Дозиметрија на јонизирачки зрачења

Д-р Александар Трајковски

Дозиметрија — мерење на доза апсорбирана од јонизирачкото зрачење, поимот е повеќе познат како научна под-специјалност во полињата на здравствената физика и медицинската физика, каде дозиметрија претставува пресметка и проценка на дозата на зрачењето добиена од човековото тело.

Внатрешната дозиметрија, која се должи на внесување и вдишување на радиоактивни материјали, се потпира на неколку физиолошки техники и техники на снимање. Надворешната дозиметрија, која се должи на зрачење од надворешни извори, е базирана на пресметки со дозиметар, или изведена од други инструменти со радиолошка заштита. Дозиметријата се употребува за заштита од радијација и е рутински применета од професионални работници со зрачење, каде зрачењето се очекува, но одредените дози не треба да бидат надминати. Исто така се употребува и каде што зрачењето не се очекува, како и кај последиците од нуклеарните катастрофи.

Создавање на дозата Директно јонизирачки зрачења ( електрони , протони ... ) Индиректно јонизирачки зрачења ( фотони , неутрони ...) i =

i е интензитетот после поминувањето на снопот низ материјалот. е интензитетот на снопот што паѓа на материјалот. х е дебелината на материјалот за која гледаме колку ќе опадне интензитетот на снопот и ми е линеарниот коефициент на ослабување на снопот.

На цртежот кермата се случува во точката (а) a дозата се формира долж патот на електронот (b). Oткако фотонот ќе реагира со некој атом или молекула ќе се појави електрон во движење (преку процесите на фотоефект, Комптонов ефект и процесот на создавање пар електрон-позитрон) кој понатаму долж неговиот пат ќе создава јонизации, а моментот на интеракцијата на фотонот со материјата ни ја дава кермата, додека дозата се создава подоцна во судирите на избиениот електрон (позитрон).

Д О З И Апсорбираната доза - D –количина на апсорбираната енергина на зрачењето по единица

маса , односно зголемувањето на внатрешната енергија по еден килограм ткиво

D= Gy= Единица мерка : SI 1J/kg = 1Gy (Греј) 1 rad (радијациска апсорбирана доза)= Gy 1 rad = 100 erg/g 1 erg = J

Интегрална апсорбирачка доза е вкупната енергија на апсорбираното зрачење во озраченото тело - маса m

= D m (Y)

Експозициона доза X – ја мери јонизацијата која фотонското зрачење ја создава во зрак маса 1kg при нормални услови или количеството јонизација кое се создава при зрачењето во материја.

X = каде Dq- вкупниот набој на сите јони од истиот знак настанати од сувиот зрак маса Dm при нормални услови. Единица мерка за експозициона доза во SI е c/kg. Врската измеѓу апсорбираната и експозиционата доза ја преставуваме со формулата : D = fX каде f - зависи од енергијата на фотоните на јонизирачкото зрачење и видот на озраченото ткиво

Ефектот на јонизирачкото зрачење на организмот не зависи само од апсорбираноста или експозиционата доза туку и од времето кое муе потребно да стигне до полето на зрачење.Поради ова е воведена вредноста брзина на дозата или јачина на дозата :

D = ( = ) dD – прирастот на апсорбирана доза во еден временски интервал dt јачината на дозата ≠ јачината на јонизирачкото зрачење

Јачина на експозициона доза X = ( = ) dX - растот на експозиционата доза во еден временски интервал dt

Бидејќи при зрачење на едно ткиво, една иста апсорбирана доза применета во тек на еден исти временски интервал, различните видови зрачења изазиваат различни биолошки промени е воведена таканаречената еквивалентна доза.

H = DQN еквивалентната доза е димензионално еднаква со апсорбционата доза и се изразува во SIVERTI 1Sv = 1J/kg

H = DQNQ има вредност 1 за фотонските X и Y зрачења, вредност 10 за зрачењата, вредност 20 за зрачења.

D апсорбираната доза

Q Бездимензионални фактор на квалитетот преку кој се изразуваат различните биолошки ефекти на различните зрачења

Н Бездимензионален фактор содржејќи ги ситеостанати околности при зрачењето специфициран од страна на мегународната комисија за радиолошка заштита (ICRP)

Јачина на еквивалентната доза H = ( Sv/s = W/kg )

За одредување на степен на озраченост на човечкото тело во целина се користи ефективна еквивалентна доза .

= преставува “тежински фактор” за i- ти орган. преставува еквивалентна доза за i– ти орган.

Тежински фактори за човечките органи “Тежински фактор” е верјатноста од очекуван биолошки ефект во некој орган кога тој орган е озрачен со истата доза како и целото тело

Вредностите за изнесуваат измеѓу 0 и 1 при што имаме :

= 1

Орган Гонади 0,25Дојки 0,15Црвени крвни зрнца 0,12Плуќа 0,12Тироидна жлезда 0,03Коски 0,03Останати органи (заедно) 0,30

R (rentgen) – дозата при која во 1 сув воздух се создава единица (cgs) количина наелектризираност (2,082 x јонски парови ) 1 R = 2,58 x c/kg 1 c/kg = 3880 R

Ефективна доза е сумата од производот на ткивните тежински фактори и еквивалентни дози : E = вредности

Ткиво или орган ICRP - 1996 ICRP - 2016Полни органи 0,20 0,08Коскена срж’ 0,12 0,12Дебело црево 0,12 0,12Плуќа 0,12 0,12Желудник 0,12 0,12Бешика 0,05 0,04Црн дроб 0,05 0,04Мозок 0,01 0,01Кожа 0,01 0,01Штитна жлезда 0,05 0,04

Еквивалентна доза – видот на зрачење H = ( Sv ) = сиверт - апсорбираната доза од целиот орган .Единица мерка: Sv (Sivert) 1Sv = J/kg

- фактор на радијациската тежина

Видови и енергија на зрачењатаФотони x и g 1Сите електрони > 5 keV 1Спори неутрони < 10 keV 5Брзи неутрони 2-20 meV 10Протони > 2 meV 5α честици ≈ 5 meV , брзи јони и фисиони фрагменти 20

Апсорбираната доза и Керма Мерна единица за апсорбирана доза е (rad).Како што снопот на зрачењето

поминува низ апсорбирачки медиум, тој влегува во интеракција со него преку процес од две фази.

1.Прв чекор – Енергијата која се носи од фотоните се трансформира во кинетичка енергија на електрони со висока брзина. 2.Втор чекор – Забавувањето на овие електрони и положувањето(оставањето) на нивната енергија во медиумот. Керма по дефиниција е делот од енергијата трансфериран на единица маса, а

дозата е делот од енергијата што е апсорбиран во единица маса.Керма е акроним за кинетичка енергија ослободена во медиумот која го преставува преносот на енергија од фотоните до директно јонизирачките честички. Преносот на енергија од директно јонизирачките честички до медиумот е преставен со АПСОРБИРАНАТА ДОЗА и е дефиниран во рамките на енергијата депонирана од снопот што поминува низ медиумот. Rad ја преставува апсорбцијата на 0,01 J/kg од апсоорбирачкиот материјал(1

rad = 0,01J/kg) .(Rad) сега е заменет со SI мерната единица за апсорбирана доза (1J/kg) добивајќи го името Grey (Gy). Со конверзијата на мерните единици (Gy) можиме да го изразиме во оваа форма :

1 Gy = 1J/kg = 100 cGy = 100 rad

mEK tr

mED ab

Доза и Керма Кермата , ако се знае енергетскиот поток на честичките, таа ќе биде делот

од енергетскиот поток што ослабел заради интеракциите на фотоните со материјата и ја прикажуваме со следната формула:

факторот g го дава делот од кинетичката енергија што електроните ќе го изгубат преку емитирање закочно зрачење. во услови на електронска рамнотежа дозата е пропорционална на кермата. Вредноста на факторот g е обично мала и зависи од енергијата на фотоните и материјата во која тоа се случува. Кога се работи за кобалт-60 во биолошки материјал овој фактор е помал од 0,3%.

Во услови на преодна електронска рамнотежа (TCPE) дозата е за константен фактор поголема од кермата на дадена длабочина во фантомот. Во таков случај велиме дека дозата е еднаква на сударната керма.

Доза и Керма

Врска меѓу доза и керма Ако го знаеме енергетскиот поток на честичките кермата ќе биде дадена со

формулата, т.е. таа ќе биде делот од енергетскиот поток што ослабел заради интеракциите на фотоните со материјата.

Во услови на електронска рамнотежа дозата е пропорционална на кермата .Вредноста на факторот g е обично мала и зависи од енергијата на фотоните и материјата во која тоа се случува.

индексот (а) означува воздух ,а индексот (с) сударна кермаКако што дозата е пропорционална на кермата во воздух така таа е пропорционална на кермата и во некој материјал, значи дозата во материјалот ќе биде: .

Кермата во таа точка се разбира може да ја претставиме како производ од енергетскиот поток по коефициентот на ослабување. Така ја добиваме трансферираната енергија од фотоните на материјата во таа точка и тогаш дозата ќе биде : .А бидејќи енергетскиот поток на фотоните во таа точка е ист сеедно дали се работи за некој медиум или пак за вакуум тогаш .На крај го добиваме изразот за дозата во точка во медиумот ако ја знаеме кермата во воздух и ако ги знаеме масените коефициенти на апсорпција и трансфер на енергијата за материјата на медиумот и во воздух респективно, , или следува .

Апсорбираната доза од електронскиот сноп Во случај на дирекна јонизација мора да сметаме со предавањето

на енергијата од сноповите електрони на атомските електрони а тоа ќе ни ја даде сопирната моќ на електроните. Сопирната моќ на електроните ја претставува изгубената енергија на единица пат:

. Ако го знаеме флуксот на електроните што паѓа на мал волумен тогаш дозата ќе биде производ од флуксот по веројатноста за губење на енергија на електроните во тој елементарен волумен: .

Мерење на дозата Општо прифатена метода за мерење на дозата е јонизационата. Така, во воден

фантом се поставува јонизациона комора но таа комора од своја страна претставува пертурбација на медиумот и условите за пресметување на дозата со нашата изведена формула не важат. Оваа пертурбација теориски ја објаснува теоријата на шуплина на Bragg-Gray. Теоријата на Bragg-Gray претпоставува дека шуплината е малецка, помала од досегот на вторичните (избиените од електроните) електрони и дека во неа нема ослабување на фотонскиот сноп. На тој начин ќе се создадат услови за постигнување електронска рамнотежа (колку електрони со определена енергија ќе влезат во шуплината толку ќе излезат)

Дозата во ваква шуплина ќе биде еднаква на енергијата што се добива кога количеството ослободени полнежи на единица маса, , ќе се помножи по просечната енергија за создавање јонски пар во сударите на електроните, . Овој производ се множи со тежинскиот фактор кој доаѓа од односот на масените сопирни моќи на електроните за материјалот на ѕидот на шуплината и гасот во шуплината, . Индексот r се однесува на квалитетот на радијацијата со која работиме. Така ја добиваме формулата за апсорбираната доза во вода .

Процедура за калибрирање на воздух Калибрираната јонска комора (со зид доволно дебел за да се обезбеди електронска рамнотежа)

се наоѓа во воздухот со волуменот на централната оска на снопот и неговиот систем во содветна агли со правецот на снопот.

Центарот на комората најчесто е сместен на растојание од изворот(или метата за рендгенските зраци) еднаков на номиналниот SSD на машината плус изградената длабочина. Се воспоставува стандардна големина на полето од 10 x 10 cm. Користејќи или подвижни колиматориили стандарден апликатор во третманот. Читањето на на јонизациската комора се конвертира во мерни единици од Gy/min при длабочина на максимална доза во рамките на фантом ,користејчи ја следната равенка : = Изразот TAR() го преставува односот ткиво-воздух при длабочина максимална доза (т.е. Фактор на повратно расејување или максимално расејување) и ја конвертира дозата во слобден простор до длабочината на максималната доза. Равенката на процесот мземе да ја формираме во следна форма: = (X) x x x TAR() и = x TAR () Во случај кога овој метод е валиден кога мерењата се прават со јонска комора со калибрирана изложеност тогаш TAR () НЕ Е вклучен во пресметките и факторот е заменет со поместениот фактор .Бројната вредност на е многу блиска со таа на а стапката на доза е дадена со формулата : = (X) x x

Карактеристики на дозиметрите Точност и прецизност

Линеарност

Енергетска зависност

Резолуција

Точност и прецизност

Овде имаме четири мети со различна распределба на погодоците на секоја мета. Погодоците во првата (левата) мета се точни и прецизни. Погодоците во втората мета се прецизни но воопшто не се точни. Погодоците во третата мета не се прецизни но во целина гледано се точни. Тие се прилично рамномерно распределени околу центарот што статистички би дале точен или приближно точен резултат. И на крај погодоците во четвртата мета не се ниту точни ниту прецизни. Јасно е дека ако имаме прецизен но неточен инструмент внесуваме голема систематска грешка во мерењата. Големата непрецизност значи дека имаме некоја непостојаност во условите за мерење.

Линеарност

Опсегот на линеарност и видот на нелинеарноста зависат од типот на дозиметарот и од неговите физички карактеристики. Прикажани се две типични нелиеарности. Кривата А покажува супралинеарно однесување а подоцна сатурација. Кривата В покажува сатурација во пределот на високите дози. Општо земено нелинеарноста треба да се корегира во смисол мерената вредност да се помножи со соодветен фактор. Одговорот на дозиметрите е функција од квалитетот на зракот (енергијата). Идеално енергетскиот одговор на дозиметарот треба да биде рамен. Но бидејќи дозиметрите се калибрираат на една енергија а се употребуваат за широк спектар на енергии обично е потребна корекција. Значи општо земено треба да се употреби некој фактор за покажувањето калибрираниот дозиметар да се трансферира во вистинска вредност на дозата за дадената енергија.

Резолуција

Резолуцијата зависи од:

1. Физичката големина на детекторот 2. Резолуцијата на системот за читање

Резолуцијата на системот се карактеризира со можноста точно да се позиционира точката на мерење во која се определува дозата. Така термолуминисцентните дозиметри заради нивните мали димензии релативно добро имитираат мерење во точка. Јонизационите комори за да имаат доволна осетливост имаат конечни димензии и заради тоа имаат слаба резолуција. Но резолуцијата зависи и од ситемот за читање како што е примерот филмовите кои имаат одлична 2D резолуција но крајната резолуција зависи од резолуцијата што може да се постигне со дигитизација на филмовите.

Други методи на дозиметрија (термолуминисцентна дозиметрија) Одредени материјали со кристална структура гоо даваат феноменот наречен

термолуминисценција. Кога кристалот способен за термолуминисценција е подлозен на зрачење ,мал дел од апсорбираната енергија се зачувува во структурата на кристалната решетка... Ако материјалот е загреан , енергијата се ослободува во форма на видлива светлина.

Литиум флуоридот со ефективен атомски број 8,2 најчесто е користен. Термолуминисцентната дозиметрија кје ја објаснам и на друг начин: Во поединечен атом електроните зафаќаат одредени енергетски нивоа.Но, во кристалната решетка , електронските енергетски нивоа се вознемирени од заеднички интеракции помеѓу атомите, давајќи раст на енергетска врска ,т.н. Дозволени енергетски врски и забранети енергетски врски. Нечистотиите во кристалот создаваат енергетски стапици во забранетите врски со што настануваат метастабилни состојби. Ако има инстантна емисија на светлина , феноменот се нарекува флуоресценција. Ако електронот во стапицата бара енергија за да излезе и да се врати во валентната врска , емисијата на светлина се нарекува фосфоресценција. Дозиметриите на термолуминисценција мора да бидат калибрирани пред да бидат искористени за мерече на непозната доза, поради тоа што одгооворот на термолуминисцентниот материјал е под влијание од неговото зрачење.

Филм дозиметрија

Кога рендгенски филм е излозен на јонизирачко зрачење , изложените кристали на сребрен бромид формираат латентна слика. Во процесот на развибање на филмот , засегнатите кристали предизвикуваат затемнување на филмот , незасегнатите кристали го оставаат филмот јасен. Степенот на поцрнување на филмот е пропорционален со апсорбираната енергија и се мери со густинометар. Оптичката густина е дефинирана:

OD = log (/) - количеството на светлина забележана без филмот на место. - количеството светлина забелезана со филмот на место. Делот на мрежната оптичка густина како функција на изложеноста на зрачење или доза е наречен сензитометриска крива или Хантер – Дрифилдова (Х-Д) крива. Употребата на филмот е релативно едноставен метод на дозиметрија за електронски снопови , но мора да се направи со голема грижа во фотонската дозиметрија.

Полимер – гел дозиметрија

Полимер-гел дозиметријата користејќи го (MRI) го решава проблемот на снимање на 3D распределбата на дозата од комплексни полиња на зрачење во материјал еквивалентен на ткивото.

Овај метод ја користи слободно- радикалната полимеризација , потикната од зрачењето на акрилните мономери дисперзирани во воден гел.Кога се озрачени се формираат микрскопски региони на напречно поврзни полимери ,чија концентрација е пропорционалнана дозата на зрачење.Стапката на релаксација на нуклеарната магнетна резонанца на водниот протон во гелот е под влијание на локални промени во молекуларната структура на полимерот и на овој начин распределбата на дозата на зрачење може да биде визуализирана со висока резолуција користејќи MRI.Бидејќи микрочестиците на полимерот расејуваат светлина и распределбата на дозата мозе исто така да се визуализира во провидниот гел какоо дозно – зависна 3D оптичка густина.

Полуспроводничка дозиметрија Полуспроводничките диоди нудат многу предности во клиничката

дозиметрија ,висока сензитивност, читање во реално време, робусност и независност во воздушниот притисок.

Во текот на зрачењето паровите електрон - шуплина се креирани обата во и надвор од осиромашениот регион во телото на диодниот детектор. Полнежите се испреплетени во осиромашениот регион и собрани под дејство на електричното поле и на овај начин се создава струја која има тек во обратна насока од нормалниот тек на струјата во диодата.Дозиметриските диоди се управувани без надворешна волтажа и се поврзани со кабел со едноставен електрометар. Калибрацијата на диодите се определува со споредба на читањата против јонската комора за да се воспостави диоден калибрациски фактор за апсорбираната доза до вода и воспоставување на серии фактори на корекција за да се пресметаат калибрациските разлики . Цели на интерес се зависноста на енергијата , температурната сензитивност, зависноста од насоката и оштетувањето од зрачењето.Фрекфренцијата на проверките треба да биде приспособена според фреквенцијата на употреба на диодите.Транзисторите со ефект на поле на метал оксид е уште еден пример за полупроводнички дозиметар. Процесот е базиран на додавање на полнеж во портата на транзисторот од силикон оксид креирана со јонизирачко зрачење.

литература Radioterapie si oncologie – Literatura romaneasca

(Editura XI ) Radioterapie si fizica ( E. Bratu ) Fizica pentru clas VI – Facultate de fizica – editia

romaneasca (III-a) Физика за IV клас гимназија природно -

математичка насока Основи на физиката за IV клас општа насока Принципи и практика на радиолошката онкологија