Radontherapie und Strahlenrisiko Alexander Kaul, Menzenschwand, 7.10.2006

Radontherapie und StrahlenrisikoAlexander Kaul, Menzenschwand, 7.10.2006

1. Allgemeine Kriterien für den Schutz von Patient und Personal

2. Strahlendosis des Patienten bei der Radontherapie

2.1 Biokinetik des Radons und seiner Zerfallsprodukte

2.2 Zelluläre Dosis und biologische Strahlenwirkung

2.3 Effektive Dosis im Vergleich zur natürlichen Strahlenexposition

2.4 Lungendosis einmaliger und mehrmaliger Inhalationskuren im Vergleich zur Dosis durch

natürliches Radon in Wohnungen und im Freien

3. Vergleichende Bewertung der Ergebnisse

4. Quantifizierung des Strahlenrisikos

4.1 Ergebnisse epidemiologischer Untersuchungen an Kollektiven Strahlenexponierter

4.2 Mechanismen der biologischen Strahlenwirkung im Niedrigdosisbereich und deren Einfluss auf die Dosiswirkungsbeziehung

4.3 Strahlenrisiko im Niedrigdosisbereich unter dem Vorsorgeaspekt des Strahlenschutzes

4.4 Hypothetisches Lungenkrebsrisiko des Patienten der Radoninhalationstherapie

5. Strahlendosis des Personals

6. Zusammenfassende Bewertung von Strahlendosis und –risiko der Radontherapie

1. Allgemeine Kriterien für den Schutz von Patient und

Personal

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Aufgaben des Strahlenschutzes bei der Radontherapie

Patientenschutz

• Die mit der therapeutischen Anwendung des Radons verbundene

Strahlendosis des Patienten und das daraus möglicherweise re-

sultierende Strahlenrisiko sind gegen den Nutzen der Therapie abzu-

wägen (= Aufgabe des Arztes)

Schutz des Personals

• Die Strahlenschutzmassnahmen bei der therapeutischen Anwen-

dung des Radons sind so zu optimieren, dass beim Personal die ge-

setzlich geforderten Grenzwerte der Dosis möglichst weit unter-

schritten werden, ohne den Nutzen der therapeutischen Massnahme

in Frage zu stellen (= Aufgabe der für den Strahlenschutz verantwort-

lichen Personen)

2. Strahlendosis des Patienten bei der Radontherapie

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Über die Haut (Diffusion durch die Epidermis)

Wannenbad mit radonhaltigem Wasser

Radon-Trockengasbad

Radon-Dunstbad

Über die Lunge (Diffusion durch die Lungenepithelien) Heilstollen

Thermal-Heilstollen Radongas-Therapie

Über den Magen-Darm-Trakt (Diffusion durch die

Magenschleimhaut)

Die wesentlichen Diffusionswege des Radons bei unterschiedlichen Arten der Radontherapie

Thermal-Heilstollen

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Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Radon und Zerfalls-produkten im Organismus (Biokinetik) am Beispiel der Radon-Badekur

Biokinetik des Radons und seiner kurzlebigen Zerfallsprodukte

physikalische Diffusion von Rn in die Epidermis, das subbasale Hautgewebe und die Blutkapillaren des Hautgewebes

Lösung des Radons im Blut, Verteilung im gesamten Körper entsprechend seiner spezifischen Löslichkeit in den einzelnen Geweben, Transport der durch Zerfall im Organismus gebildeten Zerfallsprodukte

Ausscheidung des Rn durch Exhalation und Diffusion über die Haut

Adsorption von kurzlebigen Zerfallsprodukten an der Epidermis

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Exhalation von Radon während der Therapie im Wannenbad (v. Philipsborn, 2000)

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Fluenz (Alphateilchen von 5 MeV Anfangsenergie, Energie- dosis in der Epidermis ≤ 2 mGy): 80/mm2

Zellquerschnitt: 100 μm2 = 0,0001 mm2

→bei diesen sehr niedrigen Energiedosen werden die weit- aus meisten Zellen von keinem Alphateilchen getroffen

LET (α, 5 MeV): 750 keV/μm

Zelldicke: 5 μm

→etwa 25 000 Ionisationsprozesse, d.h. sehr hohe lokale Energiedeposition und damit starke biologische Wirkun- gen in den getroffenen Zellen und in deren Nachbar- schaft (Reichweite der α-Teilchen etwa 35 μm und By- stander-Effekt durch Botenstoffe)

Energiedeposition von Alphateilchen in Zellen der Epidermis

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Molekularer und zellulärer Reaktionsweg der Schmerztherapie chronischer Entzündungen bei der Radon-Badetherapie

Energiedeposition von Alphateilchen in einem kleinen Bruchteil der Zellen der Epidermis

Herunterregulierung der transendothelialen Leukozy- tenmigration durch die zelluläre Innenauskleidung der Blutgefässwände sowie der Makrophagen- und Neutro- philenaktivitäten, d.h. des enzymatischen Abbaus von phagozytierten Zellen zu kleineren Molekülen mit Hilfe antiinflammatorischer Zytokine mit einer schützenden Rolle bei Entzündungen

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Werte der Energiedosis in Organen/Geweben (berechnet nach Daten von Hofmann, 1999) und der effektiven Dosis einer Kur

Wannenbad-Kur

662 Bq 222Rn/L, 10x20 min

0,1 μGy Knochen

0,3-0,5 μGy Leber,Muskel,Blut, Gonaden,Niere

3 μGy Lunge, tracheo-bronchialer Bereich

800 μGy Epidermis

(425 μGy Haut)

effektive Dosis0,2 mSv

Thermal-Heilstollen-Kur

44 kBq 222Rn/m3, 10x1h

1,6–2,2 μGy Muskeln, Gonaden,Knochen

3,3-8,8 μGy rotes Knochenmark,Nebenniere, Leber,

Blut

22 μGy Niere

410 μGy Lunge, tracheo-bronchialer Bereich

495 μGy Epidermis

(265 μGy Haut)

effektive Dosis1 mSv

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Applikationsform

Äquivalentdosis

(mSv)

Effektive

Dosis (mSv)

Bruchteil der jährl. nat.

Strahlendosis von 2,1 mSv

(%) Lunge

Epidermis

Badekur, 10x20 min Bad Gastein, 662 Bq/L Bad Schlema, 1 550 Bq/L

0,05

0,1

20

50

0,2

0,5

10 25

Inhalationskur, 10x1h Bad Gastein, 44 kBq/m3

10

10

1

50

Luftbadekur Bad Gastein, 140 kBq/m3

0,0001

4

0,05

2

Äquivalentdosis von Lunge und Epidermis sowie effektive Dosis von Patienten bei unterschiedlichen Arten der Radon-Therapie (1-malige Kur) im Vergleich zur

natürlichen Strahlenexposition

Diffusion von Radon in Häuser und Verteilung in Wohnungen(Radon-Handbuch Deutschland, Stand 9.8.2001)

62

27

8,9

1,70,40 0,07

0

10

20

30

40

50

60

70

bis 50 50 bis100 100 bis 200 200 bis 400 400 bis 1000 über1000

Radonkonzentration in Aufenthaltsräumen in Bq/m³

An

teil

vo

n G

eb

äud

en

mit

1 u

nd

2 W

oh

nu

ng

en

in %

Häufigkeitsverteilung der Radonkonzentration in Aufenthaltsräumen von Gebäuden mit 1 oder 2 Wohnungen (Radon-Handbuch Deutschland,

Stand 9.8.2001)

Bis 100 Bq/m3: 90% der untersuchten Aufenthaltsräume

Deutschlandkarte der Radonaktivitätskonzentra-tion in der Bodenluft

Fenstergekippt

H aus ungenutzt und geschlossen

Ü bliche N utzungÜ bliche N utzung

Auswirkung verschiedener Nutzungszustände auf die Radonkonzentration in einem Raum (Ettenhuber, 2006)

3. Vergleichende Bewertung der

Ergebnisse

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Vergleichende Bewertung der Strahlenexposition des Patienten durch 1-malige Radonkuren mit der natürlichen Strahlendosis bzw. Radon in

Wohnungen und im Freien

Vergleich der effektiven Dosen

Badekur: maximal 0,5 mSv

Thermalstollen-Inhalationskur: maximal 2 mSv

Jährliche natürliche Strahlendosis: 2,1 mSv

(Variationsbreite 1 – 10 mSv)

Vergleich der Radonexpositionen

Thermalstollen-Inhalationskur: 3,5 x 105 Bqh/m3

Aufenthalt in Wohnungen und im Feien:

jährlich 2,8 x 105 Bqh/m3

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Vergleichende Bewertung der Radon-Exposition des Patienten (mehrmalige Thermalstollen-Inhalationskuren)

Patienten 6 Kuren (Mittelwert)

8 Stunden mittl. Aufenthaltsdauer im Stollen pro Kur

44 kBq/m3 Radon-Aktivitätskonzentration (Mittelwert) Exposition: 6 x 8 x 44 000 Bq/m3 = 2,1 x 106 Bq h/m3

Bevölkerung 75 Jahre mittlere Lebenserwartung

19 h/d Aufenthaltsdauer in Wohnungen

5 h/d Aufenthaltsdauer im Freien

40 Bq/m3 in Wohnungen (Median)

10 Bq/m3 im Freien (Median)

Exposition: 75 x 365 x (19 x 40 + 5 x 10) Bq h/m3 = 2,2 x 107 Bq h/m3

Verhältnis der Radon-Exposition Patient/Bevölkerung: < 10 %

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Zusammenfassende vergleichende Bewertung der Expositionen durch therapeutisches und natürliches Radon

Die effektive Dosis des Patienten einer 1-maligen radon-balneotherapeu-tischen Kur liegt mit 0,05 bis 2 mSv deutlich unter bzw. maximal bei demWert der mittleren effektiven jährlichen Strahlendosis von 2,1 mSv (Variationsbereich: 1-10 mSv).

Die Gesamtexposition des Patienten einer mehrmaligen Inhalationskur imThermal-Heilstollen beträgt maximal 10 % der Radon-Exposition von Personen der Bevölkerung über eine Lebenszeit von 75 Jahren durch Aufenthalt in Wohnungen und im Freien.

Die Radonexposition einer 1-maligen Inhalationskur im Thermal-Heilstollen entspricht etwa derjenigen durch Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien (3,5 bzw. 2,8 x 105 Bqh/m3).

4. Quantifizierung des Strahlenrisikos

Effektive Dosis (mSv) Bezeichnung*

1 sehr niedrig (very low)

10 niedrig (low)

100 mittel (moderate)

1000 mäßig hoch (moderately high)

Krebsrisiken niedriger Dosisraten (ICRP Committee 1 Task Group Report 2005; nach Jacob, 2006)

*Definition hängt vom Blickwinkel ab: Umweltkontaminationen, berufliche Strahlenexposition, Strahlentherapie

Zusätzliches relatives Risiko der Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki, nach einer Dosis von 0-1 Sv an einem soliden Krebs zu sterben (Preston et al., 2004)

Zusätzliches relatives Risiko der Atombombenüberlebenden von Hiroshima und Nagasaki, an Leukämie zu sterben (nach Breckow, 2006)

Oben: Häufigkeitsverteilung der Radonkonzentration in Wohn-räumen in der Bundesrepublik Deutschland (Wichmann et al. 1998).

Unten: Relatives Risiko für Lungenkrebs in 13 europä-ischen Ländern mit 95-%-Vertrauensintervallen in Abhängigkeit von der korrigier-ten Radonkonzentration in Wohnungen (nach Darby et al., 2004).

Lineare Anpassungskurve:ohne Schwelle nach Darby,mit Schwelle von Harder, 2006.

In x-Richtung eingetragene Unsicherheitsintervalle: Breite der von Darby verwendeten Expositionsklassen.

Linear mit Schwelle Linear ohne

Schwelle

Adaptive response (2,3)Anzahl benötigter Mutationen (3)Apoptose (2,3)Bystander Effekt (5)Genetische Prädisposition (5)Genomische Instabilität (5)Immunabwehr (3)Reparatur (2,3,4)

Anzahl strahlenbedingter Tumorfälle im Nierigdosisbereich durch Extra-polation aus dem Bereich höherer Dosen (in Anlehnung an Müller, 2006)

Adaptive response (2,3):

Eine Vorbestrahlung mit niedriger Dosis kann eine nachfolgende Ex-position mit höherer Dosis wenigerwirksam machen

Biologische Mechanismen, die im Niedrigdosisbereich eine extrapola-tionsbeeinflussende Rolle spielen können


Anzahl benötigter Mutationen (3):

Mehrere Mutationen können notwendig sein, um aus einer normalen Zelle eine Tumorzelle zu machen


Apoptose (2,3):

Biologischer Prozess, d.h. ein in jeder Zelle vorhandenes Programm, das auf Grund eines bestimmten Signals in Gang gesetzt wird und zu einem für den Organismus weitgehend unproble-matischen Sterben der betroffenenZelle führen kann


Bystander Effekt (5):

Nicht nur direkt von der Strahlung ge-troffene Zellen zeigen einen Schaden, sondern es können auch „unbeteiligteZuschauer“ geschädigt werden


Genetische Prädisposition (5):

Es liegen im Genom bestimmte Veränderungen vor, die die Wahr-scheinlichkeit einer Tumorauslösung nach Einwirkung ionisierender Strahlung deutlich erhöhen können


Genomische Instabilität (5):

Ionisierende Strahlung kann dafür sorgen, dass das Genom anfälliger wird gegenüber äusseren Einwir-kungen, also „instabil“


Immunabwehr (3):

Niedrige Strahlendosen können die Immunabwehr stimulieren, damit effektiver Tumorzellen erkennen und biologischen „Schutzmechanismen“ zuführen, z.B. Reparatur, Apoptose


Reparatur (2,3,4):

Niedrige Strahlendosen können Reparaturmechanismen (Enzyme) anstossen

Zu komplex sind die Zusammenhänge, zu widersprüchlich viele Ergebnisse, zu unvollständig unser Wissen über die biologischen Mechanismen, als dass wir konkrete Rückschlüsse auf den Verlauf der Dosis-Wirkungsbeziehungen im Niedrigdosisbereich ziehen könnten.

Es ist deshalb angezeigt, dass strahlenbedingte Risiko einer Exposition mit ionisierenden Strahlen im Bereich niedriger Strahlendosen durch den Vergleich mit der natürlichen Strahlen-dosis und deren Schwankungsbreite oder konservativ abzu-schätzen wie im Strahlenschutz unter dem Vorsorgeaspekt üblich, nämlich unter Annahme der Gültigkeit einer linearen Dosis-Wirkungsbeziehung ohne Schwellenwert der Dosis (LNT: Linear Non Threshold) im Bereich niedriger Dosen und Dosisleistungen.

Bewertung der biologischen Mechanismen und Konzept der Abschätzung strahlenbedingter Risiken

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Exposition und rechnerisches Lungenkrebsrisiko durch 222Rn in Wohnungen

Medianwert der 222Rn – Aktivitätskonzentration: 40 Bq/m3

Mittlere jährliche Aufenthaltsdauer: 7 000 h/a

Exposition während einer Zeit von 75 Jahren: 2,1 x 107 Bq h/m3

Lungenkrebsrisiko bis zum Alter von 75 Jahren (berechnet auf der Grundlage der LNT-Hypothese und nach Angaben von S. Darby et al., 2005)

Nichtraucher: 0,41% + 0,0007% (Bq/m3)-1 x 40 Bq/m3 = 0,413% (~0,5%)Raucher: 10,1% + 0,0147% (Bq/m3)-1 x 40 Bq/m3 = 10,7% (~11%)

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222Rn-Exposition und rechnerisches Lungenkrebsrisiko von Patienten nach mehrmaligen Kuren in einem Radon-Thermalstollen

6 Kuren, 8h mittlere Aufenthaltsdauer im Stollen pro Kur,

mittlere 222Rn-Aktivitätskonzentration 44 kBq/m3

Zusätzliches Lungenkrebsrisiko durch Radon-Balneotherapie und Radon in Wohnungen:

Nichtraucher: (0,413 + 0,04)% = 0,417% (~0,5%)Raucher: (10,7 + 1,07)% = 11,77% (~12%)

5. Strahlendosis des Personals

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Effektive Jahresdosis des Personals bei verschiedenen therapeutischen Applikationsformen von Radon

Applikationsform Eff. Jahresdosis

(mSv)

Bruchteil des Grenzwertes

berufl. Strahlenexp. von

20 mSv/a

(%)

BadekurSibyllenbad

800 Bq/m3 Raumluft,

2 000 h/a Aufenthalt

450 Bq/m3 Raumluft,

400 h/a Aufenhalt

260 Bq/m3 Raumluft,

Kohlesäuerling-Mischbad

max 2,5

0,25

0,2

10

1

1

InhalationskurBad Gasteiner Thermalstollen, 44 kBq/m3

Bad Schlema, Rn-Gas-Therapie, 500 Bq/m3

Raumluft

8 (Ärzte)

- 15 (Lokführer)

1,5

< 50 – 75

< 10

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Zusammenfassende Bewertung der Strahlenexposition des Personals

Die jährliche effektive Dosis des Personals liegt abhängig vom Therapie-

verfahren und der Aufenthaltsdauer im Therapieraum zwischen 0,2

(Radon- Badekur) und 15 mSv (Radon-Thermalstollen-Kur) und damit

zwischen 10% und maximal bei 75% des Grenzwertes der gesetzlichen

jährlichen beruflichen Strahlenexposition. Die Strahlendosis des Personals

kann bei der Radon-Balneotherapie im Thermal-Heilstollen im Sinne der

Optimierung des Strahlenschutzes durch einfache Strahlenschutzmass-

nahmen weiter reduziert werden.

6. Zusammenfassende Bewertung der

Strahlendosis und des Strahlenrisikos von

Patienten der Radontherapie

Zusammenfassende Bewertung der Radontherapie und des Strahlenrisikos (1)

Bei einer Energiedosis in der Epidermis von weniger als 2 mGy bedingt die hohe Energiedeposition der Alpha-Teilchen in einem kleinen Bruchteil der Zellen der Epidermis die Herunterregulierung der transendothelialen Leukozytenmigration, d.h. des enzymatischen Abbaus von phagozytierten Zellen mit Hilfe antiinflammatorischer Zytokine mit einer schützenden Rolle bei Entzündungen.

Die mittlere effektive Dosis einer Wannenbad-Kur beträgt 0,2 mSv, die einer Thermalheilstollen-Kur 1 mSv. D.h., die Dosis liegt deutlich unter oder höchstens bei 50% der jährlichen natürlichen Strahlen-dosis von etwa 2,1 mSv (Schwankungsbreite: 1 – 10 mSv/Jahr).


Die Radonexposition des Patienten einer einmaligen Thermal- stollen-Inhalationskur entspricht mit 3,5 x 105 Bqh/m3 dem Medianwert von 2,8 x 105 Bqh/m3 durch Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien während eines Jahres.

Die Radonexposition eines Patienten durch 6 Kuren beträgt im Mittel insgesamt 2,1 x 106 Bqh/m3, die aus der Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien während 75 Lebensjahre resultierende Exposition errechnet sich zu 2,2 x 107 Bqh/m3, d.h., sie ist 10 mal höher.


Epidemiologische Untersuchungen an Strahlenexponierten erlauben es aus statistischen Gründen (zu geringe Fallzahlen und Einfluss von Confoundern) nicht, im Bereich niedriger Dosen (1 – 10 mSv) den Beweis zu erbringen, dass auch in diesem Dosisbereich wie bei hohen Dosen eine lineare Korrelation zwischen Dosis und Wirkung besteht.

Vielmehr können biologische Mechanismen wie Adaptive response, Apoptose, Bystander Effekt, Genomische Instabilität, Reparatur im Niedrigdosisbereich, eine extrapolationsbeeinflussende Rolle spielen. Zu komplex, zu widersprüchlich sind die Ergebnisse, zu unvollständig unser Wissen, als dass wir konkrete Rückschlüsse auf den Verlauf der Dosis-Wirkungsbeziehungen im Niedrigdosisbereich ziehen könnten.


Es ist deshalb angezeigt, das strahlenbedingte Risiko einer Exposition mit ionisierenden Strahlen im Bereich niedriger Strahlendosen durch den Vergleich mit der natürlichen Strahlendosis und deren Schwankungsbreite oder konservativ abzuschätzen wie im Strahlenschutz unter dem Vorsorgeaspekt üblich, nämlich unter Annahme der Gültigkeit einer linearen Dosis-Wirkungsbeziehung ohne Schwellenwert der Dosis im Bereich niedriger Dosen und Dosisleistungen.


Unter der konservativen Annahme des Strahlenschutzes, nämlich der Gültigkeit der LNT-Hypothese auch im Niedrigdosisbereich, errechnet sich die Erhöhung des Lungenkrebsrisikos eines Patienten nach 6- maliger Radontherapie in einem Radon-Thermalheilstollen gegenüber dem mittleren Lungenkrebsrisiko durch Inhalation von Radon in Wohnungen und im Freien für

Nichtraucher von 0,41 % um 0,03 % zu 0,44 %

Raucher von 10,1 % um 0,59 % zu 10,69 %.

Unter Berücksichtigung der geogen und durch Nutzung der Räume bedingten Schwankungsbreite der Radonkonzentration in Wohnun-gen und im Freien ist diese hypothetisch abgeschätzte Erhöhung des Lungenkrebsrisikos von Patienten der Radoninhalationstherapie irrelevant.


Die jährliche effektive Dosis des Personals liegt abhängig vom Therapie-

verfahren und der Aufenthaltsdauer im Therapieraum zwischen 0,2

(Radon- Badekur) und 15 mSv (Radon-Thermalstollen-Kur) und damit

zwischen 10% und maximal bei 75% des Grenzwertes der gesetzlichen

jährlichen beruflichen Strahlenexposition. Die Strahlendosis des Personals

kann bei der Radon-Balneotherapie im Thermal-Heilstollen im Sinne der

Optimierung des Strahlenschutzes durch einfache Strahlenschutzmass-

nahmen weiter reduziert werden.

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Radontherapie und Strahlenrisiko Alexander Kaul, Menzenschwand, 7.10.2006