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Physikalische Grundlagen der Nuklearmedizin: Dosis, allgemeine StrahlenbelastungK
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Dr. H. Künstner: Unterricht für MTRA
Dosis und natürliche Strahlenbelastung
•Begriffsklärung•Dosisarten•Messmöglichkeiten•Umrechnungen•Natürliche Strahlenbelastung
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ckDr. H. Künstner: Unterricht für MTRA
Dosis: Grundbegriffe und ihr Zusammenhang
Aktivität
Strahlung
Dosis
Bei spontanenKernumwandlungen
wird Energie frei
Freigesetzte Energiewird transportiert
Transportierte Energie
wird in Materieübertragen
Als Quant/Foton :Röntgen-, γ-Strahlung
Als Teilchen :α-, β-Strahlung
Energieumwandlung in Gasen, Flüssigkeitenund Festkörpern durch Ionisation, Streuung, Absorption
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Energiedosis D
�Maßeinheit: 1 Gray [Gy] = 1J/1kg�Dges = D1+D2+D3+... (kumulativ)�Energiedosisleistung D/Zeit [Gy/s]
Eein
Strahlung, die den Körpernicht trifft, bleibtunberücksichtigt
In den Körper
eindringende Strahlung
Körper absorbiert
Strahlungsenergievollständig oder
teilweise
Erwärmung
Energiedosis = Eein – EausIst die von einer Masseeinheit beimDurchtritt von ionisierender Strahlungaufgenommene Energie.Hängt ab von der Strahlungsenergieund dem Material, dass die Strahlungabsorbiert.
Eaus
Aus dem KörperaustretendeStrahlung
RadioaktiveQuelle
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ckDr. H. Künstner: Unterricht für MTRA
Energiedosis D bei innerer Bestrahlung
�Maßeinheit: 1 Gray [Gy] = 1J/1kg�Dges = D1+D2+D3+... (kumulativ)�Energiedosisleistung D/Zeit [Gy/s]
im Körper absorbierte
Strahlungsenergie
Erwärmung
Energiedosis = EZerfälle – EausBei allen radioaktiven Zerfällenfreiwerdende Energie minus der aus dem Körper austretenden Strahlungsenergie.
Eaus
Aus dem KörperaustretendeStrahlung
RadioaktiveQuellen
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Dosis: Art, Messgrößen, Einheiten
Übertragene Energie pro Masseneinheit:Joule/kg [J/kg]
Durch welcheStrahlenart ?
An welchesMaterial ?
beliebigEnergie-Dosis D
aber:
Bewertung der biologischen Wirkungeiner Strahlenart durch Faktor WR
lebendes Gewebe Äquivalent-Dosis
Bestrahlung
voninnen
vonaußen
Effektiv-Dosis
Einzelorgane:Bewertung der Strahlenempfind-lichkeit eines Organsdurch Faktor WT
Körper:BewertungsfaktorWT = 1:Ganzkörper
1 J/kg = 1 Gray [Gy]
D*WR = Sievert [Sv]
D*WR*ΣWT = Sievert
WR = 1 für X, γ und β= 20 für α
WT = 0,03 für Schilddrüse
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ckDr. H. Künstner: Unterricht für MTRA
Der Dosisbegriff - Übersichtsgrafik
Radiobiologisch bewertete Energie-
[Sv] Dosis [Sv]in Gewebe
Richtungs-Äquivalentdosis
H‘(0,07)
Oberflächen-Personendosis
Hp(0,07)
Tiefen-Personendosis
Hp(10)
Umgebungs-Äquivalentdosis
H*(10)
MessgrößenDosimeter
Äquivalentdosis
Personen-dosis
Orts-dosis
EffektiveFolgedosis
Organ-Folgedosis
Körperdosis
SchutzgrößenGrenzwerte
OrgandosisEffektive Dosis
gewichtete Summe der Organdosen
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Körperdosis - Energiedosis
Bindeglied zwischen Energiedosis und Körperdosis: Strahlungs-Wichtungsfaktoren
Körperdosis ist ein Maß für Gefährdung(keine physikalische Größe).
Energiedosis beschreibt physikalische Prozesse
(Energieübertrag auf Materie).
Einheit:Sievert (Sv)
Einheit:Gray (Gy)
Energieübertragvon Strahlung auf Materie
1 Gy = 1 J/kg
1 Sveffektive
Dosis
5 %tödliche
Krebsfälle
Risiko
=
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Qualitätsfaktor (Berücksichtigt Wirkung auf lebendes Gewebe)
Strahlung Qualitäts-faktor Q
RöntgenstrahlungGammastrahlung 1β-Strahlung
Neutronen 10
α-Strahlung 20
Energiedosisin Gray (Gy)
*
Qualitätsfaktor
=
Äquivalentdosisin Sievert (Sv)
Unbelebte Materie(z.B. Blei, Beton,…)
Lebendes Gewebe(z.B. Mensch odereinzelne Organe)
1 kg
Wichtungsfaktor
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Körperdosis - Äquivalentdosis
Die Äquivalentdosis ist ein Näherungswert für die Körperdosis.
von einem Dosimeter gemessene Dosis
Messgröße
Äquivalentdosis.und
Man unterscheidet
Körperdosistatsächliche Dosis,
Schutzgröße
nicht messbar!
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Personendosis - Ortsdosis
Bei der Äquivalentdosis unterscheidet man zwischen
Personendosis
gemessenvon einemPersonen-dosimeter
Seit der Einführung der neuen Messgrößen hat die Ortsdosis an einembestimmten Ort denselben Wert wie die entsprechende Personendosis.
gemessen von einemOrtsdosimeter
Ortsdosis .und
Sch
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Vergleich der Dosis-Größen
Dosis (in Sv): Maß für die Gefährdung durch ionisierende Strahlung
Organdosis: Maß für die Gefährdung des angegebenen Organs
Effektive Dosis: Maß für die Gefährdung des gesamten Organismus
Körperdosis: Sammelbegriff für Organdosis und effektive Dosis(nicht messbar !)
Äquivalentdosis: gemessene Dosis
Personendosis: mit einem Personendosimeter gemessene Dosis
Ortsdosis: mit einem Ortsdosimeter gemessene Dosis
Dosisleistung: gibt an, um wie viel sich die Dosis pro Zeiteinheit erhöht
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Vergleich der Dosis-Größen
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Vergleich der Dosis-Größen
Strahlenart Energiedosis Äquivalentdosis Effektivdosis
αααα
γγγγ
ββββ 340 Gy
6800 Sv
340 Sv
340 Sv
340 Svam Kopf
68 Svam Thorax
3,4 Svam Fuß
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Dosisleistungsmessung
•Die Energiedosis ist sehr schwierig zu messen !•Einfacher ist die Messung der Energiedosisleistung , d.h. der Energie, die je Zeiteinheit auf eine Fläche/Volumen trifft.Sie ist z.B. proportional zum Strom eines Zählrohres.•Im medizinischen Bereich benötigen wir meist die Äq uivalentdosis
Zur Personenkontrollevorgeschrieben.Für Schwangere in zugelassenen Bereichenelektronisch mit sofortigerÄquivalentdosisanzeige und Warnfunktion
Filmdosimeter Dosisleistungsmessgerät
Zu Kontrollzwecken in allen Bereichen,auch zur Patientenmessung nach der Radioiodtherapie(Patient darf Klinik nur verlassen, wenn die Ortsdosisleistung in 1 m Abstandca. 14 µSv/h nicht mehr überschreitet)
Körperdosismessung Ortsdosismessung
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Dosismessung: Personendosis
ZukünftigHeute Standard
Zugelassene Auswertestelle
Sammelstelle Uni
Filmdosimeter
Rückinformation:Dosis je Mitarbeiterim vergangenen Monat
Filme
Elektronische Dosimeter, die von Lesestationen im Vorbeigehen ausgelesen werden und die Werte an zentralen Auswerte-PC übertragen.
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Natürliche und künstliche Strahlenbelastung
•Woher kommt die natürliche Strahlung ? •Belastungswege•Regionale Unterschiede
•Woher kommt die künstliche Strahlenbelastung ?•Belastete Arbeitsplätze•Atomwaffenversuche / Tschernobyl•Medizinische Untersuchungen
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Natürliche Radionuklide
Zerfallsreihen der Urane und des Thorium47 Radionuklide als Zwischen-produkte der Zerfallsreihen, mit sehr unterschiedlichen HWZ
25 weitere primordialeRadionuklide
Kalium-401,3*109 a
Rubidium-874,8*1010 a
Langlebige Radionuklide,die aus der Entstehungs-zeit der Erde stammen
KosmogeneRadionuklideRadionuklide, die in der Atmosphäre durch Beschuss mit kosmischer Strahlung entstehen
Kohlenstoff-145730 a
Wichtige Vertreter dieser Gruppen sind:
Radium-2243,64 dRadon-220 (Thoron)55,6 sRadon-2223,8 dPollonium-xxx
Blei-xxx
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224Ra – ZerfallsschemaThorium-Reihe
αααα
224 Ra 3.6 d
220 Rn
55 sec
216 Po 0.15 sec
212 Pb10.6 h
208 Pb stabil
212 Po 0,45 m sec
212 Bi 1 h
208 Tl 186 sec
αααα
αααα
= 22461518
( 64 % )
= 334572
=179415161283
( 100 % )
= 583 keV510277
γγγγ = 727 keVγγγγ = 238 keV
γγγγ = 549.7 keV
γγγγ = 241 keV
keV Reichweite :αααα ~ 6778 0.05 mm
ββββ ~ 2246 8 mm ( mittl.)
γγγγ
αααα
ααααββββ
ββββ
ββββ
228 Th1,9a
228 Ac6,13 h
228 Ra5,7 a
232 Th1,4 1010 a
EdelgasRadon
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Einwirkungsmechanismen der Radioaktivität auf den Menschen
Atmung
Nahrungsaufnahme
Innere Bestrahlung
Vor allem Radon und deren Folgeprodukte (α-Strahler) zeigen Strahlenwirkung auf Lungengewebe
Hier spielt das Kalium-40 (primodiales Radionuklid) eine maßgebliche Rolle, da es im Körper sehr häufig vorkommt (ca. 2 g/kg Körpergewicht)
Äußere Bestrahlung
Atmosphäre
Umgebung
Boden und Wasser
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Mittlere jährliche effektive Dosis
8506Iran: Ramsar
8006Brasilien: Esprito Santo
504Indien: Kerala, Madras
50,4Deutschland
Maxim. Ortsdosisim Freien
mSv/Jahr
mittl. effektive Dosisder Bevölkerung
mSv/Jahr
Gebiet
0,79Saarland0,069Bayern
0,063Thüringen0,048Niedersachsen
0,028Brandenburg0,036MV
Ortsdosis µSv/h
BundeslandOrtsdosis µSv/h
Bundesland
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Radonaktivitätsverteilung in der Bodenluft
Bereich von
10 kBq/m³ bis
über 500 kBq/m³
Mittelwerte der Radonaktivität in Deutschland:
15 Bq/m³ im Freien50 Bq/m³ in Gebäuden
Mittlere effektive Dosisaus der Bestrahlung mit
natürlichem Radon und seinen
Folgeprodukten
1,4 mSv/a
Wesentlich höhere Werte der Radonaktivität in:•Kellerräumen in Gebirgslagen•Bergwerken, Stollen•Höhlen•Grundwasserspeichern
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Strahlenexpositionen bei Flügen und Raumflügen
Nach etwa 400 Transatlantik-flügen im Jahr wird der Grenzwert von 20 mSv erreicht
Flugbelastung
Frankfurt – New York – Frankfurt100 µSv
Frankfurt – Singapur – Frankfurt60 µSv
Frankfurt- Mallorca – Frankfurt6 µSv
Bei 600 Flugstunden in mittlerer Höhe von 10 km in unseren Breiten ergibt sich eine effektive Dosis von etwa 3 mSv/a
Belastung bei Raumflügen
1572 µSv/h
209Mondlandung Apollo XIV
630 µSv/h
195MondlandungApollo XI
5513 µSv/h
4200ErdumkreisungSalut 6
3,614 µSv/h
260ErdumkreisungApollo VII
Dosis
mSv
Dauer
h
Flug
Höhere Werte bei den Mondflügen resultieren aus der Durchquerung der Strahlungsgürtel der Erde in 8000 bzw. 50000 km Höhe über dem Äquator
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Einfluss der Flughöhe und der geografischen Breite auf die Dosisleistung beim Fliegen
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Zivilisatorische StrahlenbelastungAtombombenversuche in der Atmosphäre und Reaktorunfall von Tschernobyl (1986)
Person in Mitteleuropa von 1960 bis 2050
aus Atombombenversuchen etwa 2 mSv
effektive Dosis (80% davon von 1960-70
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Strahlenexposition durch Bildschirme u.a.
50 pSv/h
Anderer Mensch (Abstand 0,5 m)
- Gammastrahlung von Ka-40
30 pSv/hZeitschriften (Abstand 0,35 m)- Gammastrahlung von Ra- und Th-Folgeprodukten
2 pSv/h100 pSv/h
Farbfernseher (Abstand 3 m)
- betriebsbedingte Röntgenstrahlung- Gammastrahlung enthaltener natürlicher radioaktiver Stoffe
6 pSv/h
1200 pSv/h
Bildschirmgeräte (Abstand 0,5 m)- betriebsbedingte Röntgenstrahlung
- Gammastrahlung enthaltener natürlicher radioaktiver Stoffe
100.000 pSv/hNatürliche Umgebungsstrahlung
pSv = Picosievert, 1 pSv = 0,000 000 001 mSv1 pSv = 0,000 001 µSv
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Natürliche und zivilisatorische Strahlungsbelastungfür Deutschland (statistisches Mittel)
Strahlenexposition ausnatürlichen Quellen Jährliche Dosis in mSv
Jährliche Dosis in mSvStrahlenexposition auszivilisatorischen Quellen
Kosmische Strahlung
Terrestrische Strahlung
Natürliche Radionuklide im Körper
Inhalation von Radon und Folgeprod.
Medizin
Kernwaffenfallout
Reaktorunglück Tschernobyl
Wissenschaft, Technik, KKW
Summe
Summe
0,3
0,5
0,3
1,3
2,4
1,5
0,02
0,02
0,01
1,55
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Anteile der jährlichen Strahlendosis
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Röntgendiagnostik Nuklearmedizinische Diagnostikkonventionell PET
•CT Abdomen
•CT Thorax
•Urogramm
•Abdomen-Übersicht
•Becken-Übersicht
•Schädel 2 Ebenen
•Thorax 2 Ebenen
•Herz 201Ti-Chlorid
•Hirn 99mTc-HMPAO
•Skelett 99mTC-Phosphat
•Lunge 99mTc-Mikrosphären•Schilddrüse 99mTc-Pertechnetat
•Nieren 99mTc-DMSA
•Schillingtest 57Co-Vit.B12•Clearance 51Cr-EDTA
•Glucosestoffwechse18F-FDG
•Herz 82Rb
•Herz 11C-Acetat •Hirn 15O-CO2
•Blutfluss 15O-H2O
0,1
1
10
mSv
Natürlicher Strahlenpegel
Strahlenbelastung bei medizinischen Untersuchungen
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Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad eines
Strahlenmessplatzes ist das
Verhältnis der
Anzahl der gemessenen Impulsezur tatsächlichen
Anzahl von Zerfällen.
Wirkungsgrad = ImpulsrateAktivität ηηηη =
RM – R0
A
Je höher der Wirkungsgrad, desto geringer ist der s tatistische Fehler.
Detektor erfasst nur einen Bruchteil der tatsächlich
emittierten Strahlung.
RM
A
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