Strahlenschutz - Sinn und Unsinn (Skript) · PDF fileTransmission Streuung Detektor (z.B. Film) Patient Röntgenröhre Absorption und Streuung im Patienten Streuung Schwächung = (Energie-)

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Strahlenschutz ?Sinn und Unsinn

Jakob RothRadiologische Physik, Universitätsspital Basel, Schweiz

2

Inhaltsangaben

• Einige Grundlagen zu den Eigenschaften von Röntgenstrahlen

• Dosisbegriffe und Strahlenwirkung

• Dosen bei pädiatrischen Röntgenuntersuchungen

• Welche Parameter beeinflussen die Röntgenaufnahme und die Strahlenexposition ?

• Das grosse Problem: die Streustrahlung

• Woher kommt die Streustrahlung ?

• Isolette und Strahlenschutz

• Wahrnehmung des Strahlenschutzes

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Schwächung von Röntgenstrahlen

Röntgenröhre

Patient Detektor

Absorption

Transmission

Streuung

Detektor (z.B. Film)

Patient

Röntgenröhre

Absorption und Streuung im Patienten

Streuung

Schwächung = (Energie-) Absorption + Streuung

4

Röntgenspektrum hinter dem Patienten

0

10'000

20'000

30'000

40'000

50'000

60'000

70'000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

rela

tive

Inte

nsitä

tRöntgenspektrum beim Auftreffen der Röntgen-strahlen auf den Patienten

Röntgenspektrum hinter 20 cm Weichteilgewebe

Photonen-Energie in keV

5

0

10'000

20'000

30'000

40'000

50'000

60'000

70'000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Photonen-Energie in keV

rela

tive

Inte

nsitä

t

Röntgenspektren vor und hinter dem Patienten

Röntgenspektrum beim Auftreffen der Röntgenstrahlen auf den Patienten

vor dem Patienten

Röntgenspektrum hinter 20 cm Weichteilgewebe

0

500

1'000

1'500

2'000

2'500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Photonen-Energie in keV

rela

tive

Inte

nsitä

t

hinter dem Patienten

Ordinate: 30 mal kleiner als oben

Nur wenige % der Röntgenstrahlung durchdringen den Patienten.

Die Röntgenstrahlung wird aufgehärtet (höhere mittlere Energie).

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Einfluss der Röhrenspannung auf Schwächung

05

35

100

120 kV

80 kV

EintrittOberfläche

Austritt Film

notwendigeBilddosis

Dosis in µµµµGy Schwächung durch Körper bei

Thorax-Röntgenaufnahme

7

Dosisbegriffe

Dosis D

Äquivalentdosis H

effektive Dosis E

Auf einen Punkt bezogen

8

Wichtungsfaktoren w T für Strahlenrisiko

Lunge 0.12Haut 0.01

Magen 0.12Dickdarm 0.12Blase 0.05Gonaden 0.20

Schilddrüse 0.05Speiseröhre 0.05

Brust 0.05Leber 0.05

rotes Knochenmark 0.12

Knochenoberfläche 0.01

Restkörper(übrige Organe) 0.05 Σ Σ Σ Σ wT = 1.00

T

9

Tumortyp spontan strahleninduziertmyeloische Leukämie mässig sehr hoch Schilddrüse selten sehr hoch

(niedrige Mortalität)

weibliche Brustdrüse sehr hoch hochVerdauungstrakt hoch hochLunge (Bronchus) sehr hoch mässigBauchspeicheldrüse mässig mässigmaligne Lymphome mässig mässigPharynx selten mässigLeber-, Gallenwege selten mässigHaut sehr hoch seltenNiere, Blase mässig seltenLarynx mässig seltenGehirn, Nerven selten selten

Vergleich der Empfindlichkeit von verschiedenen Org anen bezüglich spontaner und strahlenbedingter Tumorinduktion (nac h BEIR III, 1980)

Spontane und strahleninduzierte Tumoren

10

Stochastisches Strahlenrisiko vs. Alter

(aus ICRP 60 [1990]:multiplikatives Modell)Alter in Jahren zum Zeitpunkt der Exposition

zusätzliches Risiko während der Lebenszeit, % pro 1‘000 mSv

FRAUEN

MÄNNER

15

10

5

0

0 50 100

gemittelt über die Bevölkerung

Kinder bis ins Alter von 10 Jahren sind 2.5 bis 3 mal strahlenempfindlicher als der Durchschnitt der Bevölkerung.

Jugendliche zwischen 10 und 20 Jahren sind etwa 1.5bis 2 mal strahlenempfindli-cher als der Durchschnitt der Bevölkerung.

11

Strahlen-wirkung

Dosis

Milieu-faktoren

relativeStrahlen-empfind-lichkeit

räumlicheDosis-

verteilung

Strahlen-art,

-energie

zeitlicheDosis-

verteilung

Parameter für Strahlenwirkung

12

Dosisleistung Eintritt Zentralstrahl

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

klein (15 cm)

mittel (21 cm)

gross (37 cm)

Bilddurchmesser am BV-Eingangµµ µµG

y/s

Dosisflächenprodukt

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

klein (15 cm)

mittel (21 cm)

gross (37 cm)

Bilddurchmesser am BV-Eingang

cGy/

s x

m 2

Dosis und DFP in Abhängigkeit von der BV-Grösse

Mit zunehmendem Bilddurchmesser nimmt die Dosisleistung an der Patientenoberfläche ab. Diese Reduktion hängt auch noch vom Patientendurchmesser ab.

Das Dosisflächenprodukt (DFP) ist ein Mass für die gesamte Strahlen-energie im Patienten. Es nimmt zu mit dem Bilddurch-messer.

Schlussfolgerung : Wahl eines möglichst kleinen Bilddurchmessers.Dadurch kleinere Strahlenexposition, weniger Gewebe und Organe bestrahlt, weniger Streustrahlung, bessere Bildqualität.

(Messungen an der Universitäts-Kinderklinik beider Basel)

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Oberflächendosen bei Kindern

3 Jahre 6 Jahre 10 Jahre 12 Jahre 15 Jahre

Thorax 0.019 0.104 0.104

Wirbelsäule ap 0.695 0.735 1.030

lat 1.290 2.209

Hüften ap 0.115 0.128

lat. 0.474 1.721

Oberschenkel 0.115 0.144 0.255

Knie 0.090 0.113 0.155

Unterschenkel 0.045 0.090 0.155

Fuss 0.035 0.035 0.066 0.082

AlterRöntgen-Aufnahme

Oberflächendosen im Zentralstrahl in mGy

(Messungen an der Universitäts-Kinderklinik beider Basel)

Die für eine gute Bildqualität erforderliche Dosis ist dem Alter des Patienten anzupassen.

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Beiträge zur Strahlenexposition der Bevölkerung

kosm

isch

e S

trah

lung

terr

estr

isch

e S

trah

lung

inko

rpor

iert

e R

adio

nukl

ide

Rad

on u

nd F

olge

prod

ukte

Rea

ktor

unfa

ll T

sche

rnob

yl

Ker

nwaf

fena

usfa

ll

Kle

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elle

n us

w.

Ker

nanl

agen

ande

re B

etrie

be

beru

flich

e S

trah

lene

xp.

Rön

tgen

diag

nost

ik

Nuk

lear

med

izin

Mittelwert (4.0 mSv/Jahr)

��

100 ��

5 ��

30��

30��

80

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

effe

ktiv

e D

osis

in m

Sv/

Jahr

natürlich (2.8 mSv / Jahr) künstlich (1.2 mSv / Jahr )

Maximalwert

Minimalwert

15

Transmissionen bei Röntgenaufnahme

PatientVorderer Teil der

FilmkassettePatient

Röntgenröhre

Auflage, Streustrahlenraster,

Belichtungsautomatik

100 % 7 % 3 % 1.5 %

7 % 39 % 53 %

Beispiel: Thoraxaufnahme, 125 kV, Filterung 3 mm Al

(quadratisches Abstandsgesetz berücksichtigt, d.h. Fokus-Messort-Distanz = konstant)

Von der Strahlung auf der Patientenoberfläche errei cht nur ca. 1.5 % den Film.

Transmission

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• Röhrenspannung (kV)• Röhrenstromstärke (mA)• Expositionszeit (s)• Fokusgrösse

• Anzahl Pulse/s• Leistung• Steuerung• Fokus• Filter

Einblendung (Kollimation)

Fokus-Oberflächen-DistanzDistanz Patient -Bildempfänger

Auflagefläche

Streustrahlenraster

Belichtungsautomatik

Parameter bei einer Röntgenuntersuchung

Patient

Röntgengerät

Bildgebendes System

• Lagerung, Positionierung• Bleigummi-Abdeckung ?

• Dicke• Grösse• Alter• Geschlecht• Untersuchungsgebiet• strahlenempfindliche

Organe

MTRA / MPA

• Indikationsstellung, Diagnose

• Positionierung• Qualitätsbeurteilung• Ausbildung

• Dimension• Empfindlichkeit• Dynamikumfang• Bildbearbeitung

analog (z.B. Film):• Entwicklungs-

maschine• Chemikalien• Bildbetrachtung

digital (Speicherfolie,Flat Panel, BV usw.):• Auswertesystem

(PC)• Bildbearbeitung• Optimierung

Untersucher, Arzt

abhängig vom Personal

17

Die Streustrahlung

Röntgenröhre

Streustrahlung

18

Streustrahlung:

ein grosses Problem für den Strahlenschutz beim Patienten und beim Personal sowie für die Bildqualität

Das grosse Problem: die Streustrahlung

19

Jede Verringerung der Streu-strahlen verbessert die Bildqualität

und reduziert die Strahlenexposition ausserhalb des Nutzstrahlenfeldes.

Verringerung der Streustrahlung

Massnahmen :

• Einblendung (Bestrahlungsvolumen verkleinern)

• Kompression (Bestrahlungsvolumen verkleinern)

• Verwenden eines Streustrahlenrasters20

ohne Streustrahlen-

raster

(60 kV, 28 mAs)

mit Streustrahlen-raster

(73 kV, 50 mAs)

Wirkung des Streustrahlenrasters auf die Bildqualit ät

mit Raster 3x höhere Strahlenexposition als ohne Raster

Alderson-Phantom

21

Streustrahlenraster

Einsatz des Streustrahlenrasters:

• bessere Bildqualität (höherer Kontrast, schärfere A bbildung)vs. zusätzliche Strahlenexposition (300 bis 500 %)

• Verzicht auf Streustrahlenraster, falls nicht erfor derlich (z.B.kleiner Anteil an Streustrahlung bei Kindern oder b ei Extremitäten)

Durch Streustrahlenraster steigt die Dosis am Patie nten um Fakto r 3 bis 5 (bei gleicher Bilddosis).[gemäss Literatur: 2.6 (beim Schädel pa) bis 9.5 (beim Becken lat.)]

Beispiel : 100 kV, F = 20 x 20 cm 2, 20 cm dick→→→→ Aus dem Körper treten 80 % Streu- und 20 % Primärstr ahlung aus.

Streustrahlung Primärstrahlung Gesamtstrahlung

ohne Raster 80 % 20 % 100 %

mit Raster *) 4 % 12 % 16 %

*) Selektivität des Streustrahlenrasters Σ = 12

Die Exposition muss mit dem Raster für die gleiche Filmschwärzung um einen Faktor 6.25 mal grösser sein ! 22

Herkunft der Streustrahlung bei einer Röntgenaufnah me

Wandstativ,FilmkassetteRöntgen-

röhre1 4 3

2

1 Streustrahlung (Blendensystem, Luft)

2 Durchlassstrahlung (“Leckstrahlung”) aus dem Röhrengehäuse, extrafokale Strahlung

3 Streustahlung von Wandstativ und Filmkassette (Rückstreuung)

4 Streustrahlung aus dem Körper des Patienten

Der grösste Beitrag zur Streustrahlung im Patienten stammt von ihm selber.

23

18 %

Woher kommt die Strahlung ausserhalb des Nutzstrahls ?

Simulation einer Thorax-Röntgenaufnahme, 125 kV, FOD = 150 cm

Thorax-Phantom (Streukörper)

100 %

Wandstativ, Kassette Thorax-Phantom (Streukörper)

Bleigummi(0.5 mm Pb)93 %

Bleigummi(0.5 mm Pb)11 %

24

Röntgenaufnahme des ThoraxFFD = 200 cm, 85 – 150 kV

10 c

m

100 % 78 %

Rundumschürze0.5 mm Pb

5 %

3 mm Pb

25

Röntgenaufnahme des Schädels seitlichFOD = 120 cm, 60 kV

100 %

8 cm

98 %

Rundumschürze0.5 mm Pb

2 %

3 mm Pb

26

15 %

85 %

Thorax-Röntgenuntersuchung:120 kV, FOD = 175 cm, F = 30 cm x 35 cm; 0,5 mm Pb

Bleigummi-Abdeckung

90 %

27 %88 %

95 %

(0,2 µµµµGy)100 %

100 %

(0,5 µµµµGy)Ovarien

Hoden

Eine Bleigummiabschirmung hat fast immer eine sehr beschränkte Wirkung für den Patienten.

27

Isolette und Bleiabschirmung

60.7E

101.2D

121.5C

10012.0A

%µµµµGy/mAsMessort

66 kV, Filterung 2.5 mm AlFOD = 90 cm, F = 15 cm x 10 cm

Isolette

Streukörper (Masonit)

A C D E

90cm

B

cm Distanz vom Feldrand21 5-2

(Messungen in der Geburtshilfe des Universitätsspitals Basel) 28


101.1D

111.3C



Isolette


Blei Position 1

90cm

A C D EB


(Messungen in der Geburtshilfe des Universitätsspitals Basel)

29


111.3B



Isolette


Blei Position 2

Blei Position 15 cm

3 cm

90cm

A C D EB


(Messungen in der Geburtshilfe des Universitätsspitals Basel) 30


111.3B



Isolette


Blei Position 2

Blei Position 3Blei Position 15 cm

3 cm

90cm

A C D EB



31

Isolette und Bleiabschirmung: Zusammenfassung

111.3BPosition 3

111.3BPosition 2

101.1D

111.5CPosition 1

60.7E

101.1D

121.5C

10012A

ohne

%µµµµGy/mAsMessort2 mm Blei

Schlussfolgerung :

Die verwendeten Bleiab-deckungen haben keinen Einfluss auf die Dosis am Neugeborenen, sofern korrekt eingeblendet wird.



Isolette


Blei Position 2

Blei Position 3Blei Position 15 cm

3 cm

90cm

A C D EB


32

optische Dichte:0.32 1.78 1.53 2.77

(Schleier: 0.21)

Folie

Folie

FilmPapier

Folie

Folie

FilmPapier

Folie

Folie

FilmPapier

Papier

Folie

Folie

Film

(Film: Lanex Medium Plus von Kodak. Folien: Medium Plus von Kodak)

Verstärkerfolien und optische Dichte

95 - 99 % der Schwärzung kommt durch die Verstärkerf olie zustand.

33

Die “5 A“ des praktischen Strahlenschutzes

Ausbildung (weitaus am wichtigsten)

Abstand (am billigsten)

Abschirmung (Nutzen wird überschätzt)

Arbeitsvorbereitung (ohne Strahlung !)

Arbeitsweise (sorgfältig und rasch)

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Wirkungsvolle Schutzmassnahmen bei Röntgenuntersuchungen

• kleinstmögliche Einblendung(auf jeden Fall: kleiner als Bildempfänger) →→→→ grosser Abstand zwischen Feldrand und Organ. Voraussetzung: Übereinstimmung zwischen Licht- und Strahlenfeld (Qualitätskontrolle)

• empfindliches Bildsystem (Film-Folien-Kombination, Durchleuchtung mit Speicherbild usw.)

• Qualitätssicherungsprogramm durchführen (Wartung, Zustands- und Konstanzprüfungen), Interpretation der Resultate, erforderliche Massnahmen

• Ausbildung des Personals in Indikationsstellung, Einstelltechnik und praktischem Strahlenschutz

35

Schutz des Personals

80 kV

Die Strahlenexposition beim Personal ist etwa 1 % d er Dosis am Patienten.100 % jeweils ohne Bleigummischürze (0.5 mm Blei)

100 cm

Patient

3 %

100 cm4 %

36

Forderung nach einer hohen Bildqualität

= Akzeptanz einer hohen Strahlenexposition

Grundsätze

Schutz des Patienten

= Schutz des Personals

37

Zusammenfassung

• Kinder und Jugendliche sind wesentlich strahlenempfindlicherals Erwachsene und müssen besonders geschützt werde n.

• Die Dosis wird durch zahlreiche Parameter beeinflusst . Die Strah-lendosis ist der wichtigste, aber nicht der einzige Parameter für die Strahlenwirkung. Bei höherer Röhrenspannung ist die Strah-lenexposition kleiner. Der Bildkontrast nimmt dadurc h jedoch ab.

• Nur wenige % der Röntgenstrahlung durchdringen den Patien-ten. Von den auf den Patienten auftreffenden Röntgenst rahlen erreicht nur ein kleiner Teil das bildgebende System .

• Der grösste Beitrag zur Streustrahlung im Patienten stammt von ihm selber .

• Das Streustrahlenraster kann bei Kleinkindern fast immer und bei Kinder meistens weggelassen werden, da wenig Streu-strahlung.

• Eine Bleigummiabschirmung hat eine sehr beschränkte Wirkungfür den Patienten.

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Strahlenschutz: Sinn oder Unsinn ?

Das Ziel einer Röntgenuntersuchung muss stets ein aussagekräftiges Bild sein, um eine optimale bzw.

zuverlässige Diagnose stellen zu können.

Der Strahlenschutz ist immer sekundär. („Der Patient geht nicht zum Röntgen, damit er vor

Strahlung geschützt wird.“)

Jede Strahlenschutzmassnahmen muss wirksam sein für den Patienten und nicht einer Routinetätigkeit ents prechen.

Sie soll keine Alibifuntion sein, um den Strahlensch utz abzuhaken („Feigenblatt“).

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Strahlenschutz: Sinn oder Unsinn ?

“Im Strahlenschutz wiegt ein Gramm Gehirn mehr als eine Tonne Blei !”

(F. Wachsmann, 1969)

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