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”

3

• W ochronie radiologicznej ma zastosowanie Szereg różnych wielkości i jednostek.

• Część z nich może być mierzona bezpośrednio, pozostała część może być tylko szacowana.

4

Wielkości stosowane w ochronie przed promieniowaniem jonizującym

wielkości fizyczne

• strumień, F• kerma, K• dawka pochłonięta, D

wielkości operacyjne

• przestrzenny równoważnik dawki, H*(d)

• kierunkowy równoważnik dawki, H’(d,Ω)

• indywidualny równoważnik dawki, Hp(d)

wielkości OR

• dawka pochłonięta w tkance/narządzie, DT

• dawka równoważna, HT

• dawka skuteczna, E• dawka gruczołowa, GD

obliczane; wykorzystywane wR, wT oraz fantomy antropomorficzne

obliczane;wykorzystywane Q(L), fantomy kuliste lub prostopadłościenne;weryfikowane pomiarami i obliczeniami

porównywane na podstawie pomiarów i obliczeń (wR, wT, antropomorficzne fantomy)

wielkości monitorowane;odpowiedzi przyrządów

kalibracjai obliczenia

4/33

wielkości monitorowane, radiologia:

iloczyn dawka-powierzchnia, DAP iloczyn dawka-długość, DLP indeks tomograficzny, CTDI powierzchniowa dawka wejściowa, Dent dawka wejściowa na skórę, ESD

tablice

5

Aktywność, A – liczba rozpadów w jednostce czasu

1Bq=1 rozpad/s

kBq=103 Bq

MBq=106 Bq

1 Kiur=3,7∗1010 Bq (aktywność 1 g Ra-226)

1 Kiur = 37.000.000.000 rozpadów na sekundę

6

Okres połowicznego zanikujest 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 A/2 A/4 A/8 A/16 A/32

A

A/2

A/4

A/8A/16A/32

1T 2T 3T 4T 5T czas

akty

wno

ść

A=A0⋅e−λt

7

Nazwa Symbol Wartość Liczebnik

yocto y 10-24 kwadrylionowa

zapto z 10-21 tryliardowa

atto a 10-18 trylionowa

femto f 10-15 biliardowa

piko p 10-12 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 101 deka

hekto ha 102 hekto

kilo k 103 kilo

mega M 106 mega

giga G 109 giga

tera T 1012 tera

peta P 1015 peta

eksa E 1018 eksa

zatta Z 1021 zatta

yotta Y 1024 yotta

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.

9

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

X=dQdm

10

Jednostką ekspozycji w układzie SI jest Coulomb przez kilogram

[X ]= Ckg

Poprzednio stosowaną jednostką ekspozycji był Roentgen [R]

1R=2,58∗10− 4 Ckg

1 Ckg

=3876 R

11

Jednostki mocy ekspozycji:Xt

lub w starych jednostkach:

Jednostką mocy ekspozycji jest więc:

[ Ckg ]s

= Ckg⋅s

Rs

12

Pamiętaj!

Zawsze: moc dawki to dawka na jednostkę czasu!

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.

14

Dawka pochłonięta D

Dawka pochłonięta, D, określa ilość pochłoniętej energii, dE, w jednostce masy, dm

D=dEdm

[D ]=Grej [Gy ]= Jkg

1Gy=100 rad

wartość uśredniona!

15

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

16

KERMA (kinetic energy released in a material)

gdzie: dEtrans 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

K=dE transdm

17

Zależność pomiędzy dawką pochłoniętą a ekspozycją

D [Gy ]= f⋅X [ Ckg ]gdzie: f – współczynnik przeliczeniowy zależny od

ośrodka, w którym promieniowanie jest pochłaniane

18

Wartości współczynnika f

f ([Gy] / Ckg-1])energia woda kości mięśnie

10 keV 0,91 3,5 0,93

100 keV 0,95 1,5 0,95

19

Ciekawe:

aby ogrzać wodę o 1°C trzeba dostarczyć do tej wody dawkę:

4,2 kGy (4200 Gy) <<J/kg>>

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)

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.

22

Dawka równoważna: HT

Dawka równoważna HT jest to iloczyn dawki pochłoniętej przez tzw. czynnik wagowy zależny od zdolności danego rodzaju promieniowania do wywoływania efektów biologicznych (czynnik jakości promieniowania).

H T=∑RDT,R⋅w R

Jednostką dawki równoważnej jest siwert (Sv)

1Sv = J/kg

1Sv = 100 rem

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

24

25

2020

>0,1-2 MeVwszystkie energie

neutronycząstki alfa, fragmenty rozszczepienia, ciężkie jony

1010-100 keV, >2-20 MeV neutrony

55

<10 keV, >20 MeV>2 MeV

neutronyprotony

1wszystkie energiefotony, elektrony, miony

czynnik wagowy wR

zakres energiirodzaj promieniowania

26

nazwa oznaczenie zasięg w powietrzu typowe energiealfa α < 10 cm do ~ 10 MeVbeta β < 60 m do ~ 20 MeVgamma γ d½ < 300 m do ~ 8 MeVX X d½ < 60 m do ~ 0,4 MeVneutronowe n nieograniczony do ~ 20 MeV

27

gdzie: E-dawka skuteczna,wT-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).

Dawka skuteczna: E

E=∑TwT∗HT

28

Wartości czynników wrażliwości narządów opierają się: na epidemiologicznych badaniach zapadalności i umie­ralności z

powodu nowotworów po napromieniowaniu, danych z zakresu genetyki.Wartości uśrednione dla obu płci i dla całego zakresu wieku populacji ludzkiej.

29

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

skóra - 0,01 0,01

ślinianka - - 0,01

mózg - - 0,01

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

Współczynniki wagowe tkanek

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).

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

32

Dawka kolektywna:dawka x liczba eksponowanych osób

33

ZALEŻNOŚCI

ekspozycja, X dawka pochłonięta, Ddawka pochłonięta w tkance (wodzie), DT

równoważnik dawki, HT

1 R8,7 mGy(0,87 rd)

10 mGy(1 rd)

10 mSv(1 rem)

aby wygenerować ładunek 1R (2,58·10-4 Ckg-1) należy dostarczyć energię 8,7 mJkg-

1 (8,7 mGy)

↔ powietrze ↔ ↔ tkanka (woda) ↔

przejście od energii pochłoniętej w powietrzu do energii pochłoniętej w wodzie (czynnik 1,13)

nb. obecnie czynnik 1,06

promieniowanie fotonowe, współczynnik jakości wR = 1

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).

35

promieniowanie rozproszone (woda), czynnik korygujący

1,411,401,391,371,324,0

3,0

2,5

2,0

mm Al

HVL

1,30

1,28

1,26

10 x 10

rozmiar materiału (cm x cm)

1,33

1,31

1,28

15 x 15

1,35

1,32

1,29

20 x 20

1,371,36

1,341,33

1,301,30

30 x 3025 x 25

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

37

prawo odwrotności kwadratów

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

39

Dawka wejściowa na skórę, SD

SD = KE⋅B

powietrze

skóra

gdzie:K

E - kerma w powietrzu mierzona w osi wiązki promieniowania

na powierzchni skóry pacjenta,B – czynnik rozpraszania promieniowania przez pacjenta, (μ/ρ)skóra

powietrze – masowy współczynnik pochłaniania dla skóry

względem powietrza.

Jednostką SD w układzie SI jest [Gy].

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 = gKE

HVL g [Gy/Gy]0,25 0,150,65 0,35

41

ognisko lampy

lampa rtg

kolimator

miernik KAP (K area prod.) - PKA

pomiar w odległości d - Y(d)

kerma w p.owietrzu – Ki(bez prom. rozproszonego)

pacjent

powierzchniowa wejściowa kerma w powietrzu – Ke (zawiera prom. rozproszone)

dawka narządowa – DT

dawka pochłonięta w tkance- D

stół

detektor obrazuwiązka pierwotna

odle

głoś

ć od

ogn

iska

lam

py –

d

odle

głoś

ć og

nisk

o –

pow

ierz

chni

a pa

cjen

ta –

dFS

D

odle

głoś

ć og

nisk

o –

dete

ktor

obr

azu

– d FI

D

prom. rozproszone

Dawki

42

Istotne parametry wpływające na dawkę pacjenta

NapięciePrądEfektywna filtracja

Czas ekspozycji

Powierzchniadetektora

moc Kermy

Kerma

Iloczyn pow.ekspozycja

KermaPowierzchnia diagnostyczna

Zewnętrzne parametry

Wejściowa dawka powierzchniowa (ESD)

43

Inne wielkości dozymetryczne

iloczyn dawka – długość; CT, pantomografiaindeks tomograficzny

W tomografii wielkość DLP służy do wyznaczania dawki skutecznej

44

Ca ,100=1NT∫−50

50K z dz

indeks tomograficzny

jednostka: Gypomiar w czasie jednej rotacji;N jednoczesnych warstw o nominalnej szerokości T każda;całkowanie wzdłuż linii równoległej do osi obrotu na odcinku 100 mm

45

PKL=∫LK z dz

iloczyn dawka - długość

jednostka: Gy.m

DLP=CTDI VOL⋅Llub:

46

Dawka skutecznaE≈k⋅DLP

Współczynnik k (mSv (mGy·cm)-1)

WiekRegion ciała

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

47