Seminarium 3 Promieniowanie jonizujące w medycynie Zakład Biofizyki CM UJ

Zagadnienie 1 Charakterystyka źródeł promieniotwórczych (typ promieniowania, aktywność, czas pół-zaniku)

Rozpady promieniotwórcze 1. Rozpad β-  jądro emituje elektron (neutron zamienia się w proton) 2. Rozpad β+  jądro emituje pozyton (antycząstkę elektronu – „elektron o ładunku +1”) EC (electron capture)  wychwyt elektronu orbitalnego 3. Rozpad α  jądro emituje cząstkę α (jądro atomu helu) 4. Rozpad γ  jądro emituje promieniowanie elektromagnetyczne Zakład Biofizyki CM UJ

Aktywność źródła promieniotwórczego A – liczba rozpadów w jednostce czasu A(t) = N(t) · λ gdzie: (prawo osłabienia) [A] = 1 Bq = 1 rozpad/s [A] = 1 Ci = 3.7*1010 rozpadów/s

Sztuczne izotopy promieniotwórcze  zastosowania medyczne Diagnostyczne Terapeutyczne Własności Rodzaj i energia promieniowania T1/2 (minimum ~100 s) Własności chemiczne Zakład Biofizyki CM UJ

Energia promieniowania  131I  T1/2 = 8 d  E = 364 keV i 637 keV 125I  T1/2 = 60 d  E = 35 keV 133Xe  T1/2 = 5.2 d  E = 81 keV 99mTc  T1/2 = 6 h  E = 140 keV Zakład Biofizyki CM UJ

T1/2 bardzo duży zakres  10-10 s - 1010 lat W zastosowaniach praktycznych: 14C = 5570 lat  datowanie próbek 125I = 60 d 131I = 8 d 90Sr = 19.9 lat 60Co = 5.24 lat 11C = 20 min 15O = 2 min

Prawo osłabienia promieniowania elektromagnetycznego Zagadnienie 2 Prawo osłabienia promieniowania elektromagnetycznego

N centrów (atomów, cząsteczek) w 1 cm3 Założenia: N centrów (atomów, cząsteczek) w 1 cm3 Prawdopodobieństwo oddziaływania pojedynczego centrum → σ μ → liniowy współczynnik osłabienia → μ = σ*N [1/cm] Natężenie wiązki padającej → Io Chcemy wyznaczyć natężenie wiązki przechodzącej → I(x), gdzie x oznacza grubość absorbentu. Zakład Biofizyki CM UJ

µm = µ/d – masowy współczynnik osłabienia [cm2/g]  zależy od Z,  i stanu skupienia (d) µm = µ/d – masowy współczynnik osłabienia [cm2/g] xd – gęstość powierzchniowa [g/cm2] Zakład Biofizyki CM UJ

Efektywna liczba atomowa Substancja Zeff Gęstość [g/cm3] Beryl 4,00 1,85 Tłuszcz 5,92 0,91 Woda 7,42 1,00 Mięsień 7,46 1,08 Powietrze 7,64 0,00129 Aluminium 13,0 2,7 Kość (trzon) 14,0 1,87 Wapń 20,0 1,55 Molibden 42,0 10,22 Jod 53,0 4,94 Wolfram 74,0 19,3 Ołów 82,0 11,34 Zakład Biofizyki CM UJ

Masowe współczynniki osłabienia Zakład Biofizyki CM UJ

Współczynnik absorpcji Uwaga: We wzorach występują współczynniki osłabienia, określające zmianę natężenia wiązki. W zagadnieniach ochrony radiologicznej istotna jest pochłonięta energia, a nie zmiana natężenia wiązki. Z tego powodu korzysta się z tzw. współczynnika absorpcji, określającego prawdopodobieństwo pochłonięcia kwantu energii w absorbencie. W zakresie energii promieniowania X stosowanych w radiologii zachodzi przybliżona równość współczynnika osłabienia i współczynnika absorpcji. Zakład Biofizyki CM UJ

Budowa i zasada działania aparatu rentgenowskiego Zagadnienie 3 Budowa i zasada działania aparatu rentgenowskiego

Lampa rentgenowska Zakład Biofizyki CM UJ

Lampa rentgenowska Zakład Biofizyki CM UJ

Lampa rentgenowska Konwerter energii elektrycznej na ciepło (~99%) i promieniowanie X (~1%). Katoda – włókno wolframowe rozgrzane przepływającym prądem. Anoda Lampy z rotującą anodą – rotujący dysk grafitowo-molibdenowy (3000 ÷ 10000 rpm) pokryty pierwiastkiem o dużej Z i wysokiej temperaturze topnienia (np. W (Z=74) lub stop W+Re (ren, Z=75) Lampy stacjonarne – płytka W, W+Re, Mo (Z=42) lub Rh (rod, Z=45) Zakład Biofizyki CM UJ

Zakład Biofizyki CM UJ

Lampa rentgenowska Ilość wyprodukowanych fotonów X zależy od iloczynu prądu anodowego (Ia) i czasu naświetlania (te), zamiast zmieniać dwa parametry operator zmienia tzw. ekspozycję (=ładunek) E = Ia·te [mA·s]. Napięcie anodowe wykazuje fluktuacje w czasie, dlatego podaje się maksymalną wartość napięcia oznaczoną kVp. 19 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

Wytwarzanie promieniowania X Elektrony docierające do anody oddziałują z atomami anody w dwóch procesach: Wybijanie elektronów z wewnętrznych powłok atomowych (na miejsce wybitych elektronów wskakują elektrony z wyższych powłok oddając energię w formie promieniowania X) – jest to promieniowanie charakterystyczne (liniowe) Hamowanie w polu elektrycznym jądra (elektrony w polu elektrycznym jądra są odchylane i spowalniane, tracona energia jest emitowana w formie promieniowania X) – jest to promieniowanie ciągłe Zakład Biofizyki CM UJ

Wytwarzanie promieniowania X Elektron wysokoenergetyczny Zakład Biofizyki CM UJ

Widmo promieniowania hamowania Zakład Biofizyki CM UJ

Energia fotonów [keV] Widmo promieniowania Usunięte charakterystycznego Usunięte przez filtr Energia fotonów [keV] Zakład Biofizyki CM UJ

Widmo lampy rentgenowskiej Energia maksymalna w widmie – całkowite wyhamowanie elektronu – zależy od kVp Energia minimalna i średnia – zależą od grubości okienka i zastosowanego filtra (Al, Cu, Sn o grubości ~ mm) Natężenie promieniowania (pole powierzchni pod krzywą) zależy od powyższych parametrów i dodatkowo od ekspozycji Zakład Biofizyki CM UJ

Widma lampy rentgenowskiej Dobór parametrów pracy lampy RTG dla uzyskania optymalnego widma: kVp (napięcie anodowe – maksymalna energia kwantów promieniowania w wiązce) Filtr (widmo lampy, energia minimalna i średnia promieniowania w wiązce oraz natężenie) Ekspozycja (ładunek – [mAs]) – natężenie promieniowania (amplituda widma) 25 Zakład Biofizyki CM UJ Zakład Biofizyki CM UJ

Radiologia klasyczna - metody detekcji obrazu w stomatologii Zagadnienie 4 Radiologia klasyczna - metody detekcji obrazu w stomatologii

Masowe współczynniki osłabienia Zakład Biofizyki CM UJ

RTG klasyczne Zakład Biofizyki CM UJ

RTG cyfrowe Zakład Biofizyki CM UJ

Detektor Błony rentgenowskie Płytki obrazujące (image plate) Lampy wzmacniające Detektory cyfrowe Zakład Biofizyki CM UJ 32

Błona rentgenowska Zasada działania: Zastosowanie: promieniowanie X działając na kryształy AgBr w emulsji pokrywającej błonę powoduje uczulenie kryształów na wywoływacz Zastosowanie: indywidualne dozymetry / ochrona radiologiczna rentgenografia we wszystkich jej odmianach do niedawna podobne błony były stosowane do archiwizacji obrazów w tomografii komputerowej i tomografii rezonansu magnetycznego Zagadnienia uzupełniające 1 Błona rentgenowska i jej charakterystyka. Powstawanie obrazu na błonie.

Ekrany wzmacniające Wydajność detekcji błony RTG jest niewielka w zakresie promieniowania X. Stosuje się tzw. ekrany wzmacniające (folia pokryta np. CaWO4, Y2O2S, Ga2O2S, La2O2S, ) Ekran wzmacniający – konwerter promieniowania X (30-80 keV) na światło widzialne (460-650 nm) Jeden kwant promieniowania X jest zamieniany w ekranie wzmacniającym, na kilkadziesiąt (kilkaset) kwantów światła, które są znacznie wydajniej rejestrowane przez błonę.

Detektory cyfrowe Systemy rejestracji bezpośredniej układ CCD czuły w zakresie VIS + konwerter promieniowania X na VIS układ CCD czuły w zakresie X Systemy rejestracji pośredniej płyty pamięciowe (image plates) rejestrujące obraz utajony odczytywane odpowiednimi skanerami laserowymi

Detektory cyfrowe Ze względu na dużą wydajność detekcji pozwalają zmniejszyć dawkę promieniowania otrzymywaną przez pacjenta w stosunku do dawki otrzymywanej z wykorzystaniem błony RTG Zdolność rozdzielcza układów cyfrowych jest nieco gorsza niż błony

Systemy rejestracji bezpośredniej

Rejestracja pośrednia - Image plate (płytka obrazująca, pamięciowa) Zasada działania: Wykorzystuje się własność niektórych substancji (halogenki baru aktywowane europem) polegającą na powstawaniu metatrwałych stanów wzbudzonych w powłokach atomowych na skutek oddziaływania z promieniowaniem jonizującym, których liczba i rozkład jest proporcjonalna do ilości oddziaływujących kwantów promieniowania. Powstaje obraz utajony w postaci rozkładu stanów wzbudzonych, płytę odczytuje się skanując ją laserem. Wiązka lasera oświetlając płytę punkt po punkcie wymusza powrót atomów do stanu podstawowego co skutkuje emisją światła. Mierzy się intensywność emitowanego światła. Po odczytaniu płyta jest gotowa do ponownego użytku. Płytki pamięiowe zastępują w rentgenodiagnostyce układ błona RTG – folia wzmacniająca.

Radiologia warstwowa - pantomografia Zagadnienie 5 Radiologia warstwowa - pantomografia

Radiologia warstwowa

Stosuje się ją w stomatologii. Pantomografia Pantomografia jest odmianą i bardziej skomplikowaną wersją radiologii warstwowej. Stosuje się ją w stomatologii.

Pantomografia

Tomografia komputerowa – budowa i zasada działania tomografu Zagadnienie 6 Tomografia komputerowa – budowa i zasada działania tomografu

Tomografia komputerowa (TK)

Liczba pomiarów: 20 Liczba niewiadomych: 100

Techniki skanowania w TK Skolimowana wiązka promieniowania X tzw. pencil beam

Techniki skanowania w TK Wiązka uformowana w wachlarz tzw. fan beam

Sekwencyjna / spiralna TK

Wielorzędowa TK

Tomografia komputerowa mierzymy rozkład liniowego współczynnika osłabienia promieniowania X (m  ) gęstość wyrażana jest w jednostkach względnych (HU - Hounsfield Units) dawka promieniowania jonizującego równa jest dawce otrzymywanej w kilku(nastu) standardowych badaniach RTG energie stosowane w TK: 80 - 140 keV czas obrotu lampy wokół pacjenta ~ 0.5 s czas skanowania w spiralnej TK ~ 20 s

Zagadnienie 7 Prezentacja wyników badań tomograficznych (jednostki Hounsfielda, okno tomograficzne)

Jednostki Hounsfield’a Tkanka HU Kość 1000 Wątroba 40 ÷ 60 Istota biała 46 Istota szara 43 Krew 40 Mięśnie 10 ÷ 40 Nerki 30 Płyn mózgowo-rdzeniowy 15 Woda Tkanka tłuszczowa -100 ÷ -50 Powietrze -1000

Okno tomograficzne Szeroki zakres zmienności HU wymaga stosowania co najmniej 11 bitów w opisie obrazu tomograficznego (zwykle 12 bitów - 4096 stopni) Ze względu na ograniczenia oka ludzkiego pod względem rozróżniania odcieni szarości monitory komputerowe posługują się skalą 8 bitową (256 stopni) Przeskalowanie liniowe skali Hounsfield’a na skalę szarości powoduje, że subtelne różnice (np. pomiędzy istotą szarą i istotą białą nie mogą być rozróżniane) Z w/w powodów stosuje się tzw. okno tomograficzne

Okno tomograficzne

Dozymetria promieniowania jonizującego Zagadnienie 8 Dozymetria promieniowania jonizującego

Wielkości stosowane w ochronie radiologicznej – normy bezpieczeństwa Dawka ekspozycyjna (E) Absorpcja w powietrzu [E] = 1 C/kg [E] = 1 R (rentgen) 1 C/kg = 3876 R Zakład Biofizyki CM UJ

Absorpcja w dowolnej substancji → radiometry, dozymetry Dawka pochłonięta (D) Absorpcja w dowolnej substancji D można mierzyć w fantomach i wyliczać poprzez pomiar dawki ekspozycyjnej i znaną energię jonizacji atomów wchodzących w skład tkanki. → radiometry, dozymetry [D] = 1 J/kg = 1 Gy (grej) Zakład Biofizyki CM UJ

Moc dawki (P) P=D/t Dawka pochłonięta w jednostce czasu. [P] = 1 Gy/h [P] = 1 Gy/min [P] =1 Gy/rok Zakład Biofizyki CM UJ

Równoważnik dawki (H) H = D · wR [H] = 1 Sv (siwert) = 1 J/kg E oraz D opisują jedynie pochłoniętą energię, nie mówiąc o skutkach biologicznych, które zależą od: rodzaju promieniowania (różne mechanizmy oddziaływania), naświetlonego organu H uwzględnia rodzaj promieniowania: H = D · wR wR - współczynnik wagowy promieniowania [H] = 1 Sv (siwert) = 1 J/kg Zakład Biofizyki CM UJ

Wagowe współczynniki promieniowania Rodzaj promieniowania wR Fotony 1 Elektrony Protony > 2 MeV 5 Ciężkie jony 20 Neutrony < 10 keV Neutrony (100-2000 keV) Neutrony > 20 MeV Zakład Biofizyki CM UJ

Efektywny równoważnik dawki (HE) HE uwzględnia rodzaj promieniowania i rodzaj naświetlanego narządu: wT – współczynnik wagowy tkanek [HE] = 1 Sv Średnia roczna HE w Polsce → 3,3 mSv (od promieniowania naturalnego) Zakład Biofizyki CM UJ

Efektywny równoważnik dawki (HE) Tkanka lub narząd WT Gruczoły płciowe 0.20 Szpik kostny 0.12 Jelito grube Płuca Żołądek Pęcherz moczowy 0.05 Gruczoły sutkowe Tkanka lub narząd WT Wątroba 0.05 Przełyk Tarczyca Skóra 0.01 Kości (powierzchnia) Pozostałe Razem: 1.00 Zakład Biofizyki CM UJ

Minimalna dawka wywołująca efekt. Dawka progowa Minimalna dawka wywołująca efekt. Organ / tkanka Efekt H [Sv] Jądra Czasowa niepłodność Trwała niepłodność 0.15 3.5 ÷ 6.0 Soczewka Zmętnienie Katarakta 0.5 ÷ 2.0 5.0 Szpik kostny Odwracalne zahamowanie funkcji krwiotwórczych 0.5 Zakład Biofizyki CM UJ

Dawka letalna (śmiertelna) LD5030 (HE) – dawka po dostarczeniu której następuje śmierć połowy populacji w ciągu 30 dni. Organizm LD5030 [Sv] Wirus 5000 Wąż 800 Nietoperz 150 Szczur 8 Człowiek 2.5 ÷ 3 Pies 2.6 Zakład Biofizyki CM UJ

Limity dawek Zawodowy Ogólny HE roczna (<> 5 lat) [mSv] 50 (20) 1 Rogówka (H) [mSv] 150 15 Skóra (H) [mSv] 500 50 Ręce, stopy (H) [mSv] Zakład Biofizyki CM UJ

Zadanie 1 Maksymalna zmierzona moc dawki pochodzącej od lampy rentgenowskiej na pracowni wynosi 0,24 µSv/h (moc mierzona w odległości 10 cm od okienka lampy). (a) Jaka jest moc dawki, którą otrzymuje student stojąc w odległości 1 m od okienka lampy? (b) Jak długo bez przerwy należałoby pracować z lampą rentgenowską na pracowni, żeby otrzymać dopuszczalną roczną dawkę przewidzianą dla osób nie związanych zawodowo z promieniowaniem jonizującym? Dane: P1 = 0,24 mSv/h Szukane: D1 = ? r1 = 10 cm P2= ? r2 = 1 m tdop= ? HE= 1 mSv wR= 1

Zadanie 2 Oblicz przybliżoną grubość osłony ołowianej osłabiającej natężenie promieniowania X 10-krotnie. Liniowy współczynnik osłabienia ołowiu dla promieniowania X o energii 100 keV wynosi w przybliżeniu 60 m-1. Dane: I = I0/10 Szukane: x = ? E = 100 keV m = 60 m-1

KONIEC Seminarium 3