Wielkości i jednostki radiologiczne. Dariusz Kluszczyński

Transkrypt

1 Wielkości i jednostki radiologiczne Dariusz Kluszczyński

2 Promieniowanie jonizujące definicja promieniowanie składające się z cząstek bezpośrednio lub pośrednio jonizujących albo z obu rodzajów tych cząstek lub fal elektromagnetycznych o długości mniejszej niż 100 nm 2

3 W ochronie radiologicznej ma zastosowanie Szereg różnych wielkości i jednostek. Część z nich może być mierzona bezpośrednio, pozostała część może być tylko szacowana. 3

4 Wielkości stosowane w ochronie przed promieniowaniem jonizującym obliczane; wykorzystywane Q(L), fantomy kuliste lub prostopadłościenne; weryfikowane pomiarami i obliczeniami wielkości fizyczne strumień, F kerma, K dawka pochłonięta, D obliczane; wykorzystywane w R, w T oraz fantomy antropomorficzne wielkości operacyjne przestrzenny równoważnik dawki, H * (d) kierunkowy równoważnik dawki, H (d,ω) indywidualny równoważnik dawki, H p (d) porównywane na podstawie pomiarów i obliczeń (w R, w T, antropomorficzne fantomy) wielkości OR dawka pochłonięta w tkance/narządzie, D T dawka równoważna, H T dawka skuteczna, E dawka gruczołowa, GD kalibracja i obliczenia wielkości monitorowane; odpowiedzi przyrządów tablice wielkości monitorowane, radiologia: iloczyn dawka-powierzchnia, DAP iloczyn dawka-długość, DLP indeks tomograficzny, CTDI powierzchniowa dawka wejściowa, D ent dawka wejściowa na skórę, ESD 4 4/33

5 Aktywność, A liczba rozpadów w jednostce czasu 1Bq=1 rozpad/s kbq=10 3 Bq MBq=10 6 Bq 1 Kiur=3, Bq (aktywność 1 g Ra-226) 1 Kiur = rozpadów na sekundę 5

6 Okres połowicznego zaniku jest to czas po upływie którego połowa niestabilnych jąder w pewnej ilości materiału ulegnie rozpadowi. Okres połowicznego rozpadu jest charakterystyczny i niezmienny dla każdego nuklidu promieniotwórczego. A aktywność A/2 A A/2 A/4 A/8 A/16 A/32 A/4 A/8 A/16 A/32 A= A 0 e λt 1T 2T 3T 4T 5T czas 6

7 Nazwa Symbol Wartość Liczebnik yocto y kwadrylionowa zapto z tryliardowa atto a trylionowa femto f biliardowa piko p bilionowa nano n 10-9 miliardowa mikro µ 10-6 milionowa mili m 10-3 tysięczna centy c 10-2 setna decy d 10-1 dziesiąta 1 jeden deka da 10 1 deka hekto ha 10 2 hekto kilo k 10 3 kilo mega M 10 6 mega giga G 10 9 giga tera T tera peta P peta eksa E eksa zatta Z zatta yotta Y yotta 7

8 Ekspozycja: X Ekspozycja jest wielkością dozymetryczną stosowaną tylko dla promieniowania elektromagnetycznego, a więc X i gamma i wywołującego zjawisko jonizacji w powietrzu. W wyniku oddziaływania promieniowania X z atomami powietrza powstają jony dodatnie i ujemne, a więc tworzony jest ładunek elektryczny, którego wartość możliwa jest do zmierzenia. 8

9 Ekspozycja, X, jest wartością całkowitego ładunku wszystkich jonów jednego znaku, dq, powstałych w jednostce masy powietrza, dm X = dq dm 9

10 Jednostką ekspozycji w układzie SI jest Coulomb przez kilogram [ X ]= C kg Poprzednio stosowaną jednostką ekspozycji był Roentgen [R] 1R=2, C kg 1 C kg =3876 R 10

11 Jednostki mocy ekspozycji: X t Jednostką mocy ekspozycji jest więc: [ C ] kg = C s kg s lub w starych jednostkach: R s 11

12 Pamiętaj! Zawsze: moc dawki to dawka na jednostkę czasu! 12

13 Przed oddziaływaniem z pacjentem (wiązka pierwotna) lub z personelem (promieniowanie rozproszone), promieniowanie rentgenowskie oddziaływuje z powietrzem. Pojęcie Ekspozycja określa zdolność promieniowania rtg. do produkowania pewnego efektu w powietrzu. Efekt w tkance jest w zasadzie proporcjonalny do tego w powietrzu. 13

14 Dawka pochłonięta D Dawka pochłonięta, D, określa ilość pochłoniętej energii, de, w jednostce masy, dm D= de dm wartość uśredniona! [D ]=Grej [Gy ]= J kg 1Gy=100 rad 14

15 Średnia dawka pochłonięta w tkance lub narządzie,d T jest ilorazem energii pochłoniętej w tym narządzie do jego masy. 15

16 KERMA (kinetic energy released in a material) K = de trans dm gdzie: de trans jest sumą początkowej energii kinetycznej wszystkich naładowanych cząstek powstałych w materiale o masie dm i wywołanych przez promieniowanie. Jednostką Kermy jest Dżul na kilogram [J/kg], albo Grej. W radiologii Kerma, K, jest równa dawce pochłoniętej, D 16

17 Zależność pomiędzy dawką pochłoniętą a ekspozycją D [Gy ]= f X [ C kg ] gdzie: f współczynnik przeliczeniowy zależny od ośrodka, w którym promieniowanie jest pochłaniane 17

18 Wartości współczynnika f f ([Gy] / Ckg -1 ]) energia woda kości mięśnie 10 kev 0,91 3,5 0, kev 0,95 1,5 0,95 18

19 Ciekawe: aby ogrzać wodę o 1 C trzeba dostarczyć do tej wody dawkę: 4,2 kgy (4200 Gy) <<J/kg>> 19

20 Wartości dawki pochłoniętej w tkankach różnią się o kilka procent w zależności od składu tkanki. Dawka w tkance miękkiej = 1,06 x Dawka w powietrzu (dla 80 kv i 2,5 mm Al) 20

21 Wielkości stosowane w ochronie radiologicznej uwzględniają: jakość promieniowania, wrażliwość poszczególnych narządów i tkanek. Wielkości stosowane w ochronie radiologicznej pozwalają na sumowanie potencjalnych skutków napromienienia wynikających z różnych rodzajów ekspozycji. 21

22 Dawka równoważna: H T Dawka równoważna H T jest to iloczyn dawki pochłoniętej przez tzw. czynnik wagowy zależny od zdolności danego rodzaju promieniowania do wywoływania efektów biologicznych (czynnik jakości promieniowania). H T = R D T,R w R Jednostką dawki równoważnej jest siwert (Sv) 1Sv = J/kg 1Sv = 100 rem 22

23 LET liniowa utrata energii dla naładowanych cząstek, L: L = de/dl gdzie: de jest średnią utratą energii przez cząstkę z powodu zderzeń z elektronami na drodze dl 23

24 24

25 rodzaj promieniowania zakres energii czynnik wagowy w R fotony, elektrony, miony wszystkie energie 1 neutrony protony neutrony neutrony cząstki alfa, fragmenty rozszczepienia, ciężkie jony <10 kev, >20 MeV >2 MeV kev, >2-20 MeV >0,1-2 MeV wszystkie energie

26 nazwa oznaczenie zasięg w powietrzu typowe energie alfa α < 10 cm do ~ 10 MeV beta β < 60 m do ~ 20 MeV gamma γ d ½ < 300 m do ~ 8 MeV X X d ½ < 60 m do ~ 0,4 MeV neutronowe n nieograniczony do ~ 20 MeV 26

27 Dawka skuteczna: E E= T w T H T gdzie: E-dawka skuteczna, w T -czynnik wagowy określający prawdopodobieństwo występowania stochastycznych efektów popromiennych przy napromienieniu danej tkanki lub narządu do prawdopodobieństwa tych efektów przy napromienieniu równomiernym całego ciała (czynnik wrażliwości narządu). 27

28 Wartości czynników wrażliwości narządów opierają się: na epidemiologicznych badaniach zapadalności i umie ralności z powodu nowotworów po napromieniowaniu, danych z zakresu genetyki. Wartości uśrednione dla obu płci i dla całego zakresu wieku populacji ludzkiej. 28

29 Współczynniki wagowe tkanek narząd ICRP26 ICRP60 ICRP103 gonady 0,25 0,20 0,08 szpik kostny 0,12 0,12 0,12 płuca 0,12 0,12 0,12 pierś 0,15 0,05 0,12 tarczyca 0,03 0,05 0,04 powierzchnia kości 0,03 0,01 0,01 RESZTA 0,30 0,05 0,12 okrężnica - 0,12 0,12 żołądek - 0,12 0,12 pęcherz moczowy - 0,05 0,04 wątroba - 0,05 0,04 przełyk - 0,05 0,04 RESZTA ICRP60: nadnercza, mózg, jelito grube górne, jelito cienkie, nerka, mięsień, trzustka, śledziona, grasica i macica ICRP103: nadnercza, pęcherzyk żółciowy, ściana serca, nerka, węzły chłonne, mięsień, śluzówka j. ustnej, trzustka, prostata, jelito cienkie, śledziona, grasica, macica/szyjka macicy skóra - 0,01 0,01 ślinianka - - 0,01 mózg - - 0,01 29

30 wielkości operacyjne: ocena dawki efektywnej: przestrzenny równoważnik dawki H * (10), osobniczy równoważnik dawki H p (10), ocena dawki równoważnej: kierunkowy równoważnik dawki np. H'(0,07), osobniczy równoważnik dawki np. H p (0,07). 30

31 Narażenie wewnętrzne dawka obciążająca obliczana jest w okresie: 50 lat dla narażenia zawodowego, 70 lat dla narażenia środowiskowego. dawka obciążająca zaliczana jest do dawki rocznej w kalendarzowym roku, w którym nastąpiło wchłonięcie aktywności 31

32 Dawka kolektywna: dawka x liczba eksponowanych osób 32

33 ZALEŻNOŚCI ekspozycja, X dawka pochłonięta, D dawka pochłonięta w tkance (wodzie), D T równoważnik dawki, H T powietrze tkanka (woda) 1 R 8,7 mgy (0,87 rd) 10 mgy (1 rd) 10 msv (1 rem) aby wygenerować ładunek 1R (2, Ckg -1 ) należy dostarczyć energię 8,7 mjkg - 1 (8,7 mgy) przejście od energii pochłoniętej w powietrzu do energii pochłoniętej w wodzie (czynnik 1,13) nb. obecnie czynnik 1,06 promieniowanie fotonowe, współczynnik jakości w R = 1 33

34 Powierzchniowa dawka wejściowa (ESD) Dawka pochłonięta mierzona na powierzchni pacjenta lub fantomu uwzględniająca promieniowanie rozproszone, które nie jest uwzględniane przy pomiarach w powietrzu. Z tego powodu, muszą być uwzględnione odpowiednie czynniki korekcyjne. Jeżeli pomiar jest wykonywany w innym miejscu niż na powierzchni ciała, to dawka musi być skorygowana (proporcjonalnie do odwrotności kwadratu odległości). 34

35 promieniowanie rozproszone (woda), czynnik korygujący HVL rozmiar materiału (cm x cm) mm Al 10 x x x x x 30 2,0 1,26 1,28 1,29 1,30 1,30 2,5 1,28 1,31 1,32 1,33 1,34 3,0 1,30 1,33 1,35 1,36 1,37 4,0 1,32 1,37 1,39 1,40 1,41 35

36 Iloczyn dawka - powierzchnia (DAP) Wielkość DAP jest definiowana jako dawka w powietrzu mierzona na płaszczyźnie pomnożona przez powierzchnię tej płaszczyzny. DAP (cgy cm2) jest stała z odległością ponieważ przekrój wiązki zmieniający się z kwadratem odległości jest niwelowany przez proporcjonalną do odwrotności kwadratu zależność dawki Nie jest uwzględniana absorpcja i rozpraszanie promieniowania w powietrzu 36

37 prawo odwrotności kwadratów 37

38 Od ESD do dawki narządowej i skutecznej Za wyjątkiem inwazyjnych metod, dawki narządowe nie mogą być mierzone Stosuje się matematyczne modele do oszacowania dawek wewnętrznych. Można stosować fizyczne metody podobne do tych stosowanych w radioterapii, ale nie są one precyzyjne Matematyczne metody Monte Carlo Dawki narządowe mogą być stabelaryzowane jako funkcje dawki wejściowej i projekcji Wpływ filtracji, pola powierzchni i orientacji 38

39 Dawka wejściowa na skórę, SD skóra SD = K E B powietrze gdzie: K E - kerma w powietrzu mierzona w osi wiązki promieniowania na powierzchni skóry pacjenta, B czynnik rozpraszania promieniowania przez pacjenta, (μ/ρ) skóra masowy współczynnik pochłaniania dla skóry powietrze względem powietrza. Jednostką SD w układzie SI jest [Gy]. 39

40 Średnia dawka gruczołowa, AGD (mammografia) AGD nie można mierzyć bezpośrednio Wejściowa powierzchniowa kerma w powietrzu (K E ) jest wielkością dozymetryczną najczęściej stosowaną w mammografii AGD = gk E HVL g [Gy/Gy] 0,25 0,15 0,65 0,35 40

41 Dawki lampa rtg ognisko lampy odległość ognisko detektor obrazu d FID odległość ognisko powierzchnia pacjenta d FSD odległość od ogniska lampy d prom. rozproszone pacjent kolimator miernik KAP (K area prod.) - P KA pomiar w odległości d - Y(d) kerma w p.owietrzu K i (bez prom. rozproszonego) powierzchniowa wejściowa kerma w powietrzu K e (zawiera prom. rozproszone) dawka narządowa D T dawka pochłonięta w tkance- D wiązka pierwotna stół detektor obrazu 41

42 Istotne parametry wpływające na dawkę pacjenta Napięcie Prąd Efektywna filtracja moc Kermy Czas ekspozycji Kerma Powierzchnia detektora Iloczyn pow. ekspozycja Powierzchnia diagnostyczna Kerma Zewnętrzne parametry Wejściowa dawka powierzchniowa (ESD) 42

43 Inne wielkości dozymetryczne iloczyn dawka długość; CT, pantomografia indeks tomograficzny W tomografii wielkość DLP służy do wyznaczania dawki skutecznej 43

44 indeks tomograficzny C = 1 50 K z dz a,100 NT 50 jednostka: Gy pomiar w czasie jednej rotacji; N jednoczesnych warstw o nominalnej szerokości T każda; całkowanie wzdłuż linii równoległej do osi obrotu na odcinku 100 mm 44

45 iloczyn dawka - długość P KL = L K z dz jednostka: Gy.m lub: DLP=CTDI VOL L 45

46 Dawka skuteczna E k DLP Region ciała Wiek Współczynnik k (msv (mgy cm) -1 ) 0 lat 1 rok 5 lat 10 lat dorośli Głowa i szyja 0,013 0,0085 0,0057 0,0042 0,0031 Głowa 0,011 0,0067 0,0040 0,0032 0,0021 Szyja 0,017 0,0120 0,011 0,0079 0,0059 Klatka piersiowa 0,039 0,0260 0,018 0,0130 0,0140 Brzuch i miednica 0,049 0,0300 0,020 0,0150 0,0150 Tułów 0,044 0,0280 0,019 0,0140 0,0150 Źródło: Doses from Computed Tomography (CT) Examinations in the UK 2003 Review 46

47 47