ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA JĄDROWEGO Z MATERIĄ

1. ODDZIAŁYWANIEPROMIENIOWANIA JĄDROWEGO Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER

2. Plan wykładu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny Wprowadzenie Podstawowe pojęcia Zderzenie i rozproszenie Przewodnictwo materii Naturalne źródła promieniowania jonizującego Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio Źródła promieniowania jonizującego Pole promieniowania jonizującego Detekcja promieniowania Skutki napromieniowania materii żywej Dozymetria medyczna Ochrona przed promieniowaniem Osłony przed promieniowaniem

3. DOZYMETRIA MEDYCZNA

4. Biologiczny czas połowicznego zaniku • Dokładny opis matematyczny czasowych zmian aktywności całego układu (wszystkich organów) jest niemożliwy • Stosowane proste modele pozwalają w przybliżeniu opisać czasowe zmiany aktywności promieniotwórczych jąder atomowych znajdujących się w organizmie • Cały układ tworzy zbiór n stabilnych podukładów, które pochłaniają wprowadzone promieniotwórcze jądra • Pomiędzy podukładami zachodzi wymiana jąder promieniotwórczych • Przekazywana przez t-ty podukład aktywność jest proporcjonalna do jego aktywności całkowitej • Do układu wprowadza się jądra promieniotwórcze o stałej rozpadul Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

5. Model n-podukładów • Zmiany aktywności w czasie dt każdego podukładu: Ai - całkowita aktywność i-tego podukładu, ki0- część aktywności i-tego podukładu wydalana na zewnątrz w czasie dt (tracona przez cały układ), kji - część aktywności i-tego podukładu pochodząca w czasie dt z podukładu j-tego, kij- część aktywności i-tego podukładu przekazywaną w czasie dt podukładowi j-temu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

6. Model n-podukładów • Zmiany aktywności w czasie dt każdego podukładu: • zmniejszenie aktywności na skutek rozpadu jąder promieniotwórczych (wydalanie fizyczne) • zmniejszenie aktywności na skutek wydalenia części jąder promieniotwórczych przez układ (wydalanie biologiczne) • wkład pozostałych (n -1) podukładów do aktywności i-tego podukładu • aktywność przekazana przez i -ty podukład pozostałym (n -1) podukładom Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

7. A n ( t ) å = = - l - x C i ( t ) exp( t ) B F ( t ) exp( t ) i ij j j m = 1 j i Model n-podukładów • aktywność właściwaCi(t) w chwili t • aktywność Ai przypadającą na całkowitą masę i-tego podukładu: ξi - dodatnia stała mającą charakter stałej rozpadu Bij- stała dodatnia, ujemna lub równa zeru pi - stała Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

8. Model n-podukładów • w momencie t = 0 wprowadzamy do układu radioizotop o aktywności A0 • aktywność właściwa dla 1-go podukładu: • aktywność właściwa sumy pozostałych (2+3+...+n) podukładów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

9. Model n-podukładów • po dostatecznie długim czasie proces wydalania promieniotwórczych jąder powinien być zakończony • wyrazy z ujemnymi współczynnikami Bij są do zaniedbania • praktycznie pozostaje • albo jeden wyraz z dodatnią wartością Bij i jednocześnie z małą wartością współczynnika x • albo wiele wyrazów z bardzo bliskimi, praktycznie nierozróżnialnymi wartościami x • dla jednego wyrazu funkcja Fj(t) jest tożsamościowo równa jedności (składowa periodyczna, o ile istnieje, zanika i pozostaje jedynie wyraz wykładniczy) • współczynnik xma charakter stałej zaniku, związanej z wydzielaniem biologicznym Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

10. Model n-podukładów • dla dostatecznie długiego czasu t aktywność właściwa • λf- fizyczna stała rozpadu • λb- biologiczna stała rozpadu • λef- efektywna stała rozpadu • biologiczny czasu połowicznego zaniku i efektywny czas połowicznego zaniku Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

11. „Własności biologiczne” „Własności biologiczne” promieniotwórczych jąder atomowych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

12. Proste modele • model dzielący cały rozpatrywany układ biologiczny na n podukładów można w wielu zagadnieniach zastąpić przez modele proste • można rozpatrywać • albo tylko jeden układ • promieniotwórcze jądra atomowe są absorbowane jedynie w określonej części układu biologicznego • albo n podukładów, w których n jest liczbą niewielką . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

13. Model jednego układu • Model jednego układu można zastosować w przypadku np. wprowadzenia izotopu promieniotwórczego do krwi, a który następnie dzięki metabolizmowi osadza się w określonym organie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

14. Model jednego układu • Do podstawowego układu 1 o masie m1 wprowadzone są radioizotopy o aktywności A0 i aktywności właściwej C1 • Zmiana aktywności układu 1 zachodzi z szybkością k1: • na skutek wydalania z szybkością awk1 • na skutek trwałego przyswojenia w określonej części układu z o masie mz z szybkością azk1 . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

15. Model jednego układu • Prędkość zmiany aktywności układu • Prędkość zmian aktywności wydzielonej • Prędkość zmian aktywności trwale przyswojonej . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

16. Model jednego układu • warunki początkowe • czasowe zmiany aktywności właściwej układu 1 • czasowe zmiany aktywności właściwej trwale przyswojonej • czasowe zmiany aktywności wydalonej Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

17. Model jednego układu Czasowe zmiany aktywności właściwej C1 i Cz aktywności wydalonej Aw (az= 0,4;  aw= 0,6; k1 = 0,69; l= 0,35; m1 = 2,5; mz=1) • szybkość zanikania aktywności przyswojonej zależy głównie od stałej k1, czyli od wielkości stałej rozpadu biologicznego . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

18. Model dwu układów • model dwu układów można zastosować gdy wprowadzony promieniotwórcze jądra atomowe w jednych organach rozprzestrzeniają się szybko a w innych odkładają wolno • np. w przypadku wprowadzenia izotopu promieniotwórczego do krwi, który następnie dzięki metabolizmowi osadza się szybko np. w tkance miękkiej i wolno np. w kościach . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

19. Model dwu układów • do układu 1 o masie m1 wprowadzony jest radioizotop o aktywności A0 i aktywności właściwej C1. • Zmiana aktywności układu 1, zachodzi z szybkością k1 • na skutek wydalania z szybkością awk1, • na skutek trwałego przyswojenia przez część układu o masie mz z szybkością azk1 • na skutek przekazania z szybkością a1k1 pewnej aktywności do układu 2 o masie m2 • na skutek przekazania przez układ 2 pewnej aktywności z szybkością b1k2. • Układ 2 zmienia swoją aktywność na skutek wydalania z szybkością b2k2 . Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

20. Model dwu układów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

21. Model dwu układów • prędkość zmiany aktywności układu 1 i układu 2 • warunki początkowe Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

22. Model dwu układów • czasowe zmiany aktywności właściwej układu 1 i układu 2 • czasowe zmiany aktywności właściwej trwale przyswojonej Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

23. Radiologia • radiologia - interdyscyplinarny dział fizyki medycznej zaliczany do fizyki stosowanej • zajmuje się zastosowaniem w medycynie promieniowania jonizującego • związek fizyki i medycyny datuje się czasów Odrodzenia • istotnym postępem było odkrycie promieni X oraz pierwiastków promieniotwórczych • do celów diagnostycznych, terapeutycznych i w badaniach naukowych medycyna wykorzystuje również wiele innych zjawisk fizycznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

24. Radiologia • do celów diagnostycznych promieniowanie jonizujące można wykorzystać do prześwietlania albo do badań atomami znaczonymi • prześwietlanie promieniamiX wykorzystuje różną jego absorpcję różne organy, czasem z dodaniem tzw. kontrastów • badanie atomami znaczonymi polega na wprowadzaniu do ustroju określonego preparatu promieniotwórczego i śledzenie jego losów w organizmie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

25. Radiologia • w radiodiologii stosuje się pewne określenia, które są wynikiem kompromisu pomiędzy opisem fizycznym a biologiczno-medycznym • energia promieniowania jonizującego pochłonięta w tkankach ustroju, wywołuje szereg przemian fizykochemicznych, które prowadzą do powstania określonego efektu biologicznego • efekty te, nie do końca zbadane, mogą stanowić potencjalne zagrożenie dla życia • konieczne jest uwzględnienie specyficznych cech napromieniowanych tkanek • określenie maksymalnie dopuszczalnych dawek promieniowania dla różnych organów • stosowanie specjalnie opracowanych metod pomiarowych • realizacja procedury stosowania promieniowania jonizującego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

26. Radiologia • w leczniczym stosowaniu promieniowania jonizującego napromieniowywany ośrodek stanowią tkanki ciała pacjenta • teleradioterapia - źródło promieniowania jest w pewnej odległości od obiektu napromieniowywanego • brachyradioterapia – źródło promieniowania jest w bliskim kontakcie z terenem leczonym • radioterapia śródtkankowa - źródło promieniowania jest umieszczone wewnątrz napromieniowywanej tkanki Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

27. Diagnostyka • w diagnostyce dawki uzyskiwane przez pacjenta muszą być z założenia minimalne • wykorzystuje się głównie promieniowanie X • metody pomiarowe - stosowane w laboratoriach ze zamkniętymi źródłami promieniowania • przy stosowaniu metody atomów znaczonych – wymagania jak dla laboratoriów izotopowych stosujących źródła otwarte o określonej aktywności Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

28. Diagnostyka • w badaniach diagnostycznych wiązka promieniowania przechodzi przez ciało a detektor znajduje się na zewnątrz • teoretyczna możliwość dokładnego wyznaczenia dawki pochłoniętej przez pacjenta • źródło Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

29. Radioterapia • W radioterapii stosowane dawki są z założenia większe • Do wyznaczenia dawki w punkcie napromieniowania wykorzystuje się głównie badania modelowe • Dozymetria w radioterapii posługuje się szeregiem empirycznych określeń stosowanych przy planowaniu leczenia • Istnieją zalecane normy międzynarodowe • Niektóre normy są ogólne, niektóre dotyczą jedynie konkretnego urządzenia czy stosowanej metody • W planowaniu leczenia wykorzystuje się specjalistyczne programy komputerowe, które mogą sterować samym procesem napromieniowania • Dopuszczalne dawki dla różnych organów są przedmiotem licznych dyskusji. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

30. Radioterapia • w zastosowań terapeutycznych napromieniowany obszar znajduje się w ciele pacjenta • wiązka musi być odpowiednio skolimowana – zawsze istnieje półcień • określenie dawki w punkcie napromieniowania nie jest możliwe • do wyznaczenia dawki wykorzystuje się pomiary wykonywane na modelach (fantomach) • źródło Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

31. Dopuszczalne dawki (Gy) w terapii 10 50 20 60 30 20 40 8 100 8 szpik Wg. Agencji Atomowej, Wiedeń 1990 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

32. Zagrożenie promieniowaiem zewnetrznym (%) 0,03 0,12 0,15 0,25 0,03 kości 0,12 czerwone ciałka krwi reszta inne Wg. Agencji Atomowej, Wiedeń 1990 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

33. Fantom • fantom – model do badań wpływu promieniowania • materiał tkankopodobny o wymiarach zapewniających warunki pełnego rozproszenia wiązki promieniowania • fantom anatomiczny - fantom przypominający kształtem ciało ludzkie • materiał fantomowy – materiał w którym podobnie jak w określonej tkance ciała • promieniowanie jest pochłaniane i rozpraszane • efektywna liczba atomowa materiału w przybliżeniu taka sama • ma podobną gęstość Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

34. Fantom • materiałem fantomowym równoważnym tkance miękkiej jest woda • gęstość i efektywna liczba atomowa wody oraz tkanki miękkiej są prawie jednakowe • Woda jest też równoważnik dla całego ciała • w dozymetrii takie założenie jest bezpieczne • Inne materiały fantomowe • drewno prasowane • perspeks - odpowiednio spreparowaną parafinę • Mix – mieszanina 60,8 % wosku, 30,4 % polietylenu, 6,4 % tlenku magnezu i 2,4 % dwutlenku tytanu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

35. Fantom Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

36. Fantom • odpowiednik kości (efektywna liczba atomowa 13,8) • szkło • gips • aluminium • konieczność korekcji w stosunku do gęstości kości • odpowiednik tkanki płucnej (ma dużo pęcherzyków powietrza, ma mniejszą gęstością od tkanki miękkiej i absorbuje promieniowanie X lub  w mniejszym stopniu) • korek Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

37. Fantom Średnie liczby atomowe dla promieniowania g dla materiałów biologicznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

38. Metoda atomów znaczonych • dla danego pierwiastka izotopy promieniotwórcze nie różnią się w sposób istotny pod względem chemicznym od izotopów stabilnych • izotopy promieniotwórcze • są łatwo wykrywalne dzięki emitowanemu przez nie promieniowaniu • tworzą takie same rodzaje wiązań jak izotopy stabilne • kinetyka reakcji chemicznych jest na ogół jednakowa • zamiana w biocząsteczce izotopu stabilnego izotopem promieniotwórczym pozwala śledzić jej przemiany metaboliczne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

39. Metoda atomów znaczonych • współczesne metody detekcji pozwalają wykrywać promieniowanie emitowane przez pojedyncze atomy promieniotwórcze • znikoma ilość cząsteczek znakowanych nie zakłóca normalnego przebiegu np. procesów fizjologicznych • znikome natężenie promieniowania nie powinno wpływać ujemnie na strukturę i funkcje komórek Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

40. Metoda rozcieńczenia izotopowego • pozwala na wyznaczenie objętości lub stężenia składnika mieszaniny • stosowana gdy bezpośredni pomiar nieznanej objętości jest niemożliwy, np. • objętości krwinek czerwonych • objętości krwi • całkowitej zawartości niektórych biologicznie ważnych pierwiastków, np. potasu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

41. Autoradiografia • wykorzystuje zaczernienie emulsji fotograficznej pod wpływem promieniowania emitowanego przez pierwiastki promieniotwórcze • wykrywanie izotopów promieniotwórczych w cienkich warstwach tkanek • pozwala to na lokalizację izotopu w tkance lub komórce • umożliwia wyznaczenie ilości izotopu w próbce Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

42. Metody klirensowe • metoda klirensowa - szybkie, dynamiczne badania izotopowe • umożliwia pomiar ważnych procesów fizjologicznyc głównie przepływ krwi i ukrwienia narządów • przepływ mózgowy • przepływ sercowy • badania klirensowe za pomocą kamery scyntylacyjnej o dużym polu widzenia współpracującej z komputerem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

43. Żródła promieniowania • Źródła izotopowe - najczęściej urządzenia typu „Gammacell” • mała pojemność komór radiacyjnych • duża przestrzeń pola napromieniania • promieniowanie  z promieniotwórczego izotopu 60Co • stosunkowo długi czas zaniku (T1/2 = 5,27 lat) • wysoka energia kwantów g (średnio 1,25 MeV) • promieniowania g z promieniotwórczego izotopu 137Cs • długi czasie zaniku (T1/2 = 30 lat) • mniejsza energia kwantów g (0,661 MeV) • aktywności stosowane w źródłach izotopowych sięgają setek terabekereli (TBq). Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

44. Gammacel (Aparat ALSYON) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

45. źródło reaktor Żródła promieniowania • Reaktor jądrowy jako źródło promieniowania  • prawdopodobieństwo aktywacji napromieniowanego materiału neutronami z reaktora • Stosuje się pętle radiacyjne • źródłem promieniowania g jest radioizotop aktywowany w reaktorze • po aktywacji kierowany do pomieszczenia napromieniowania • po napromieniowaniu wraca do reaktora poczta pneumatyczna Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

46. Żródła promieniowania • przyspieszacze liniowe wielkiej częstości • zaleta - możliwość pracy ciągłej bądź impulsowej - zmiany energii i natężenia strumienia cząstek • zakres energii elektronów od 4 MeV do 50 MeV • do wytwarzania promieniowania X stosuje się przyspieszacze niskoenergetyczne (od 4 MeV do 6 MeV) • przyspieszacze o większym zakresie energii - można wprowadzić zarówno wiązkę promieniowania X jak i wiązkę elektronów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

47. Przyspieszacz liniowy VARIAN Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

48. Przestrzenny rozkład promieniowania • Wiązka promieniowania (X, , elektrony) w urządzeniach terapeutycznych jest rozciągła • do jej ograniczenia stosuje się układy kolimatorów • pole wiązki • przekrój wiązki prostopadły do osi wiązki • określa dwuwymiarowe parametry wiązki • ma zwykle kształt prostokątny o wymiarach zależnych od odległości od źródła promieniowania • napromieniowany obiekt jest trójwymiarowy • konieczna znajomość przestrzennego rozkładu dawki w wiązce Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

49. Pomiar dawki • bezpośredni pomiar dawki w miejscu napromieniowania nie jest możliwy • wszelkie pomiary wykonuje się na fantomie • trzeba uwzględnić szereg dodatkowych zjawisk • rozproszenie promieniowania wynikające z istnienia kolimacji • rozproszenie na granicy powietrze ciało • niejednorodność napromieniowywanego ciała • stosowane określenia uwzględniają parametry fizyczne (rozciągłość źródła promieniowania, rozproszenie, możliwości pomiaru,...) oraz złożony proces oddziaływania promieniowania z materią biologiczną Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

50. Rozproszenie wsteczne • współczynnik rozproszenia wstecznego WRW (BSF- back scatter factor) promieniowania X lub promieniowania g - stosunek mocy dawki dla określonego pola promieniowania zmierzonej na powierzchni fantomu i mocy dawki zmierzonej w tym samym miejscu w powietrzu po usunięciu fantomu • dla promieniowania  ze źródła 60Co pomiar mocy dawki wykonuje się standardowo na głębokości 0,5 cm • WRW zależy zarówno od energii kwantów jak i od wielkości powierzchni pola promieniowania, która maleje w miarę wzrostu energii kwantów g Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny