Introduktion till strålningens växelverkan. tomen och atomkärnan Radioaktivt sönderfall auger elektroner Röntgen strålning Radioaktiv strålning Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 2 nvändande av strålning Energiavgivare Radioaktivt ämne Röntgenstrålkälla ccelerator Energimottagare Människans vävnad Enskilda celler Mätinstrument Strålskärm Strålning är bärare av energi - Elektromagnetisk vågrörelse (fotonkvanta) - Partiklar i rörelse bsorberad energi bsorberad dos Gy= massenhet J kg Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 3 1
Strålslag som kan användas Elektromagnetisk strålning Gamma (strålning från kärnan) Röntgen (bromsstrålning) nnihilationstrålning Partikelstrålning lfa (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 4 Strålningens penetrationsförmåga lfa Papper Plast Bly Betong Elektroner, Beta Gamma och -rays Neutroner Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 5 Räckvidd hos olika typer av strålning lfa-partiklar Många små energi-överföringar => små riktningsförändringar (rakt spår) och en väldefinierad räckvidd Energi: 4 MeV => räckvidd i vatten ca 0.025 mm I 0 d I I/I 0.... partikelspår tjocklek, d Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 6 2
20 2013-02-07 Räckvidd hos olika typer av strålning (forts) Elektroner (Beta-partiklar) Färre antal större energi-överföringar => stora riktningsförändringar och en inte lika väldefinierad räckvidd. Energi: 6 MeV => räckvidd i vatten ca 35 mm 15 MeV => räckvidd i vatten ca 80 mm d I I 0 I/I 0 tjocklek, d partikelspår Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 7 ttenuering (uppbromsning) av fotoner Fotoner (röntgen- och gammastrålning) Man använder inte begreppet räckvidd. exponentialfunktion I 0 d I N N e 0 d : attenueringskoefficient (1/cm) I/I 0 tjocklek, d Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 8 Transmission av fotonstrålning Teoretisk kan inte fotonstrålning stoppas helt. Man använder begreppet halvvärdestjocklek (HVL): Den tjocklek av ett visst material som behövs för att reducera det infallande antalet fotoner till hälften Strålkvalitet (kv) Betong HVL (mm) Bly HVL (mm) 50 4.3 0.06 100 10.6 0.27 200 25 0.52 500 36 3.6 20 000 137 16.3 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 9 3
Vad är en elektronvolt? Energi = 0 Energi = 1 ev Elektron Med en elektronvolt (ev) menas den energi en elektron erhåller då den genomlöper en spänningskillnad på 1 volt + 1V Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 10 Elektromagnetiska spektrumet Våglängd (m) ; Frekvens (s -1 ) ; Energi (ev) Fotoner (kvanta) -1 c ms -1 f 1 1s 1Hz m E h f J eller ev Michael Ljungberg/Medical JoniserandeRadiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden Icke-joniserande 11 Röntgendiagnostik Elektrontätheten i kroppen Michael Ljungberg/Medical JoniserandeRadiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden Icke-joniserande 12 4
CT Computed Tomography (skiktröntgen) Elektrontätheten i kroppen i 2 och 3D Michael Ljungberg/Medical JoniserandeRadiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden Icke-joniserande 13 Gammakamera Normal sköldkörtel Struma Funktionella undersökningar Michael Ljungberg/Medical JoniserandeRadiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden Icke-joniserande 14 SPECT Single Photon Emission Tomography Funktionella undersökningar i 2 och 3D Michael Ljungberg/Medical JoniserandeRadiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden Icke-joniserande 15 5
PET Positron Emission Tomography Två fotoner 180 o motriktade 511 kev 511 kev nnihilationstrålning Funktionella undersökningar i 2 och 3D Michael Ljungberg/Medical JoniserandeRadiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden Icke-joniserande 16 Skillnad mellan röntgen och nuklearmedicin? Röntgenundersökning Morfologi Täthetsskillnader Ser små detaljer Extern bestrålning (röntgenstrålning) Nuklearmedicinsk undersökning Funktion Upptag av spårämne i vävnaden Kan inte urskilja detaljer Injektion av en radioaktiv lösning Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 17 Strålbehandling Linjäraccelerator med inbyggd röntgen Bromsstrålning Brachyterapi 4-18 MV röntgenstrålning Michael Ljungberg/Medical JoniserandeRadiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden Icke-joniserande 18 6
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 19 Strålningsinducerade cell-skador DN 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 20 Tätheten i energiöverföringen beror på strålslag Gamma Röntgen (fotoner) DN Glesjoniserande Betastrålning Elektroner lfa (heliumkärnor) Protoner Neutroner Jonfragment Tätjoniserande Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 21 7
Biologiska effekter kuta effekter Sena effekter Tröskeldos finns Över en viss stråldos drabbas alla Slumpmässiga Många saker som ska stämma för att ge effekt Celldöd Linsgrumling Benmärgsceller Celldöd Cancer Genetiska effekter Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 22 kuta effekter Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 23 Sena effekter tombomber Japanöverlevande Marshallöbor Militärer Medicinsk bestrålning Yrkesbestrålning Tjernobyl? Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 24 8
Radioaktivt sönderfall Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 25 O P betecknar grundämnet masstalet = summan av antal protoner och neutroner atomnumret = antalprotoneri kärnan O jonisationstillstånd hos atomen (2+, 3+) excitationstillstånd hos kärnan (m=metastabilt) P molekylbeteckning (antal atomer / molekyl) N neutrontal (antal neutroner i kärnan, N= ) Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 26 Nuklid = typ av kärna (entydigt bestämd av och ) Radionuklid = instabil nuklid Isotop iso betyder samma top betyder plats i periodiska systemet. samma, olika samma kemiska egenskaper, t.ex jod: 108 141I Isoton samma N = -: Isobar samma : 9 10 11 12 13 3Li, 3Be, 5B, 6C, 7N,... Be, C, N 12 12 12 5 6 7 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 27 9
=N Data om alla kärnor finns t.ex. i Table of Isotopes Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 28 28 N Lite information För <20: N, N/ 1, För 20: <N, N/ 1,5 För stora är N >, extra neutroner krävs för att kompensera ökande Coulombrepulsion Neutronernas sammanhållande förmåga begränsad lla nuklider med > 83, N > 126, > 209 är instabila. I naturen finns fördelade 284 stabila nuklider som isotoper av de olika grundämnena. Totalt har man funnit c:a 1500 instabila nuklider. Sönderfaller spontant för att nå fram till stabila neutron proton uppsättningar. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 29 Massdefekt och bindningsenergi Kärnans massa skiljer sig ifrån summan av massorna hos de ingående nukleonerna i fritt tillstånd Massdefekt (mass excess) definieras som: m ( ) m M p n m p och m n är vilomassan för en fri proton och en fri neutron och är vilomassan i grundtillståndet för en kärna med protoner och ( ) neutroner. M Δ är positivt för lätta kärnor och för kärnor med 215, medan det är negativt för masstal där i emellan. Bindingsenergin, B ges av massdefektens energiekvivalens: 2 B c Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 30 10
De radioaktiva sönderfallen α-sönderfall + sönderfall (positronsönderfall) - -sönderfall (negatronsönderfall) elektroninfångning (Electron Capture EC) Gammaemission Konversionselektronemission Karakteristisk röntgenstrålning ugerelektronemission Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 31 Sönderfallsschema E - Y* moderkärna E2 + Y* E1 - Y dotterkärna 0 + Y Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 32 lfasönderfallet Tunga instabila nuklider ( > 150 ) övergår spontant i lättare nuklider genom att sända ut en α-partikel -4 * -2 E + + Q -4-2 -4-2 0 Q 0 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 33 11
lfasönderfallet Q fördelas som den kinetiska energin hos α partikeln och dotterkärnan (rekylen), samt som deexcitationsenergi. v d M d M v -4 * -2 E -4-2 0 Md v M v Q 2 2 M v M v d d M vd v M d 2 2 d Ex. För en α-partikel med E α = 4 MeV och där M d =228 och M α =4 får vi att rekylenergin för dotterkärnan blir 0.07 MeV. lfapartikeln står alltså för 98% av energin och dottern 2%. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 34 lfasönderfallet lfasönderfall sker huvudsakligen i ämnen tyngre än bly (=82) lfapartikeln är stabil, bindningsenergin = 28 MeV En α-sönderfallande kärna har ett karakteristiskt spektrum av diskreta α-energier. Sönderfallsvägen är beroende på typ av kärna: Jämn - jämn N Jämn - udda N Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 35 lfasönderfallet De mest energirika -partiklarna härrör från de moderkärnor som har den kortaste halveringstiden: T ½ E α (MeV) 212 Po 0.3 μs 8.95 211 t 7.2 h 5.87 241 m 432 y 5.5 232 Th 1.4 10 10 y 4.0 144 Nd 2.4 10 15 y 1.83 T ½ varierar med en faktor 10 29 E α variererar med en faktor 4-5 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 36 12
Betasönderfall - : n p + e + + : p n + e + Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 37 - -sönderfallet I en nuklid med överskott på neutroner n pe eller Q 1 * +1 +1 E 0 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 38 Energin delas mellan elektronen och neutrino. På grund av mycket lågt tvärsnitt för växelverkan försvinner neutrinon och är i praktiken inte intressant att beakta. Beta partikeln kommer att ha en kinetisk energi som har en fördelning upp till max energi Medelenergi c:a 1/3 av max energin. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 39 13
3 H 14 C Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 40 32 P 33 P Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 41 3 H 32 P 14 C 33 P Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 42 14
β + -sönderfallet (positronsönderfallet) I en nuklid med överskott på protoner i förhållande till neutroner pne 1.02MeV Q 1 * -1-1 E 0 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 43 18 F 68 Ga Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 44 nnihilationsstrålning Efter det att positronen emitterats rör den sig några mm i mediet (och förlorar kontinuerligt sin energi vid nedbromsningen). Den exciterar och joniserar mediets atomer under någon μs. e+ 3-4 mm hv=511kev hv=511kev e+ e- I slutet av positronspåret bildas positronium [ e + -e - ] e + -e - -paret förintas 2 st fotoner med hv=0.511 MeV vardera bildas och emitteras 180 o motriktade. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 45 15
PET system Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 46 Elektroninfångning EC lternativ och konkurrerande process till β +, i en nuklid med protonöverskott pe n e Q 1 * -1 E E3 E2-1 0 E1 Gammastrålning 0 Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 47 Inre konversion Vid sönderfall exciteras kärnan och överskottsenergi sänds ut som gammafotoner. Vid inre konversion överförs energin till en elektron i något skal som frigörs från atomen I och med att en vakans uppstår i skalet emitteras karakteriskt röntgenstrålning. Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 48 16
Halveringstid Det radioaktiva sönderfallet är en slumpmässig process där i varje ögonblick sannolikheten för att en instabil kärna skall sönderfalla är konstant. Detta innebär att sannolikheten för att en instabil kärna skall sönderfalla är oberoende av den tid kärnan tidigare existerat i sitt instabila tillstånd, dvs. av kärnans ålder. Om vid tiden, t, föreligger ett stort antal kärnor, N(t), av en given radionuklid och att N(t) varierar med tiden, t, endast på grund av att kärnorna sönderfaller Under tidsintervallet t, t + dt, sönderfaller dn stycken av kärnorna. Under förutsättning att dn << N(t) gäller: Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 49 Ekvationen kan omskrivas till differentialekvationen ntag No kärnor vid tiden t=0 Tiden då N=No/2 kallas halveringstiden Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 50 Seriesönderfall I många fall sönderfaller en radionuklid till en nuklid, som i sin tur är radioaktiv osv. Processen kallas seriesönderfall. Vi tänker oss nu ett fall där den radioaktiva nukliden 1 sönderfaller till den radioaktiva nukliden 2, som i sin tur sönderfaller till den stabila nukliden 3. Vi kan schematiskt beskriva processen på följande sätt: Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 51 17
Radionuklidgeneratorn Kortlivade radionuklider kan för användaren innebära transportproblem om avståndet till producenten är för långt radionukliden hinner sönderfalla innan den når sjukhuset. Om halveringstiden är kort måste aktiviteten transporteras på annat sätt Modernukliden är bunden till en gel i en kolonn Dotternukliden kan erhållas genom eluering Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 52 Radionuklidgeneratorn för medicinskt bruk Modernukliden långlivad T½ dagar till år Dotternukliden kortlivad T½ minuter till dagar Dotterdotternukliden stabil, (långlivad) Moder och dotter olika kemiska egenskaper Dotter lämpliga kemiska egenskaper för märkning Steril, pyrogenfri (bakterierester) Enkel, lättanvänd, billig Högt utbyte, eluering med koksaltlösning Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 53 IT ( ) 99 99 m 99 99 Mo Tc Tc Ru stabil 65,9h 6.01h 5 2,110 år Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 54 18
99 Mo T ½ = 65.94h β - -sönderfall 740, 780 kev IT ( ) 99 99 m 99 99 Mo Tc Tc Ru stabil 65,9h 6.01h 5 2,110 år 99 Tc m T ½ = 6.01 h IT 140.5 kev 89% 99 Tc T ½ = 2.1 10 5 år β - -sönderfall β - 294 kev 99 Ru stabil Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 55 Teknetiumgeneratorn IT ( ) 99 99 m 99 Mo Tc Tc 65,9h 6.01h excel Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 56 ktiviteten för 99 Mo och 99 Tc m vs. tiden efter en eluering IT ( ) 99 99 m 99 Mo Tc Tc 65,9h 6.01h Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 57 19