III. PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI ŹRÓDEŁ PROMIENIOTWÓRCZYCH. ELEMENTY DOZYMETRII

Transkrypt

1 III. PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI ŹRÓDEŁ PROMIENIOTWÓRCZYCH. ELEMENTY DOZYMETRII 3. Aktywność Pracując ze źródłami promieniotwórczymi musimy ustalić sposób ich opisu. Dotyczy on izotopu lub izotopów, które zawiera źródło promieniowania, aktywności źródła, okresu połowicznego zaniku i rodzaju promieniowania wysyłanego przez źródło. Dane te są niezbędne do oceny skutków działania promieniowania na organizmy, w tym przede wszystkim na człowieka. Zdefiniujemy niżej te pojęcia, gdyż bez ich znajomości trudno się poruszać w świecie promieniotwórczości i medycyny nuklearnej w szczególności. Aktywność źródła Aktywność, zdefiniowana już w poprzednim rozdziale, jest liczbą rozpadów promieniotwórczych w źródle, zachodzących w jednostce czasu. Jednostką aktywności jest bekerel (od Henri Becquerela odkrywcy promieniotwórczości naturalnej): Bq = rozpad/s Jednostka historyczna kiur jest w przybliżeniu aktywnością g radu-6: Ci = 3,700 0 Bq = 37 GBq Aktywność właściwa Jest to aktywność jednostki masy, objętości lub powierzchni emitujących promieniowanie. Ci jest w przybliżeniu aktywnością właściwą radu (ściśle wynosi ona 36,6 GBq/g)

2 3. Zanik promieniotwórczy Jeśli w chwili początkowej t = 0 liczba jąder promieniotwórczych wynosiła N 0, to po czasie t wynosi ona: N = N 0 e -t, (3.) gdzie jest stałą rozpadu, związaną z okresem połowicznego zaniku (T / ) relacją: ln (3.) T Z definicji aktywności wynika, że A dn dt t A 0 e (3.3) W ciele człowieka każda substancja ma charakterystyczny, biologiczny okres połówkowy związany z wydalaniem. Jeśli więc w chwili zero podamy człowiekowi specyfik w ilości M 0, po czasie t będzie go M Biot M 0 e (3.4) Zdarza się także, że wydalanie substancji zachodzi wg bardziej złożonej formuły: M M () ( ) biot bio 0 Ae Ae... (3.5) W medycynie nuklearnej interesuje nas zarówno tempo zaniku aktywności substancji promieniotwórczej, jak i tempo jej wydalania. Istotnym parametrem staje się wtedy efektywna stała zaniku: eff = + Bio (3.6)

3 Odpowiedni efektywny okres (czas) połowicznego zaniku: (3.7) T ( eff ) T T ( Bio) Przy bardziej złożonych zależnościach opisujących wydalanie substancji otrzymamy także bardziej złożone zależności na czasy efektywne, z reguły różne dla różnych narządów lub zespołów biologicznych. Przykład : Biologiczny czas połowicznego zaniku jodu w tarczycy wynosi 64 dni. Czas połowicznego zaniku izotopu 3 I wynosi 8 dni. Efektywny czas połówkowy wynosi więc ok. 7, dnia. W wypadku 3 I okresy połowicznych zaników wynoszą T / = 3 godz., T / (Bio) = 6 godz, a zatem T / (eff)=8,7 godz. Przykład : 33 Xe używany jest w badaniach płuc, gdzie jego biologiczny czas połówkowy wynosi 0,35 min. Dla rozpadu promieniotwórczego czas ten wynosi 5,3 dnia. Tu efektywny czas połówkowy równy jest, z dobrym przybliżeniem, biologicznemu czasowi zaniku. Przykład 3: metastabilny technet w 99m Tc-koloid siarkowy (radiofarmaceutyk) ma w zasadzie nieskończony czas przebywania w wątrobie, tak więc efektywny okres połowicznego zaniku równy jest 6 godz. okresowi połowicznego zaniku 99m Tc. Natomiast w radiofarmaceutyku 99m Tc-MDP, T / (Bio) = 4 godz., tak więc T / (eff) = godz. W tabeli 3. podajemy przybliżone czasy biologicznego zaniku dla niektórych izotopów oraz istotne dane dla tych izotopów. 3

4 Tabela 3. Orientacyjne wartości czasu biologicznego dla niektórych izotopów promieniotwórczych Izotop A X Zawartość [g] pierwiastka X w ciele umownego człowieka Codzienne wchłanianie pierwiastka X [g] 3 H głównie z wodą 4 C K 40 3,3 89 Sr ~ 0 3 Źródło izotopu A X oddziaływanie promieniowania kosmicznego, wybuchy, awarie nuklearne oddziaływanie promieniowania kosmicznego, wybuchy, awarie nuklearne naturalny składnik skorupy ziemskiej Polska ~3 % gleby Czas jądrowy T N Czas biologiczny T B,3 lat 4-8 dni średnio ~0 dni 5730 lat 40 dni,8 0 9 lat 30 dni trawa mleko rozszczepienie 50,5 dni osadza się 90 Sr 0,3 człowiek U, Pu 8,8 lat w kościach 3 I, 0 3 w tarczycy, Cs, Po ~ 0 3 Rn 0 4 trawa mleko człowiek,5 0 5 Eskimosi: zawiesina w powietrzu porosty reny mięsoczłowiek zawiesina w powietrzu porosty renymięso, również ryby, skorupiaki, dym papierosowy w Polsce powietrze : 30 Bq/m 3 budynki: do 00 Bq/m 3 rozszczepienie U, Pu rozszczepienie U, Pu naturalny izotop z szeregu 38 U; naturalny izotop z szeregu 38 U 8,04 dni 30, lat dni, ale tarczyca 0 dni dorośli 4050 dni dzieci ~44 dni 38,4 dni ~50 dni 3,8 dnia aktywne produkty rozpadu, mogą kumulować się w tkankach (np. w płucach) 4

5 6 Ra 3 0 ~ 0 z szeregu 38 U naturalny izotop 600 lat osadza się w kościach 35 U 38 U ~ Pu?? 39 Pu?? izotop naturalny, 0,7 % uranu paliwo nuklearne, wybuchy izotop naturalny, paliwo nuklearne, wybuchy izotop produkowany w reaktorach, wybuchy, awarie nuklearne izotop produkowany w reaktorach, paliwo nuklearne, wybuchy, awarie nuklearne 0,7 0 9 lat nerki ~ 6 dni, kości 0 dni 4,5 0 9 lat 87,7 lat kości ~ 00 lat wątroba ~ 40 lat,4 0 5 lat 3.3 Dawka Dawka ekspozycyjna, to ładunek jonów wytworzonych przez fotony w jednostce masy napromienionej substancji: dq X (3.8) dm Jednostką dawki ekspozycyjnej jest C/kg. Jednostką historyczną dawki ekspozycyjnej jest rentgen ( R), czyli dawka od fotonów, wytwarzająca w cm 3 powietrza w warunkach normalnych (0,0093 g) jednostkę elektrostatyczną jonów każdego znaku. R =,580-4 C/kg powietrza Średnia dawka pochłonięta D, to energia promieniowania zdeponowana w jednostce masy napromienionej substancji: E D (3.9) m 5

6 Jednostką dawki pochłoniętej jest grej: Gy = J/kg (3.0) Jednostką historyczną tej dawki jest rad: rad=00 erg/g = 0,0 Gy (3.) R jest równoważny 0,00876 Gy Ściślejsza definicja wiedzie nas do dawki pochłoniętej jako: (3.) 3.4 KERMA (Kinetic Energy Released in Unit Mass) Kerma jest to iloraz sumy początkowych energii kinetycznej cząstek naładowanych, wytworzonych w elemencie materii przez promieniowanie jonizujące pośrednio (a więc np. fotony i neutrony), i masy tego elementu K dekin (3.3) dm Jednostką kermy jest grej (Gy). 3.5 Dawka równoważna (równoważnik dawki) Aby uwzględnić biologiczną skuteczność dawki, wprowadza się pojęcie dawki równoważnej. Z definicji jest to dawka pochłonięta (D) pomnożona przez pewien współczynnik w R biologicznej efektywności promieniowania: H = w R D (3.4) 6

7 Choć współczynnik ten nie jest mianowany, nazwa jednostki zmienia się z greja na siwert (Sv) od nazwiska uczonego szwedzkiego Rolfa Sieverta. Współczynniki w R dla promieniowania różnego rodzaju podaje Tabela 3. Tabela 3. Współczynniki jakości promieniowania dla różnych rodzajów promieniowania Rodzaj i zakres energii w R promieniowania Fotony gamma o dowolnej energii Elektrony i miony o dowolnej energii Neutrony o energiach: < 0 kev 0 00 kev 0, MeV 0 MeV > 0 MeV Protony o energii > MeV 5 (bez protonów odrzutu) Cząstki, ciężkie jony, fragmenty 0 rozszczepienia Pojęcia dawka równoważna i równoważnik dawki stosuje się w zasadzie zamiennie. Puryści jednak odróżniają te dwa pojęcia: jedno mówi o dawce zmierzonej, drugie o obliczonej. 3.6 Dawka skuteczna Radioczułość poszczególnych tkanek i narządów jest różna, w związku z czym wprowadza się także pewien współczynnik w T, który pokazuje względną radioczułość narządów, tj. dawkę równoważną, odpowiadającą napromienieniu całego ciała. Dawkę skuteczną (efektywną) obliczamy wtedy jako E = w T H T, (3.5) 7

8 gdzie H T jest dawką równoważną otrzymaną przez organ (narząd). Z definicji w T = (3.6) Tabela 3.3 podaje wartości współczynników wagowych w T. Tabela 3.3 Współczynniki wagowe w T dla poszczególnych narządów Narząd lub tkanka w T Gruczoły płciowe (gonady) 0,0 Czerwony szpik kostny 0, Jelito grube 0, Płuca 0, Żołądek 0, Pęcherz moczowy 0,05 Gruczoły sutkowe 0,05 Wątroba 0,05 Przełyk 0,05 Tarczyca 0,05 Skóra 0,0 Powierzchnia kości 0,0 Pozostałe 0,05 Całe ciało,00 W roku 007 ICRP zaleciło nieco inne spojrzenie na te współczynniki, patrz Tabela 3.4. Tab. 3.4 Współczynniki w T wg zaleceń ICRP z 007 r. Narząd lub tkanka w T T Szpik (czerwony), jelito grube, płuca, żołądek, pierś, pozostałe tkanki 0, 0,7 Gonady 0,08 0,08 Pęcherz, trzustka, wątroba, tarczyca 0,04 0,6 Powierzchnia kości, mózg, ślinianki, skóra 0,0 0,04 8

9 Przy obliczaniu dawki dostarczonej do konkretnego narządu należy obliczyć dawkę skumulowaną, tj. łączną dawkę dostarczoną do narządu w czasie przebywania izotopu promieniotwórczego w narządzie (całkę po czasie z funkcji A(t)) i pomnożyć ją przez pewien czynnik poprawkowy, S, który charakteryzuje konkretny radionuklid w konkretnym narządzie. O współczynnikach S będziemy mieli jeszcze okazję mówić dalej. Jeśli efektywny okres połowicznego zaniku wynosi T / (eff), to taka skumulowana aktywność równa jest A s.44 T A, (3.7) ( eff ) / 0 gdzie A 0 jest aktywnością początkową. 3.7 Moc dawki Z punktu widzenia działania promieniowania na organizmy nie tylko ważna jest znajomość dawki. Istotną rzeczą jest także wiedza o czasie, w którym dawka była deponowana w organizmie. Dlatego też w ochronie radiologicznej i medycynie ważną wielkością jest tzw. moc dawki, tj. dawka pochłoniętą w jednostce czasu: dd D (3.8) dt Jednostkami mocy dawki mogą być: Gy/rok, mgy/h itp. W odległości r od źródła punktowego gamma o aktywności A na powierzchnię S pada w ciągu jednej sekundy AS/4r fotonów. W warstwie o grubości dr, a zatem w objętości Sdr, pochłaniana energia wynosi S (AS/4r )E dr, (3.9) g r dr 9

10 gdzie jest liniowym współczynnikiem absorpcji, a E - energią fotonów. Moc dawki (liczona w Gy/s) wynosi więc (AS/4r )E dr/sdr(a/4r )E () (3.0) Moc dawki jest więc proporcjonalna do masowego współczynnika absorpcji (). Po odrobinie przekształceń algebraicznych otrzymamy: D [ Gy / h] 4,589 0 A[ kbq] ( r[ m]) cm [ MeV ] g 9 E (3.) 3.7. Moce dawek od jednorodnych źródeł wewnętrznych Jak mówiliśmy, w medycynie nuklearnej wprowadzamy preparaty promieniotwórcze (radiofarmaceutyki) do wnętrza organizmu i w związku z tym narządy, w których się one znajdą będą stanowiły źródła promieniowania dla innych organów, nie wspominając o tym, że same będą narażone na działanie promieniowania i należy zatem umieć obliczyć dawki na te narządy. Jest rzeczą oczywistą, że istotną rolę będzie tu odgrywał rodzaj emitera promieniowania i dlatego też należy rozpatrywać dawki i moce dawek oddzielnie dla każdego emitera. Do sprawy tej, ściśle w kontekście medycyny nuklearnej, wrócimy ponadto w rozdziale V. Emiter Dla emitera o stężeniu aktywności a m na jednostkę masy moc dawki wynosi D a (3.) E m Gy 4 kbq 5,767 0 a E [ MeV ] h g (3.3) D m Emiter 0

11 D a (3.4) me Gy 4 kbq 5,767 0 a E [ MeV ] h g (3.5) D m Emiter Jeśli promieniotwórczy izotop jest równomiernie rozmieszczony w kuli o promieniu R znacznie mniejszym niż średnia droga swobodna (ok.5 cm w tkance miękkiej dla fotonów o energii MeV): D a a E R (3.6) gdzie a v aktywność jednostki objętości kuli. Gy D 5,767 0 h kbq cm a cm [ MeV ] g R[ cm] 4 a E (3.7) 3 W odległości r od środka kuli: D r) L( r) D (0) (3.8) ( gdzie gdzie s L( r) 0,5 4s s ln s (3.9) s=r/r (3.30) Średnia moc dawki w kuli wynosi

12 0.75D (0) (3.3) 3.8 Ilość materiału promieniotwórczego Wprowadzona wcześniej aktywność A dn dt t N e 0 N mówi o liczbie rozpadów zachodzących w jednostce czasu w danej próbce. Nie jest ona tożsama z ilością materiału promieniotwórczego w próbce, tj. liczbą N jąder promieniotwórczych w próbce. W przybliżeniu, N( t).44a( t) T (3.3) Tak więc, przy odpowiednio krótszym okresie połowicznego zaniku, mała ilość materiału promieniotwórczego może mieć taką samą aktywność, jak duża Aktywność skumulowana Łatwo zauważyć, że N(0) pokrywa się z aktywnością skumulowaną A s, patrz (3.7), jeśli do wzoru (3.3) podstawi się efektywny okres połowicznego zaniku. Przez aktywność skumulowaną rozumiemy zatem początkową ilość materiału promieniotwórczego N.44AT (3.33) 0 Jakość obrazów uzyskiwanych w medycynie nuklearnej zależy od aktywności, natomiast dawka obciążająca pacjenta zależy właśnie od ilości materiału promieniotwórczego. Tak więc: stosunek jakości obrazu do dawki jest odwrotnie proporcjonalny do okresu połowicznego rozpadu. Wniosek: Dla danej ilości materiału radionuklid o krótkim okresie rozpadu daje większą aktywność i będzie zatem preferowany w medycynie nuklearnej.

13 3.9 Równowaga promieniotwórcza Jaka jest relacja pomiędzy aktywnością, ilością materiału promieniotwórczego i czasem w trakcie tworzenia materiału promieniotwórczego? Pytanie takie jest w pełni zasadne, gdyż materiał promieniotwórczy tworzy się, ale w tym samym czasie także się rozpada. W miarę upływu czasu aktywność rośnie, ale też tempo ubywania materiału rośnie. Po pewnym czasie następuje równowaga: tyle samo materiału przybywa ile ubywa. dn dt gdzie Q(t) oznacza tempo produkcji izotopu. Stąd N Q(t), (3.34) N( t) N t t ' 0 e dt Q( t' ) 0 e ( tt ') (3.35) Jeśli Q=Q 0 =const: N Q t N e t 0 ( ) e t 0 (3.36) Gdy tworzącym się materiałem promieniotwórczym są jądra pochodne (w języku angielski są one nazywane daughter nuclei) wyjściowego materiału promieniotwórczego, zależność aktywności od czasu będzie funkcją obu okresów połowicznego zaniku: jąder macierzystych i pochodnych. Np. połowicznego zaniku 9, lat) do 90 Y 90 38Sr rozpada się (okres 90 39, ten zaś do stabilnego 40 Zn z półokresem 64 h. Równania określające całość procesu będą następujące: 3

14 dn dt dn dt dn dt 3 N ( t) N ( t) N N ( t) ( t) (3.37) gdzie N oznacza liczbę jąder strontu, N itru, a N 3 cynku. A zatem: N ( t) N 3 N ( t) N N ( t) N (0) e 3 (0) e t t (0) N N (0) e (0) t e t N (0) t t t e ( e ) ( e ) (3.38) Jeśli jądro pochodne rozpada się szybciej niż macierzyste, to asymptotyczna aktywność (zakładamy A (0) = 0) wyniesie A t ( t) A (0) e (3.39) Zatem: aktywność jądra pochodnego dyktowana jest przez tempo rozpadu jądra macierzystego. Tę sytuację nazywamy równowagą przejściową (transient equilibrium). Ze wzoru (3.39) wynika, że w wypadku, gdy jądro macierzyste rozpada się w całości do jednego jądra pochodnego, aktywność jądra pochodnego będzie zawsze większa od aktywności jądra macierzystego, natomiast tempo zaniku (oczywiście po pewnym wstępnym okresie formowania się jąder pochodnych) będzie takie samo jak jądra macierzystego. Przykładem tego rodzaju procesu jest tworzenie się aktywności 99m Tc ( = 0.6) z rozpadu 99 Mo ( = 0.00). W tym przykładzie należy pamiętać, że obliczaną na podstawie wzoru (3.38) aktywność trzeba 4

15 zmniejszyć o 4%, gdyż jedynie tylko 86% 99 Mo rozpada się do 99m Tc. Tak więc aktywność technetu będzie zawsze nieco niższa od aktywności molibdenu. W granicznym przypadku << aktywność materiału pochodnego zbliża się do aktywności materiału macierzystego. Mówimy wtedy o równowadze wiekowej (secular equilibrium). Jeśli jądro pochodne rozpada się wolniej, w granicy długich czasów i przy założeniu, że A (0) = 0,, (3.40) t A ( t) A (0) e tj. materiał pochodny rozpada się zgodnie ze swym charakterystycznym tempem. Przykład: Jaki jest potrzebny czas, aby w źródle z początkowo czystego 90 Sr otrzymać 90 Y o aktywności wynoszącej 5% aktywności jąder strontu? Dane: T / ( 90 Sr)=9, lat; T / ( 90 Y)=64 h; A (0)=0 Poszukujemy czasu, po którym [A (t)-a (t)]/a (t)=0,05. A ( t) A ( t) ( ) t A ( t) e, (3.4) skąd ln 0.05 t, 5 dnia (3.4) Obecnie najbardziej rozpowszechnionym źródłem metastabilnego technetu ( 99m Tc; T / =6,0 h), izotopu szczególnie silnie eksploatowanego w medycynie nuklearnej, jest generator 99 Mo (T / =65,5 h). Rozpad molibdenu do metastabilnego technetu omawialiśmy już, patrz rys..9. Molibden znajduje się w kolumnie chromatograficznej wykonanej z tlenku aluminium, przez którą przepuszcza się roztwór soli fizjologicznej 5

16 wypłukujący technet. W żargonie laboratoryjnym metastabilny wypłukiwany technet nazywamy mlekiem, a molibden krową. Terminy te staną się jaśniejsze później, gdy omówimy zasadę działania generatorów izotopów promieniotwórczych. 6