Fysiologiska effekter av joniserande strålningErik Tesselaar

Leg. Sjukhusfysiker

Innehåll

• Vad är joniserande strålning

• Röntgenstrålning inom sjukvården

• Stråldoser

• Strålningsskador

– deterministiska (helkropp, hud, ögonlins)

– stokastiska (cancer, fosterskador)

• Strålskydd

2

Vad är joniserande strålning

4

5

energi

Joniserande strålning har så hög energi att den kan slita loss en

elektron d.v.s. jonisera atomen

6

Röntgenstrålning inom sjukvården

8

8 november 1895 upptäcktes röntgenstrålning

9

http://broughttolife.sciencemuseum.org.uk/broughttolife/techniques/xrays

Upptäckten spreds mycket snabbt över världen

10

http://broughttolife.sciencemuseum.org.uk/broughttolife/techniques/xrays

Riskerna var okända i början…

11

12

13

14

Ju högre densitet och ju

högre atomnummer…

…desto mer dämpas

strålningen.

Luft i lungor dämpar

mycket lite

Mjukvävnad dämpar

strålningen lite mer

Ben dämpar röntgen-

strålningen mest

15

Stråldoser

17

• Absorberad dos (D). Mäts i gray (Gy). 1 Gy = 1 J/kg.

• Fysikaliskt mått

• Går att mäta med instrument

• ‘Energi¹ per massenhet’

• Enhet: 1 J/kg=1 Gy (Gray)

¹i form av joniserande strålning

18

• Absorberad dos (D). Mäts i gray (Gy). 1 Gy = 1 J/kg.

• Ekvivalent dos (HT). Mäts i sievert (Sv). 1 Sv = 1 J/kg. Ekvivalent dos är viktad för den relativa biologiska effekten. Röntgen och γ-strålning har viktfaktor WR = 1, α-partiklar har WR = 20.

19

• Absorberad dos (D). Mäts i gray (Gy). 1 Gy = 1 J/kg.

• Ekvivalent dos (HT). Mäts i sievert (Sv). 1 Sv = 1 J/kg. Ekvivalent dos är viktad för den relativa biologiska effekten. Röntgen och γ-strålning har viktfaktor WR = 1, α-partiklar har WR = 20.

• Effektiv dos (E). Mäts i sievert (Sv). Effektiv dos är viktad för organens relativa känslighet.

2016-03-14 20

New ICRP recommendations. J. Radiol. Prot. 28 (2008) 161-168.(Image from: hubpages.com.)

21

DAP-mätare

• Finns på alla skelett- och genomlysningsutrustningar• Kan ’översättas’ till effektiv dos för en grupp av patienter m.h.a.

tabellvärden som variera mellan 0-0.3 mSv/Gycm2

Exempel på effektiv dos

0,005 mSv Tandröntgen

0,05 mSv Lungröntgen

0,05 mSv Flygresa Stockholm-New York

0,2 mSv Mammografiscreening (4)

3 mSv Medelsvenskens årsdos (60)

5 mSv 10 minuter genomlysning av buken (100)

6 mSv DT, thorax (120)

10 mSv DT, buk (200)

12 mSv PCI (240)

20 mSv Dosgräns arbetstagare (400)

22

Vilken är rätt ordning? Quiz!

• En lungröntgen.

• Ett års vistelse i område i Sverige med stort radioaktivt nedfall, under första året efter Tjernobylolyckan.

• Ett års vistelse i norra Bohuslän.

• Ett års boende i hus med radonhalten nära gränsvärdet 200 Bq/m3 luft.

• En flygresa Stockholm – New York.

• Ett års arbete med maximalt tillåten yrkesbestrålning.

• Ett års boende intill ett kärnkraftverk vid normal drift.

24

1. Ett års boende intill ett kärnkraftverk vid normal drift.

2. En flygresa Stockholm – New York.

3. En lungröntgen.

4. Ett års vistelse i norra Bohuslän.

5. Ett års vistelse i område i Sverige med stort radioaktivt nedfall, under första året efter Tjernobylolyckan.

6. Ett års boende i hus med radonhalten nära gränsvärdet 200 Bq/m3 luft.

7. Ett års arbete med maximalt tillåten yrkesbestrålning.

Tack till Tuva Öhman, Radiofysik för sammanställning!

Strålningsskador

27

M. Isaksson. Grundläggande strålningsfysik. Studentlitteratur.

Direkta och indirekta DNA-skador

28

M. Isaksson. Grundläggande strålningsfysik. Studentlitteratur.

Enkelsträngsbrott, dubbelsträngsbrott och basskador

29

Möjliga utfall

Två typer av effekter

• Deterministiska effekter (förutsägbara).

• Stokastiska effekter (slumpmässiga).

30

Deterministiska (akuta) effekter

Deterministiska effekter

• Exempel: illamående, hudrodnad, håravfall (katarakt)

• Visar sig med säkerhet vid en viss stråldos.

• Förvärras då stråldosen ökar.

• Kräver en viss minimal stråldos (tröskeldos).

• Uppträder kort tid efter bestrålning.

• Kallas även akuta effekter.

32

Tidsförlopp

33

Nekros (vävnadsdöd)

Helkropp

Akut strålningssyndrom (ARS)

• Hematopietic syndrome (dos10 Gy, död inom 2 veckor)

– Damages to the gastric mucosa and hence no new cells are formed.

– Nausea, vomit, diarrhea, loss of appetite, loss of water and coma & death

• Cerebrovascular syndrome (dos>50-100 Gy, död inom 1-2 dagar)

– Dead within minutes or hours as the CNS to damaged (possible pressure build-up in brain due to leakage of small vessels ?)

– Headache, loss of coordination, loss of breath, low blood pressure, coma and certain death

35

Huden

Hudskador: mekanismer

• Skada uppstår i strålkänsliga keratinocyter i basalmembranet

• Cellerna ersätts inte tillräckligt snabbt och skadan propagerar uppåt

• Leder till inflammationmekanismer

• Störningar i tillväxtfaktorer leder till senare fibrotisering och strukturella förändringar i små blodkärl

37

Hudskador: akuta och sena

• akuta (timmar – veckor)

– progressiva förändringar i hudgenomblödning

– rodnad (erytem),

– ytliga epiteldefekter, klåda, torr/vätskande avfjällning,

– ödem, ibland sårbildning

• sena (veckor – år)

– fibros, dermal förtjockning

– minskad elasticitet, minskad vävnadsstyrka

– förlängd sårläkningstid

– pigmentförändringar

Förändringar i små blodkärl ligger till stor del till grund för dessa effekter

38

39

1903 Nu

• strålskadade fingrar på en radiolog

• fingrarna amputerades

• dos saknas

• strålskadad rygg på en kraftig patient

• suboptimalt utfört ingrepp i hjärtat

• dos: 10-12 Sv

Hudskador röntgenstrålning

40

• Ca 40 ingrepp/år med huddos > 2 Gy• EVAR/THEVAR (2017: max 11 Gy)

• PCI-CTO (6 Gy)

• Kärlinterventioner (stent, embolisering)

(12 Gy)

• För dessa patienter registeras dosen i

röntgensvaret

• Patienter informeras om förhöjd risk för

hudskada

• Undersökning av evt hudskada innan

patienten skrivs ut

Hudskador på US

Effekt av patientstorlek

41

15 cm20 cm

25 cm

Effekt av olika projektioner

42

Strålbehandling

43

• 16-33 ”fraktioner”

• 2-2.66 Gy / fraktion till målorgan

• Minimera stråldos till omliggande ”riskorgan”

– hud, lunga, hjärta

Hudskador strålbehandling

• 95% av patienter

• Bröst, huvudhals, lunga höga huddoser

• Uppstår under första veckan

44

45Hudskador: gradering

Objektiv mätning

46

Objektiv mätning: blodflöde

• Strålbehandling bröstcancer 25 x 2 Gy

47

Ögonlins

Strålningsinducerad katarakt 49

• Orsakas av cellskador i framre delen av linsen• Celler flyttar till bakre delen av linsen• Yttrar sig som oorganiserade rader av fiberceller och bildar

ogenomskinliga förtätningar. • Inget cellutbyte sker så skador finns kvar hela livet • Behandling: linstransplantation

Strålningsinducerad katarakt 50

• Under 1950-talet trodde man att linskatarakt bara uppkom vidhöga doser

• Baserade detta på cyklotronarbetare and A-bomb överlevaremed doser på 2-3 Gy.

• Man antog att linskatarakt hade ett doströskelvärde på 1-2 Gy• Nya studier har visat att tröskeln för katarakt kan ligga < 0.5 Gy• Lång tid mellan exponering och uppkomst av symtom

Vilka riskerar höga ögondoser 51

• interventionister (kardiologer, radiologer)• personal som är närvarande vid genomlysning

• Långa ingrepp• Många ingrepp

• operationspersonal som befinner sig nära patienter

• patienter• (upprepade) CT undersökningar där ögonen är i det primära strålfältet• patieneurointervention (embolisering)

52

ICRP statement April 21 2011

• Tissue reactions with very late manifistation may occure• For eye lens, threshold is estimated 0.5 Gy.• Occupational dose limit of 20 mGy/y averaged over 5 years and

with no single year exceeding 50 mGy

Optimering av strålskyddet av ögonlinsen betonades

53

54

Fantom för ögondosmätningar

55

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

AP-projection

do

sre

du

ctio

n

Dosreduktion

model 1

model 2

model 3

Model 1 Model 2 Model 3

Dosreduktion: effect av projektionsvinkel

56

32%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

-90ᵒ: 0ᵒ -60ᵒ: 0ᵒ -30ᵒ:0ᵒ 0ᵒ: 0ᵒ 30ᵒ: 0ᵒ 60ᵒ: 0ᵒ 90ᵒ: 0ᵒ 0ᵒ: 30ᵒ 0ᵒ: -30ᵒ

do

se r

ed

uct

ion

ab

ility

Projection LAT:CC

Takhängd blyskydd, 0.5 mm Pb

≈ 100% dosreduktion

Blyskärm

57

Stokastiska (sena) effekter

Stokastiska effekter

• Man kan bara uttala sig om sannolikheten att skadan uppkommer.

• Sannolikheten (inte graden av skadan) ökar då stråldosen ökar.

• Även vid låga stråldoser.

• Uppträder relativ lång tid efter bestrålning.

• Kallas även sena effekter.

• Omfattar cancer och ärftliga skador.

59

Tidsförlopp (latenstid)

Tidsintervallet mellan bestrålning och uppkomst av sjukdom

60

Leukemi: 2-15 år (topp efter 5-7 år)Solida tumörer: 10-60 år

Strålningen kan tidigt initiera den skadliga effekten men andra faktorer behövs för att cancern ska utvecklas (t.ex. vissa hormoner i bröstcancer)

Strålningsinducerad cancer

62

August 6, 1945

Riskuppskattningar

• Till stor del baserade på atombomsoffer i Hiroshima och Nagasaki.

• Relativt höga doser hos ett fåtal måste användas för riskuppskattningar för stora populationer vid låga doser.

63

Beräkningar från Hiroshima och Nagasaki

• 91 231 exponerade där stråldos kunde beräknas och som inkluderas i studier mellan 1950 - 1985.

• 6139 döda i cancer vilket är cirka 507 fler döda än förväntat: ”excess risk”.

64

E.g.: D. L. Preston, H. Kato, K. J. Kopecky , S. Fujita. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors: 8. Cancer Mortality, 1950-1982. Radiation Research 111 (1987) 151-178.

Y. Shimizu, H. Kato, W. J. Schull. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors: 9. Mortality, 1950-1985: Part 2. Cancer Mortality Based on the Recently Revised Doses (DS86). Radiation Research 121 (1990) 120-141.

65

D. L. Preston, H. Kato, K. J. Kopecky , S. Fujita. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors:

8. Cancer Mortality, 1950-1982. Radiation Research 111 (1987) 151-178.

66

Cancerrisk DT

67

Cancerrisken varierar med ålder, kön och typ av röntgenundersökning:

Buk DT av en nyfödd (0 år) medför 0.14% risk av dödlig cancer (30 mSv ekvivalent organdos)

Buk DT av en pensionär (65 år) medför 0.01% risk av dödlig cancer (15 mSv ekvivalent organdos)

Hur stor är cancerrisken av andra faktorer?

Osäkerhet i riskbedömning

• Osäkerheten är ungefär en faktor 3 och det mesta av osäkerheten beror på extrapoleringen från höga till låga stråldoser.

• Andra osäkerhetsfaktorer:

– Epidemiologi ± 25%

– Dosimetri 0-30%

– Olika population -30% till +60%

68

Fosterskador

Foster är mycket strålkänsliga

– 0 till 8:e veckan dagar efter befruktning: Ingen risk för mentala skador. Fosterdöd och oförmåga att få fäste i livmodern kan förekomma

– 8:e till 15:e veckan: Hjärnan utvecklas med celldelning och profilering. Stor risk för mental retardation eller psykisk utvecklingsstörning vid doser > 100 mGy. Risk för mental utvecklingsstörning är 40 % per Gy.

– Efter 15:e veckan avtar risken för mental utvecklingsstörning.

70

71

Risk för mental retardation

Fosterdoser vid radiografi

72

Fosterdoser vid DT

73

Graviditet och röntgenundersökningar

• Fosterdoser från normala röntgenundersökningar medför inte någon ökad risk för fosterskador utöver bakgrundsrisken.

• Vid fosterdoser mindre än 100 mGy har ingen förhöjd risk för missbildning konstaterats.

• Enskilda röntgenundersökningar ger normalt fosterdoser

Graviditet och röntgenundersökningar

Om en gravid/misstänkt gravid patient ska röntgas och fostret

riskerar att hamna i fältet eller inom 5 cm från fältkant:

• Skjut om möjligt upp undersökningen

• Överväg alternativ metod utan röntgen, t.ex. ultraljud eller MR

• Minimera dosen till fostret genom att t.ex. använda anpassade

gravidprotokoll på modaliteten, följ metodbokens anvisningar.

• Kontakta sjukhusfysiker för en dosuppskattning

75

Strålskydd

77

Spridd strålning

78

79

röntgenrör

Bild: Schueler et al. Radiographics 2006;26:1533-41

80

Bild: Schueler et al. Radiographics 2006;26:1533-41

Liten patient Stor patient

81

Bild: Schueler et al. Radiographics 2006;26:1533-41

Strålskyddsprinciper

• Tid: Vistas i strålning så kort tid som möjligt.

• Avstånd: Strålningen avtar med kvadraten på avståndet.

• Skydd: Använd strålskydd om möjligt

82

83

84

30 keV: H½ = 0.02 mm

60 keV: H½ = 0.13 mm

200 keV: H½ = 0.60 mm

85

86

Tack!