggda KAOP inbyggda KAP metern kontrolleras med hjälp av en KAP meter kalibrerad vid SSM komtrolleras KAP värdet är oberoende av avståndet från röntgenfokus Referens KAP meter 30 cm från från inbyggda KAP metern KAP värdet är oberoende av avståndet från röntgenfokus 5
Organdoser bestäms med hjälp av fantom Fysikaliska fantom 1) Fysikaliska fantom med hål för dosimetrar i olika organ 2) Matematiska fantom och Monte Carlo simuleringar Resultat finns i tabellverk. Det finns också program där man lägger in sin egen bestrålningssituation Stiliserade matematiska fantom Voxelfantom från CT bilder Voxelfantom typiska värden 56 organ/vävnader 3 mm voxlar Slut Tack för uppmärksamheten! 5 vävnadstyper: Ben Muskel Benmärg Lungvävnad Luft 6