Fysiologiska effekter av joniserande strålning Föreläsning vid Intensivkurs i Medicin teknisk säkerhet 2013-03-14 Gudrun Alm Carlsson
Vad är joniserande strålning? Joniserande strålning består av laddade och oladdade partiklar som förmår att jonisera atomer och molekyler i det bestrålade mediet Laddade partiklar: elektroner, protoner, tunga laddade partiklar som He kärnor (α partiklar), kol-joner etc Oladdade partiklar: fotoner, neutroner Jonisation: en process där en eller flera banelektroner frigörs från sina atomer eller molekyler
Elektromagnetisk strålning - joniserande och icke-joniserande Elektromagnetisk strålning Joniserande strålning kännetecknas av hög frekvens (kort våglängd) och energirika fotoner Foton: minsta energi bärande enhet Fotoner som kan jonisera h ν > EB h= Plancks konstant 6.6x10 6 Js c ν = c=ljusets hastighet i vakuum 3x10 8 m/s λ E B = banelektronernas bindningsenergi
Hur sker en jonisation? Joniserande strålning kan bilda joner i det bestrålade föremålet, så kallad jonisation. En jonisation kan ske då strålningen har tillräckligt hög energi för att frigöra en elektron.
Joniserande strålning i medicinens tjänst Ljuset är livets moder Rolf Sievert fysiker bland svenska pionjärer Röntgen upptäckte röntgenstrålningen 1895 Marie Curie isolerade radioaktivt Ra 1898 Både röntgenstrålning och Ra preparat togs snabbt i bruk för diagnostik och terapi Glasfönster Radiumhemmet från 1910
ICRP grundas 1928 Fram till år 1922 hade ett 20-tal radiologer dött av strålskador På den svenske fysikern Rolf Sieverts initiativ grundades den internationella strålskyddsorganisationen ICRP i Stockholm 1928 ICRP= International Commission on Radiological Protection ICRP ger fortlöpande ut rekommendationer som ligger till grund för nationella lagar och förordningar om strålskydd Första Strålskyddslagen i Sverige 1941
Joniserande strålning i vår omgivning
Bestrålning från olika naturliga strålkällor Stora variationer i bestrålning från naturliga strålkällor Minst bestrålning vid vistelse i båt ute på havet Mindre bestrålning från sedimentära bergarter än från granit- bäst att bo på Gotland Bestrålning från kosmisk strålning tilltar med höjden över havet- inte helt okomplicerat för flygpersonal Stråldoser i msv
Joniserande strålning jämförelse av bidrag från medicinska och naturliga strålkällor
Fotoners växelverkan med materia 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 Frigjord banelektron som bromsas ner genom att jonisera (punkterna=jonpar):
Olika strålslag absorberar partiklar med samma energi olika mycket Alfastrålning = 2+ He-kärnor från radioaktivt sönderfall Betastrålning = elektroner som skickas ut vid radioaktivt sönderfall Gammastrålning = fotoner som skickas ut vid radioaktivt sönderfall Alfa strålning påverkar kroppens vävnader om det radioaktiva preparatet kommer in i kroppen, tex vid inandning av radongas Beta-strålning kan orsaka hudskador om ämnet hamnar direkt på huden Gamma-strålning (elektromagnetisk strålning) förmår tränga in i kroppen
Hög- och låg LET strålning Tätjoniserande strålning (hög-let) Glesjoniserande strålning (elektroner)
Jonisationer avbildade i dimkammare I dimkammaren blir jonisationerna synliga som vattendroppar då vattenånga kondenseras till vatten på jon-paren som bildas Tätjoniserande 3000-7000 jonpar/mm Glesjoniserande 6-20 jonpar/mm
Dosimetri Våra vävnader reagerar på hur mycket strålningsenergi, som absorberats (hur många jonisationer som inträffat) i vävnaden D = dε / dm d ε = 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 Absorberade dosen är en storhet som antar ett värde i varje punkt i kroppen. Det skiljer sig alltså från begreppet dos som vanligen används i medicinska sammanhang Den joniserande strålningen ger lokala verkningar, som beror av den absorberade dosen i punkterna i det aktuella området
Överlevnadskurvor-hög och låg LET strålning Relativ biologisk effekt RBE RBE= D X / D α Alfa-strålning Alfa-strålning Röntgenstrålning Röntgenstrålning D X och D α är stråldoser som ger lika stor andel överlevande celler Röntgenstrålningen ger större andel överlevande celler vid samma dos som alfastrålningen och påverkas av fraktionering. Reparationsmekanismer ökar överlevnaden vid fraktionering
Strålskador på DNA molekylen Basskada under reparation Baspar: tymin (T)-adenin (A) guanin (G)-cytosin (C) Enkelsträngsbrott: Dubbelsträngsbrott skada i sockermolekylen Basskador och enkelsträngsbrott repareras felfritt den oskadade DNA strängen visar vilken information som ska kodas in vid reparationen Dubbelsträngsbrott är svåra att reparera med korrekt information bevarad Joniserande strålning kan ge dubbelsträngsbrott Bildidé: Gunnar Ahnström
Strålskador vid celldelningen DNA syntes Kromosomerna framträder a) normal cell b) utbyte av DNA sekvenser mellan två kromosomer men normal celldelning c) så stor kromosomstörning att cellen inte kan dela sig Celler som lever vidare i modifierad form (fall b) kan med tiden leda till att cancer utvecklas genom aktivering av onkogen eller inaktivering av tumör-supressorgen Apoptos = celldöd under ordnade förhållanden Bildidé: Gunnar Ahnström
Tidsförlopp av skador på cellulär- och organnivå
STRÅLSKYDD Deterministiska och slumpmässiga skador Deterministiska skador Slumpmässiga skador Frekvens Tröskelvärde >1 Gy Risk 100 % Vid tillräckligt hög dos kommer alla att utveckla skadan (frekvensen 100%) Skadan beror av en omfattande celldöd i bestrålad vävnad Skadans allvarlighetsgrad tilltar med växande dos D Skadans allvarlighetsgrad densamma oberoende av dosen Risken < 100% då endast celler som överlever bestrålningen kan orsaka att cancer utvecklas H
Dos-effektsamband Risk som funktion av dos - musmodell
Strålskyddsprinciper Strålskyddsrekommendationerna består av ett system av dosvärden Syftet är att FÖRHINDRA uppkomst av deterministiska skador BEGRÄNSA RISKEN för slumpmässiga skador
Strålskyddsmått- ICRP 103 (2007) Ekvivalent dos H = w R D H =organdosen D viktad med den relativa biologiska effekten w R 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 ICRP Publication 103 (2007)
Strålskyddsmått ICRP 103 Effektiv dos (hela kroppen) E = w H T T T H T = ekvivalenta dosen för organ T w T = viktfaktor för organ (organets relativa känslighet för slumpmässig skada) w T 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 ICRP Publication 103 (2007) Effektiva dosen är ett mått på den totala risken att utveckla cancer eller ärftliga skador
Viktfaktorer för organ Anger den relativa risken för letal strålningsinducerad cancer i ett organ Summan av faktorerna är 1 0.01 Hjärna 0.04 Esofagus 0.12 Lunga Spottkörtlar 0.01 Thyroidea 0.04 Bröst 0.12 0.12 Mage 0.04 Lever 0.04 Blåsa 0.01 Hud 0.12 Övrigt* 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
Effektiv dos- exempel 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
Deterministiska skador Akut helkroppsbestrålning Endast möjligt att rädda den strålskadade vid doser < 5 Gy genom terapeutiska åtgärder Strålskador vid doser >5 Gy leder till individens död i akut strålningssyndrom Stråldoser till röda benmärgen leder till förlust av vita blodkroppar med ett minimum efter ca 3 veckor. Orsak till död är infektioner. Den som överlever har normal blodbild efter ca 1 år
Deterministiska skador- akut helkroppsdos Överlevnad (dagar) 100 10 Skador på: Blod och benmärg Mag-tarmkanalen Stamceller som genererar nya blodkroppar slås ut. Efter ca 3 veckor akut brist på vita blodkroppar (trombocyter) Terapi: minimera infektionsrisken Skador på tarmslemhinnorna. Död på grund av svåra rubbningar i elektrolytbalansen Hjärnan 1 10 100 Stråldos (Gy) Data från SOS-Rapport 1998:13
Strålningseffekter granulocyter Data från SOS-Rapport 1998:13
Akuta strålskador- Tjernobyl Kärnkraftshaveri 26 april 1986 Svårighetsgrad Antal till sjukhus Doser Antal döda Kiev Kiev Moskva Moskva (Gy) Gy -25 Aug. -25/8 86 1986 ----------------------------------------- 4 2 20 6-16 21 3 2 21 4-6 7 2 10 43 2-4 1 1 74 31 1-2 - 29
Deterministiska skador- delkroppsbestrålning Tröskelvärden (engångsbestrålning) Hudrodnad 3-8 Gy Ögonlinsgrumling 2-4 Gy saknar tröskelvärde?? Lungskador 5-10 Gy (LD 50 =20-30 Gy om hela lungan bestrålad) Sköldkörtelskador 10-50 Gy
Hudreaktioner efter engångsbestrålning 3-8 Gy hudrodnad 5-10 Gy torr hudinflammation 12-20 Gy fuktig hudinflammation >25 Gy fuktig hudinflammation och vävnadssönderfall
Ögonlinsgrumling- en deterministisk eller slumpmässig effekt? ICRP (2011) bedömer att tröskelvärdet bör sättas till 0.5 Gy ICRP Statement on Tissue reactions Approved by the Commission on April 21, 2011 ICRP ref 4825-3093-1464 Har ännu inte fått genomslag i strålskyddsrekommendationer Figuren antyder att det eventuellt inte finns något tröskelvärde eller att om tröskelvärde finns det ligger i intervallet 0-0.8 Gy Källa:http://www.rerf.or.jp/radefx/early_e/cataract.html
Slumpmässiga effekter- epidemiologiska data Atombombsöverlevande från Hiroshima och Nagsaki utgör främsta informationskällan LSS- life span study
LNT (Linear-No-Threshold) hypotesen ICRP utnyttjar LNT hypotesen vid bedömning av riskerna vid de små stråldoser (<200 msv) där statistiskt signifikanta data saknas? LNT hypotesen Linjära-icke-tröskel hypotsen 200 msv Här har vi problem i strålskyddet Hur stora är riskerna vid de låga doserna?
Risk för leukemi och solida tumörer- variation över tid Tex hjärt- och kärlsjukdom Inte väl förstådd mekanism Bomberna över Hiroshima och Nagasaki fälldes 1945; de överlevande erhöll i snitt 200 msv i effektiv dos
Risk för utveckling av leukemi som funktion av dos till benmärgen Linjärt dos-respons samband förenligt med observerade data från Hiroshima och Nagasaki
Sköldkörtelcancer bland barn som exponerats för utsläpp från Tjernobyl Diagnostiserade thyroida-cancer-fall fram till 1998 bland barn 0-17 år vid exponering (Thernobylolyckan) 300 250 Antal 200 150 100 Belarus Russian Federation Ukraine Total Dos- responssamband okänt 50 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 Bakgrundsfrekevns År
Risk för cancerutveckling som funktion av kön och ålder vid bestrålningen RISK (%) 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 män kvinnor 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ÅLDER VID BESTRÅLNING (ÅR)
Risk för ärftliga skador Mutationer i bananfluga Frekvens (%) 10 5 0 Absorberad dos, Gy 0 10 20 30 40 HJ Muller upptäckte 1927 att röntgenstrålning kunde inducera mutationer i bananfluga
Risk för ärftliga skador Joniserande strålning inducerar inte nya mutanter. Höga stråldoser till möss har endast åstadkommit en ökning av de mutationer som förekommer spontant. Inga strålningsmonster har uppdagats Dubblingsdosen är den stråldos som ger lika många mutationer per könscell som naturen under en generationslängd (30 år) Med glesjoniserande strålning är Dubblingsdosen 0.3 Gy vid akut bestrålning 1 Gy vid utdragen bestrålning
Ärftlig påverkan generationer framåt Efter bestrålning med 3 Gy Våra föräldrar Våra förfäder
Det känsliga fostret 0-10 dagar efter befruktning Hög strålkänslighet men skador medför troligen spontan abort Dag 10-60 Period med dominerande organogenes. Måttlig risk för foster-skador (skelettdefekter). Kräver doser av minst 100-200 msv Vecka 8-15 Utveckling av det centrala nervsystemet (CNS). Risk för allvarliga CNSeffekter, t ex mental retardation (risk ca 40%/Gy). Förhöjd risk kräver fosterdoser av minst 100 msv
Risk för allvarlig mental störning Känslig period för utveckling av allvarlig mental störning (IQ<68): 8-15 graviditetsveckan Från Carlsson och Svensson 2007
Slumpmässiga risker - sammanfattning Fosterskada 40/100 per Sv (mental retardation) Leukemi + cancer 5/100 per Sv (dödlig cancer) 10/100 per Sv (incidens) Ärftlig skada 2/1000 per Sv att få allvarligt skadat barn eller barnbarn Risk för utveckling av leukemi och cancer är idag det största problemet när det gäller personalstrålkyddet
Dosgränser för personer i verksamhet med joniserande strålning Förväntas bli sänkt inom kort!
Strålrisker jämfört med andra risker Strålskyddsambition: yrkesrisken ska vara försumbar jämfört med andra risker Risknivå säker industri Strålrisk vid arbete med joniserande strålning (b) Strålrisk naturlig strålning (5 msv/år)
Bestrålning av personal vid sjukhus Arbetstagare lämnat in dosimeter olika många månader Stråldoser <2mSv per år ej statistiskt signifikanta Persondosimetrarna kan inte mäta stråldoser lägre än bakgrundsstrålningsdosen
Dostrend- personal vid LiÖ och LiU 700 1,6 Kollektivdos, msv 600 500 400 300 200 100 Kollektivdos Individdos medel 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Individdos (Hp(10)) medel, msv Dosgräns 20 msv/år 0 0,0 1980 1990 2000 2010 År
Slut på presentationen Tack för uppmärksamheten!