Mgr. David Zoul 2013

1. Detekce a dozimetrie ionizujícího zářeníVeličiny popisující pole záření, dozimetrické veličiny, radiobiologické veličiny, výpočet pacientských dávek, plynové detektory, teorie dutiny Mgr. David Zoul 2013

2. Dozimetrie Cíle: 1) stanovení pacientských dávek a místních DRÚ 2) Stanovení veličin vyjadřujících riziko (ekvivalentní dávka, efektivní dávka, dávkový ekvivalent, orgánové/tkáňové dávky) 3) QA (QC) – hodnocení stavu RTG přístroje a zobrazovacího procesu

3. Veličiny popisující pole záření a) Emise zdroje: má binomické rozdělení kde N je počet částic dopadnuvších na detektor a p je pravděpodobnost s jakou bude detekováno k částic (střední hodnota je N.p). Při vysokém N nebo p přechází v Poissonovo rozdělení kde b) Fluence částic – podíl počtu částic dopadnuvších na malou kouli a obsahu a jejího příčného řezu. Fluenci rovněž můžeme v praxi stanovit jako podíl součtu délek tětiv částic procházejících malou koulí a objemu V této koule: c) Fluence energie: kde R je zářivá energie – součet kinetických energií fotonů, E je kinetická energie jednoho fotonu

4. Veličiny popisující pole záření • d) Střední energie částic: • e) Hustota proudu částic:

5. Veličiny dozimetrie ionizujícího záření Lineární součinitel přenosu energie: Kde N je počet fotonů, E je energie každého z nich, Ee je součet počátečních kinetických energií nabitých částic, uvolněných nenabitými částicemi na úseku dráhy dx. Hmotnostní součinitel přenosu energie: kde fi je podíl střední energie předané nabitým částicím při i-té interakci a energie interagujícího fotonu, K je kerma a  je fluence energie. Lineární součinitel absorpce energie: kde G je energie vynaložená na produkci brzdného záření. Hmotnostní součinitel absorpce energie Lineární přenos energie: kde E je energie předaná nabitou částicí látce v elementu její dráhy dx.

6. Veličiny dozimetrie ionizujícího záření • Expozice • kde  je tzv. expoziční konstanta, Wvz = 34 eV je ionizační práce ve vzduchu, N je počet fotonů. • Kerma • Kermová vydatnost • Kde  je kermová konstanta. • Sdělená energie • Dávka • kde pro hmotnostní srážkovou brzdnou schopnost platí • Příklad 1: Bodový zdroj IZ emituje 1012monoenergetických 60 keV fotonů za sekundu. Vypočti kermový příkon ve vzduchu, ve vzdálenosti 0,5 m od tohoto zdroje, za stíněním 0,5 mm Pb. PolotloušťkaPb pro 60 keV fotony činí 0,125 mm a hmotnostní součinitel přenosu energie pro vzduch a 60 keV foton je 310-2 cm2g-1. Odhadni, jakou roční osobní dávku by obdržel radiační pracovník, který pracoval 2 m od tohoto zářiče za toutéž ochrannou bariérou Pb, po dobu 5000 min/rok?

7. Ionizační stopa primární částice - kernel + -elektrony Přístroje jsou v RDG kalibrovány ve veličině kerma ve vzduchu (měříme vždy kermu ve vzduchu, i když měříme ve fantomu). Kerma je rovna absorbované dávce pouze za podmínek rovnováhy částic (CPE), což není splněno na rozhraní dvou materiálů (vzduch - fantom, vzduch - pacient). Absorbovanou dávku je tak obtížné měřit – musí se počítat.

8. Kerma a dávkaJednotkou je Gy • Kinetická energie nabitých částic • uvolněných nenabitými částicemi v • elementu hmoty, podělená hmotností • tohoto elementu Energie odnesená brzdným zářením

9. Hloubkové dávkové křivky od fotonů různých energií Konverzní účinnost pro elektrony

10. Vstupní povrchová kermaKe,dopadová kermaKi, tkáňová (orgánová) dávka DTJednotkou je Gy B je koefeicient zpětného rozptylu C je konverzní koeficient Poznámka:U molybdenových či rhodiových anod v mamografii, je vlivem filtrace potlačeno brzdné spektrum a klinicky je využíváno pouze spektrum charakteristické, u něhož je závislost kermy na napětí lineární, nikoli kvadratická.

11. Koeficienty zpětného rozptylu Skiagrafická (horní tabulka) a mamografická (spodní tabulka) spektra

12. 3 d3 2 d2 1 d1 Jednodušší způsob: plošná kermaJednotkou je Gy.m2 Veličina nezávislá na vzdálenosti, kterou dokážou automaticky měřit všechna moderní RTG zařízení (tzv. KAP-metrem). Pro zpětný výpočet pacientských dávek jsou radiologičtí asistenti povinni zaznamenávat hodnotu plošné kermyz každé expozice Změří KAP-metr instalovaný přímo v kolimátoru RTG zařízení Stanovíme ze snímku v NISu

13. KAP-metr Vůči záření X velmi transparentní dozimetr (aby neovlivnil dopadovou kermu na pacienta). Měří součin kermy a ozářené plochy - KermaArea Product. Umístěn uvnitř kolimátoru, v blízkosti výstupního okénka rentgenky (neovlivněn zpětným rozptylem z pacienta, měří přímo součin dopadové kermy a plochy).

14. Hodnocení zátěže pacientů • Dotaz pacienta • Odhad dávky na plod • Porovnání zátěže z vyšetření na různých modalitách • Ověřování diagnostických referenčních úrovní (DRÚ)

15. Hodnocení zátěže pacientů Záznamy údajů o expozici Záznamy: provozní deník, PACS, dokumentace pacienta (hmotnost, výška) Skiagrafie: kV, mAs, (PKA), projekce, velikost pole (PACS, obr. dokumentace), vzdálenost onisko-receptor obrazu – podle typu vyšetření – popsané standardem Skiaskopie: kV, mA, t, (PKA).

16. Hodnocení zátěže pacientů Záznamy údajů o expozici Angiografie dolních končetin Angiografie Skiaskopie: kV, mA, min Záznam: počet sekvencí, f/s, kV, mA Celková hodnota PKA Tisknout a archivovat Exam protokol/Report Study Patient Position: HFS 30-Jun-07 xxxxx 1 DSA FIXED PANEV 14s 3F/s 30-Jun-07 12:26:27 A 75kV 273mA 89.1ms 300CL small 0.2Cu 48cm 1521.5µGym2 50.0mGy 0LAO 0CRA 42F 2 DSA FIXED PDK 13s 2F/s 30-Jun-07 12:27:48 A 64kV 399mA 93.1ms 600CL small 0.1Cu 48cm 788.5µGym2 43.1mGy 0LAO 0CRA 24F 3 DSA FIXED PDK 23s 2F/s 30-Jun-07 12:28:52 A 61kV 301mA 71.0ms 600CL small 0.3Cu 48cm 228.5µGym2 12.2mGy 0LAO 2CAU 43F 4 DSA FIXED PDK 25s 2F/s 30-Jun-07 12:31:28 A 61kV 274mA 64.4ms ****** small 0.3Cu 48cm 161.9µGym2 8.6mGy 0LAO 2CAU 48F ***Accumulated exposure data*** 30-Jun-07 18:33:18 Phys: TBD Exposures: 4 Fluoro: 1.8min Total: 3181.3µGym2 132mGy A Fluoro: 1.8min 480.9µGym˛ 18.3mGy Total: 3181.3µGym2 132mGy B Fluoro: 0.0min 0.0µGym˛ 0.0mGy Total: 0.0µGym2 0.0mGy

17. Hodnocení zátěže pacientů Skiagrafie – vstupní povrchová kerma Příklad: vyšetření břicho AP, 81 kV, 32 mAs vzdálenost ohnisko – receptor obrazu 115 cm, vzdálenost ohnisko podpěra (stůl) 107 cm ZDS Protokol bod 81 kV, 10 mAs, 1,25 mGy, ohnisko-detektor 80 cm, měřeno na fantomu 20 cm H2O, filtrace 3,4 mm Al Odhad vstupní povrchové kermy Předpoklad vzdálenost ohnisko – pacient 87cm (tloušťka 20 cm) Kp= Ke * (Qi/Qm) * (r2m/r2i)= 3.38 mGy (DRÚ – 10 mGy) kde Kp….. Vstupní povrchová kermave vzduchu, v místě vstupu do pacienta Ke …...Vstupní povrchová kermazměřená při ZDS na fantomu pro napětí použité při daném vyšetření Qm….elektrické množství ZDS QI…...elektrické množství použité při daném vyšetření pacienta rm….. vzdálenost ohnisko – ZDS rI……vzdálenost ohnisko – pacient při daném vyšetření

18. Radiační váhové faktory

19. Tkáňové váhové faktory

20. Ekvivalentní a efektivní dávkaJednotkou je 1 Sv

21. Typické efektivní dávky z různých druhů vyšetření

22. Veličiny vyjadřující DRÚ • Stanovení efektivní dávky při intraorálním zubním vyšetření • Stanovení tkáňové dávky v při mamografickém vyšetření • kde • s: spektrální korekční faktor na použití různé kombinace materiálů anoda/filtr: • Mo/Mo = 1,000 • Mo/Rh = 1,017 • Rh/Rh = 1,061 • W/Rh = 1,033 • W/Ag = 1,042 • g (dpac, d1/2): konverzní faktor převádějící Ki na DT pro 50% glandularitu a kombinaci Mo/Mo. • c (dpac, d1/2): korekční faktor na jinou než 50% glandularitu.

23. Mamografie – faktor g

24. Mamografie – faktor c

25. Radiační zátěž ošetřujícího personáluunikající a rozptýlené záření Primární neužitečné záření Unikající záření Rozptýlené záření

26. Fyzikální principy radiační ochrany Opatření redukující individuální zevní ozáření z daného zdroje vychází ze čtyř principů nazývaných • ochrana regulací emise zdroje • ochrana vzdáleností • ochrana časem • ochrana stíněním a jejich vzájemné kombinace, neboť platí vztah: První činitel označuje tzv. příkon fluence částic (závisí na emisi zdroje a na vzdálenosti). Druhý činitel umožňuje provést ochranu časem a konečně třetí činitel na pravé straně vyjadřuje stínění materiálem tloušťky d, s lineárním součinitelem zeslabení µ.

27. Dávkový ekvivalent

28. Osobní dávkový ekvivalent Hp 0,07 – dávkový ekvivalent vztažený na tkáně uložené v hloubce 0,07 mm udává radiační zátěž na dermis Hp 10 – dávkový ekvivalent vztažený na tkáně uložené v hloubce 10 mm udává radiační zátěž na orgány a tkáně uložené hlouběji pod povrchem těla Hp 3 – dávkový ekvivalent vztažený na tkáně uložené v hloubce 3 mm udává radiační zátěž na oční čočku

29. Plynové detektory

30. Princip plynových detektorů • Plyny jsou za standardních podmínek vynikajícími izolanty • Působením přímo ionizujícího záření se původně neutrální molekuly (či atomy) přeměňují na kladné ionty a elektrony • Působením nepřímo ionizujícího záření vznikají sekundární nabité částice – ty posléze samy ionizují • V důsledku vzniku elektricky nabitých částic v plynu vzrůstá jeho vodivost • Detektory, které využívají tohoto jevu souhrnně označujeme jako detektory plynové

31. Druhy plynových detektorů • Ionizační komory • Proporcionální detektory • Geiger – Müllerovy detektory • Koronovédetektory

32. Obecný průběh charakteristiky detektoru A – oblast rekombinační, též oblast Ohmova zákona B – oblast nasyceného proudu, též oblast nasycení C – oblast proporcionality D – oblast omezené proporcionality E – oblast Geiger – Müllerova F – oblast koronového výboje

33. Oblast Ohmova zákona • V této oblasti je intenzita elektrického pole ještě příliš nízká na to, aby byly produkty ionizace od sebe dostatečně rychle odděleny • Značná část z nich rekombinuje – sebraný náboj eNsje menší než náboj vytvořený eNi • S rostoucí intenzitou elektrického pole roste driftová rychlost vytvořených nosičů náboje a tím klesá pravděpodobnost rekombinace – oblast Ohmova zákona postupně přechází v oblast nasyceného proudu • Oblast Ohmova zákona se v detekční technice využívá jen zřídka

34. Oblast nasyceného proudu • Od jisté intenzity elektrického pole se rekombinace prakticky neuplatňují • Počet sebraných iontů se tedy rovná počtu iontů vytvořených ionizací (Ns=Ni) • Tato oblast je typickým pracovním režimem ionizačních komor

35. Oblast proporcionality • Při dalším zvyšování napětí je Ns> Ni • Platí Ns(i) = MNi • Konstanta M je pouze funkcí napětí na detektoru • Hovoříme o tzv. plynovém zesílení • Jev je způsoben tím, že elektrony vlivem elektrického pole při své cestě k elektrodě získávají takovou energii, že jsou samy schopny dále ionizovat • Tato oblast je typickým pracovním režimem proporcionálních detektorů

36. Oblast omezené proporcionality • Plynové zesílení M přestává být funkcí pouze napětí na detektoru, ale začne záviset i na Ni • Závislost Ns na Ni je stále nevýznamnější, až na konci této oblasti zcela mizí • Oblast není běžně v detekční technice využívána

37. Oblast Geiger – Müllerova • V této oblasti počet sebraných iontů již nezávisí na počtu iontů vytvořených ionizujícím zářením • Ns jen zvolna stoupá s napětím na detektoru • V této oblasti pracují Geiger – Müllerovy detektory (ty již logicky nemohou být na rozdíl od předchozích spektrometrické)

38. Oblast koronového výboje • Při dalším zvyšování napětí dochází k zapálení samovolného koronového výboje, a to nezávisle na tom, zda v objemu detektoru došlo k tvorbě primární ionizace • Odezva detektoru zde s napětím roste • V této oblasti pracují koronové detektory • Dalším zvýšením napětí (není v grafu) dojde k doutnavému výboji, který zachvátí celý pracovní objem detektoru – závislost proudu detektoru na napětí má zde zápornou derivaci • Oblast doutnavého výboje se v detekční technice nevyužívá

39. Ns závisí lineárně na Ni pouze v oblasti nasyceného proudu a v oblasti proporcionální • Předpokládejme, že primární ionizační účinky Ni jsou úměrné energii částice Ei dle vztahu Ni = EiW-1 kde Wje střední energie pro vznik jednoho iont-elektronového páru • Počet sebraných nosičů Ns je pak úměrný energii Ei, neboť platí Q = e Ni M kde Q je sebraný náboj, e je náboj elektronu a M plynové zesílení (M=1 pro ionizační komory) • Zde pracující detektory tedy umožňují měření energie částic (přesněji energie absorbované v detektoru) – říkáme, že mají spektrometrické vlastnosti • Příklad 2:Odhadni elektrický náboj, který se uvolní při průletu jednoho 100 keV fotonu vzduchem plněnou ionizační komorou, při normálním tlaku a pokojové teplotě.

40. Je třeba zmínit fakt, že k dosažení oblasti proporcionality a oblastí ležících napravo od ní (vyšší intenzita el. pole) je třeba použít geometrické uspořádání detektoru, které zajistí velmi nehomogenní elektrické pole – tedy geometrie koaxiální (válcové), sférické (kulové), nikoli geometrie deskové (planární)

41. Střední energie ionizace v plynech - W • Pro plyny je tato veličina velmi dobře známa – včetně její závislosti na druhu a energii ionizující částice • Tato závislost mimochodem není příliš významná – viz tabulka – v argonu se Wmění s energií částice maximálně o 0,5%, u vzduchu to může být až 10% • Pro všechny známé plyny leží Wv intervalu 25 – 45 eV a velmi málo závisí na druhu ionizující částice Hodnoty W[eV] pro různé plyny a částice

42. Teorie ionizace v dutině Vzájemný vztah mezi dávkou ve stěně dutiny a v plynu uvnitř dutiny, řeší teorie ionizace v dutině. Uvažují se 3 případy vzhledem k dosahu elektronů malá dutina (Ionizace je vyvolána převážně elektrony uvolněnými ve stěně) velká dutina (Ionizace je vyvolána převážně elektrony uvolněnými v plynu) 3) střední dutina (nastává rovnováha elektronů uvolněných ve stěně i v plynu)

43. Měření dávkového příkonu • Pro tento účel se využívá Bragg – Grayova principu • Za níže vyslovených předpokladů je počet iontových párů vytvořených v IK umístěné v dutině tělesa úměrný dávce fotonového záření v materiálu, který dutinu obklopuje • Detektorem v takovém případě nemusí nutně být ionizační komora (např. TLD) • Předpokládejme nyní malou plynovou dutinu A objemu V obklopenou materiálem B s efektivním atomovým číslem Z – nechť dále toto uspořádání splňuje Bragg – Grayovy podmínky

44. Bragg – Grayovy podmínky • Hustota toku primárního fotonového záření je všude v soustavě A, B konstantní • Rozměry dutiny jsou mnohem menší než dosah sekundárních elektronů v plynu, jímž je dutina naplněna • Tloušťka stěny dutiny z materiálu B je větší než dosah sekundárních elektronů v B • Za těchto předpokladů bude ionizace plynu téměř výhradně vyvolávána elektrony, které vznikly ve stěně dutiny • Elektrony přitom při průchodu plynem ztrácejí jen malou část své energie, přítomnost dutiny tedy nenarušuje elektronovou rovnováhu (malá dutina – nebo nízký tlak)

45. Vztah pro dávkový příkon • Dle Attixovy teorie (dále rozpracované např. Burlinem) je vztah mezi dávkovým příkonem a proudem v dutině: • SZP – poměr hmotnostních brzdných schopností materiálu stěn B a plynu A, W– střední energie ionizace plynu, r – hustota plynu, V – objem komory • Chceme-li měřit dávkový příkon např. v tkáni, je třeba aby stěny IK byly tkáňově ekvivalentní – Zeff je blízké tkáni

46. Obecná teorie dutiny Dávkový příkon: Dávka: Burlinova obecná teorie dutiny: kde