Bezpieczeństwo pacjenta i personelu: okiem fizyka. dr Adam Wasilewski

Bezpieczeństwo pacjenta i personelu: okiem fizyka dr Adam Wasilewski Szkoła Fizyki Akceleratorów Medycznych, Świerk 2007

Przegląd zagadnień Promieniowanie uboczne i rozproszone Generowanie neutronów Indukowana radioaktywność Produkcja ozonu 11/10/2007 Adam Wasilewski 2

Promieniowanie uboczne i rozproszone Poza płaszczyzną pacjenta Obszar pola promieniowania Obszar M W płaszczyźnie pacjenta poza obszarem M 11/10/2007 Adam Wasilewski 3

Promieniowanie uboczne i rozproszone Ochrona przed promieniowaniem nieużytecznym w polu promieniowania punkt 29.2 normy PN-EN 60601-2-1 (rys) 29.2.1 Promieniowanie X nieużyteczne podczas napromieniania elektronami Pomiar powinien być wykonany: w fantomie, którego powierzchnia powinna znajdować się w NTD w osi wiązki na głębokości 10cm poza zasięgiem praktycznym elektronów 11/10/2007 Adam Wasilewski 4

Promieniowanie uboczne i rozproszone Obliczenia Fluka 2003.b 11/10/2007 Adam Wasilewski 5

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.2.2 Względna dawka powierzchniowa podczas napromieniania fotonami X Pomiar powinien być wykonany z ustawionym polem promieniowania 30x30cm lub największym dostępnym kwadratowym polem promieniowania mniejszym niż 30x30cm 11/10/2007 Adam Wasilewski 6

Promieniowanie uboczne i rozproszone 11/10/2007 Adam Wasilewski 7

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.3 ochrona w płaszczyźnie pacjenta poza polem promieniowania 29.3.1 promieniowanie uboczne w obszarze M 29.3.1.1 promieniowanie X 11/10/2007 Adam Wasilewski 8

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.3 ochrona w płaszczyźnie pacjenta poza polem promieniowania 29.3.1 promieniowanie uboczne w obszarze M 29.3.1.1 promieniowanie X Jedna para szczęk maksymalnie otwarta, druga całkowicie zamknięta przeciek 2% maksimum dla pola 10x10cm Średnia dawka z 24 punktów 0.75% Dawkę w podanych 24 punktach należy zmierzyć w fantomie na głębokości maksimum dawki detektorem o powierzchni 1cm 2 11/10/2007 Adam Wasilewski 9?

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.3.1.2 promieniowanie elektronowe Śr 1% do 10MeV Max 10% Śr 1.8% od 35 do 50MeV 11/10/2007 Adam Wasilewski 10

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.3.1.2 promieniowanie elektronowe Maksymalna dawka w obszarze między linią 2cm poza obrzeżem geometrycznego pola napromieniania a granicą obszaru M 10% Średnia między linią 4cm poza obrzeżem geometrycznego pola napromieniania a granicą obszaru M 1% dla elektronów do 10MeV, średnia wzrasta do 1.8% dla elektronów od 35 do 50MeV W odległości 2cm od powierzchni zewnętrznej aplikatorów maksymalna dawka pochłonięta 10% 11/10/2007 Adam Wasilewski 11

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.3.2 promieniowanie uboczne poza obszarem M 11/10/2007 Adam Wasilewski 12

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.3.2 promieniowanie uboczne poza obszarem M Dawka maksymalna na kołowej płaszczyźnie o promieniu 2m centrowanej w izocentrum, prostopadłej do osi wiązki poza obszarem M 0.2% maksymalnej dawki pochłoniętej mierzonej dla pola promieniowania 10x10cm Dawka średnia 0.1% 11/10/2007 Adam Wasilewski 13

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.4 ochrona poza płaszczyzną pacjenta Max 0.5% 11/10/2007 Adam Wasilewski 14

Promieniowanie uboczne i rozproszone Punkty normy PN-EN 60601-2-1 dotyczące neutronów 29.2.3 Promieniowanie neutronowe nieużyteczne w polu promieniowania 29.3.3 Promieniowanie uboczne neutronowe poza obszarem M 29.4.2 Neutronowe promieniowanie uboczne poza płaszczyzną pacjenta 11/10/2007 Adam Wasilewski 15

Promieniowanie uboczne i rozproszone Jedynie punkt 29.3.3 normy precyzuje graniczne wielkości dawki generowanej przez neutrony: dawka pochłonięta poza obszarem M w płaszczyźnie pacjenta nie powinna przekroczyć max 0.05% i średnio 0.02% dawki pochłoniętej promieniowani X dla pola 10x10cm w izocentrum Pozostałe punkty dotyczące neutronów nie precyzują granicznych wielkości dawki generowanej przez neutrony 11/10/2007 Adam Wasilewski 16

Promieniowanie uboczne i rozproszone Wszystkie punkty normy dotyczące neutronów podają, że wymagania normy mają zastosowanie tylko wówczas, gdy energia elektronów w dowolnym punkcie przekracza 10MeV Dlaczego dla energii elektronów niższych niż 10MeV nie bada się neutronów a dla wyższych tak? Przechodzimy z omawiania normy do fizyki 11/10/2007 Adam Wasilewski 17

Generowanie neutronów Neutrony generowane są w materiałach głowicy akceleratora pod wpływem promieniowania X (głównie tarcza konwersji, filtr wyrównujący i szczęki) Izotropowo w pełny kąt bryłowy Różnice w wielkości strumienia neutronów wynikają z różnicy materiałów jakie napotkają na swej drodze 11/10/2007 Adam Wasilewski 18

Generowanie neutronów Próg na generowanie neutronów w reakcji fotojądrowej energia wiązania neutronu w jądrze musi być większa od energii fotonu promieniowania X Powyżej progu jest gigantyczny rezonans dipolowy dla którego prawdopodobieństwo produkcji neutronów rośnie gwałtownie 11/10/2007 Adam Wasilewski 19

Generowanie neutronów Próg [MeV] γ,n γ,np γ,2n 54 Fe 5,9% 13,38 20,91 24,06 56 Fe 91,7% 11,20 20,41 20,50 57 Fe 2,1% 7,65 17,83 18,84 58 Fe 0,3% 10,04 20,60 17,69 180 W 0,1% 8,41 14,48 15,35 182 W 26,3% 8,07 14,67 14,75 183 W 14,3% 6,19 13,29 14,26 184 W 30,7% 7,41 14,63 13,60 186 W 28,6% 7,19 15,03 12,95 11/10/2007 Adam Wasilewski 20 [IAEA]

Generowanie neutronów Próg [MeV] γ,n γ,np γ,2n 54 Fe 5,9% 13,38 20,91 24,06 56 Fe 91,7% 11,20 20,41 20,50 57 Fe 2,1% 7,65 17,83 18,84 58 Fe 0,3% 10,04 20,60 17,69 180 W 0,1% 8,41 14,48 15,35 182 W 26,3% 8,07 14,67 14,75 183 W 14,3% 6,19 13,29 14,26 184 W 30,7% 7,41 14,63 13,60 186 W 28,6% 7,19 15,03 12,95 11/10/2007 Adam Wasilewski 21 [IAEA]

Generowanie neutronów ObliczeniaFLUKA 20 11/10/2007 Adam Wasilewski 22

Generowanie neutronów Widmo neutronów generowanych w naturalnym wolframie 11/10/2007 Adam Wasilewski 23

Generowanie neutronów Wiązka pierwotna elektronów 10 14 e/s na 7cm wolframu 10MeV 1.6 10 14 γ/s 2.8 10 8 n/s (w pełny kąt bryłowy) 2m od źródła strumień (~5 10 2 n/cm 2 /Gy) dla detektora NM2B niemierzalne 15MeV 1.7 10 14 γ/s 5.2 10 9 n/s (w pełny kąt bryłowy) 2m od źródła strumień (~10 4 n/cm 2 /Gy) Strumień neutronów generowany dla 15MeV jest 20x większy niż dla 10MeV 11/10/2007 Adam Wasilewski 24

Generowanie neutronów Neutrony o energiach do 5 MeV są biologicznie szczególnie niebezpieczne, gdyż bez problemu wchodzą w ciało, ale nie mają wystarczającej energii aby je opuścić, więc zostawiają całą swoją energię Pomiary dawki związanej z neutronami jest szczególnie trudne przy akceleratorach ze względu na bardzo duże tło fotonowe [We07] 11/10/2007 Adam Wasilewski 25

Generowanie neutronów 0.07±0.02 msv/gy promieniowania X w izocentrum - stosunek dawki neutronowej do fotonowej dla wiązki 15MV w odległości 1m od źródła [Hu06] 4 ±1mSv/Gy - dla wiązki 18MV (Elekta SL20I) w odległości 1m od źródła [On99] 11/10/2007 Adam Wasilewski 26

Promieniotwórczość rczość wzbudzona neutronami Wychwyt neutronów termicznych w materii Jądra atomowe powstałe po wychwycie są promieniotwórcze W materiałach zawierających sód, mangan, krzem lub glin promieniotwórczość wzbudzona może być znaczna Uwaga na złoto 11/10/2007 Adam Wasilewski 27

Promieniotwórczość rczość wzbudzona neutronami 27 Al + n 28 Al (β -, 2.24min) 28 Si 30 Si(3.1%) + n 31 Si (β -, 2.62h) 31 P 28,29 Si (96.9%) nie generują radioaktywności po wychwycie neutronu 55 Mn + n 56 Mn (β -, 2.58h) 56 Fe 23 Na + n 24 Na (β -, 14.96h) 24 Mg 197 Au + n 198 Au (β -, 2.7d) 198 Hg Występujące w naturze monoizotopy Dla fotonów 18MV przy 60 000 MU na tydzień maksymalna oszacowana dawka wynosi 3mSv [We07] 11/10/2007 Adam Wasilewski 28

Promieniotwórczość rczość wzbudzona neutronami 186 W(28.6%)(γ,n,7.2MeV) 185 W(β -,75d) 185 Re 182 W(26.3%)(γ,n,8.1MeV) 181 W(EC,121d) 181 Ta 183 W(14.3%), 184 W(30.7%) nie generują radioaktywności w reakcji (γ,n) 56 Fe(91.7%)(γ,n,11.2MeV) 55 Fe(EC,2.73y) 55 Mn 54 Fe(5.9%)(γ,n,13.4MeV) 53 Fe(EC,8.5min) 53 Mn(EC, 3.7 10 6 y) 53 Cr Większość materiałów konstrukcyjnych to pierwiastki lżejsze od Fe. Występujące naturalnie izotopy mają energie wiązania neutronu większą niż 13-18MeV. 11/10/2007 Adam Wasilewski 29

Promieniotwórczość rczość wzbudzona neutronami Krótki czas połowicznego rozpadu duża dawka emitowana w krótkim czasie Bardzo długi czas życia + duża ilość wyprodukowanego izotopu może oznaczać stałe tło o bardzo małym znaczeniu dla bezpieczeństwa Doświadczenia z badań nad generatorem neutronów w IFJ PAN górna granica produkcji radioaktywności przez neutrony po ~1godz świecenia neutronami bezpiecznie można wejść po kilku minutach od zakończenia napromieniania 11/10/2007 Adam Wasilewski 30

Promieniotwórczość rczość wzbudzona neutronami 11/10/2007 Adam Wasilewski 31

Promieniotwórczość rczość wzbudzona neutronami Czas po którym można wejść do bunkra zależy od: energii wiązki jaka jest intensywność produkcji neutronów materiałów konstrukcyjnych jak pochłaniają wygenerowane neutrony jaki jest czas życia powstałych izotopów promieniotwórczych wymaga indywidualnych pomiarów dla każdego akceleratora i bunkra 11/10/2007 Adam Wasilewski 32

Promieniotwórczość rczość wzbudzona neutronami Punkt 29.4.3 normy PN-EN 60601-2-1 z IV 2005 podaje, że po 4-godzinnej sesji napromieniań 4-ma Gy przy maksymalnej mocy dawki, oddzielonych 10- minutowymi wyłączeniami zebrana przez 5min zaczynając 10s po ostatnim zakończeniu napromieniania dawka od promieniotwórczości wzbudzonej nie może przekroczyć 10µSv w odległości 5cm od obudowy i 1µSv w odległości 1m od obudowy Alternatywnie przez czas nie dłuższy niż 3min równoważnik mocy dawki nie może przekroczyć 200µ Sv/h i 20µSv/h, odpowiednio w oległości 5cm i 1m od obudowy 11/10/2007 Adam Wasilewski 33

Promieniotwórczość rczość wzbudzona neutronami Zalecana wartość graniczna dawki skutecznej powyżej naturalnego tła promieniowania dla całego ciała dla ogółu ludności (z wyłączeniem osób zawodowo narażonych na napromieniowanie, którzy mają odrębne normy w pracy) jest ustalona na 1 msv/rok. Jest to poziom ponad dwukrotnie niższy od naturalnej dawki w Polsce i blisko 500 razy niższy od naturalnych dawek otrzymywanych przez ludność Iranu. Zalecana godzinna wartość graniczna dawki skutecznej dla ogółu ludności wynosi 0,02 msv/h (ze źródeł zewnętrznych, na obszarach ogólnodostępnych). Średnio na mieszkańca Ziemi dawka od promieniowania naturalnego wynosi 2,4 msv/rok. 11/10/2007 Adam Wasilewski 34

Produkcja ozonu Promieniowanie mamy okiełznane, ale to nie wszystko Ozon powstaje w wyniku rozpadu cząsteczek O 2 pod wpływem promieniowania i dalszego łączenia się ich, wg równań Jest gazem trującym dla wszystkich organizmów żywych. O 2 ħ v 2Ȯ O 2 Ȯ O 3 11/10/2007 Adam Wasilewski 35

Produkcja ozonu Norma 1-godzinna 180 µg/m 3 (zalecana przez WHO) Norma 8-godzinna 110 µg/m 3 (norma krajowa dotycząca ozonu dla obszarów niechronionych, dotyczy ona średniej określonej na postawie ośmiu godzinnych wartości stężenia pomiędzy godzinami 10:00 i 18:00) Dla porównania norma 8-godzinna dla CO: 10 000 µg/m 3 11/10/2007 Adam Wasilewski 36

Produkcja ozonu Rozwiązanie problemu ozonu wentylacja bunkra Akcelerator 10MeV ~8 wymian powietrza na godzinę, akcelerator o energii co najmniej 15MeV ~10 wymian/godzinę lub więcej 11/10/2007 Adam Wasilewski 37

LITERATURA [IAEA] Chadwick MB, Oblozinsky P, Blokhin AI, Fukahori T, Han Y, Lee YO, Martins MN, Mughabghab SF, Varlamov VV, Yu B, Zhang J (2000) Handbook on photonuclear data for applications. Cross sections and spectra. IAEA-TECDOC- Draft No 3, March 2000 http://www.fluka.org [Hu06] W.L. Huang, Q.F. Li, Y.Z. Lin, Q. Su, Y.S. Luo, Measurements of photoneutrons produced by a 15 MeV electron linac for radiography applications NIM B251(2006)361 [On99] C. Ongaro, J. Rodenas, A. Leon, J. Perez, A. Zanini, K. Burn, MONTE CARLO SIMULATION AND EXPERIMENTAL EVALUATION OF PHOTONEUTRON SPECTRA PRODUCED IN MEDICAL LINEAR ACCELERATORS Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999 [We07] James S. Welsh, Thomas Rockwell Mackie, Jeffrey P. Limmer, High-energy Photons in IMRT: Uncertainties and Risks for Questionable Gain Technology in Cancer Research and Treatment, Volume 6, Number 2, April (2007) p.147 11/10/2007 Adam Wasilewski 38

KONIEC 11/10/2007 Adam Wasilewski 39

Jednostki 1Bq = 1/s 1Ci = 37 GBq Dawka ekspozycyjna [C/kg, R] 2,58 10-4 C/kg = 1R Dawka pochłonięta D [Gy] 1Gy = 1J/kg = 100rad Równoważnik dawki H T [Sv] 1Sv = 1 J/kg w R oznacza współczynnik wagowy promieniowania R Wartości w R dla rodzajów promieniowania i zakresów energii zalecana przez ICRP 60 (International Commission on Radiological Protection publication 60) H T = wrdt, R R Fotony (promieniowanie X, promieniowanie γ ) wszystkie energie 1 Elektrony (promieniowanie β) i miony wszystkie energie 1 Neutrony, energie < 10 kev 5 Neutrony, energie > 10 kev do 100 kev 10 Neutrony, energie > 100 kev do 2 MeV 20 Neutrony, energie > 2 MeV do 20 MeV 10 Neutrony, energie > 20 MeV 5 Protony, X z wyłączeniem protonów odrzutu, energie > 2 MeV 5 Cząstki alfa, fragmenty rozszczepienia, ciężkie jądra (jony) 20 11/10/2007 Adam Wasilewski 40

Jednostki Dawka skuteczna, dawka efektywna E H [Sv] 1Sv = 1 J/kg w R oznacza współczynnik wagowy promieniowania i E H = T w T H T Wartości współczynnika wagowego w T dla tkanek człowieka zalecana przez ICRP 60 Gonady 0,2 Czerwony szpik kostny, jelito grube, płuca, żołądek 0,12 Pęcherz moczowy, gruczoły piersiowe, wątroba, przełyk, tarczyca 0,05 Skóra, powierzchnia kości 0,01 Pozostałe 0,05 11/10/2007 Adam Wasilewski 41

Promieniowanie uboczne i rozproszone 29.3 ochrona w płaszczyźnie pacjenta poza polem promieniowania 29.3.1 promieniowanie uboczne w obszarze M 29.3.1.1 promieniowanie X Jedna para szczęk maksymalnie otwarta, druga całkowicie zamknięta, szczelina dosłonięta podwójną warstwą 10-krotnego osłabiania promieniowania X maksymalny przeciek 2% maksimum dla pola 10x10cm. Maksymalny przeciek należy zlokalizować na kliszy a następnie w fantomie na głębokości maksimum dawki zmierzyć dawkę detektorem o powierzchni 1cm 2 Średnia dawka z podanych w normie 24 punktów 0.75%. W przypadku kolimatora wielolistkowego ustawić jedną parę szczęk na pole 17.3cm i otworzyć jedną parę listków na pole 17.3cm (wynika z 300cm 2 ). Dawkę w podanych 24 punktach zmierzyć w fantomie na głębokości maksimum dawki zmierzyć dawkę detektorem o powierzchni 1cm 2 11/10/2007 Adam Wasilewski 42 <<