Detekce a dozimetrie ionizujícího záření Veličiny popisující pole záření, dozimetrické veličiny, radiobiologické veličiny, výpočet pacientských dávek,

Prezentace na téma: "Detekce a dozimetrie ionizujícího záření Veličiny popisující pole záření, dozimetrické veličiny, radiobiologické veličiny, výpočet pacientských dávek,"— Transkript prezentace:

1 Detekce a dozimetrie ionizujícího záření Veličiny popisující pole záření, dozimetrické veličiny, radiobiologické veličiny, výpočet pacientských dávek, plynové detektory, teorie dutiny Mgr. David Zoul 2013

2 Dozimetrie Cíle: 1) stanovení pacientských dávek a místních DRÚ
2) Stanovení veličin vyjadřujících riziko (ekvivalentní dávka, efektivní dávka, dávkový ekvivalent, orgánové/tkáňové dávky) 3) QA (QC) – hodnocení stavu RTG přístroje a zobrazovacího procesu

3 Veličiny popisující pole záření
a) Emise zdroje: má binomické rozdělení kde N je počet částic dopadnuvších na detektor a p je pravděpodobnost s jakou bude detekováno k částic (střední hodnota je N.p). Při vysokém N nebo p přechází v Poissonovo rozdělení kde b) Fluence částic – podíl počtu částic dopadnuvších na malou kouli a obsahu a jejího příčného řezu. Fluenci rovněž můžeme v praxi stanovit jako podíl součtu délek tětiv částic procházejících malou koulí a objemu V této koule: c) Fluence energie: kde R je zářivá energie – součet kinetických energií fotonů, E je kinetická energie jednoho fotonu

4 Veličiny popisující pole záření
d) Střední energie částic: e) Hustota proudu částic:

5 Veličiny dozimetrie ionizujícího záření
Lineární součinitel přenosu energie: Kde N je počet fotonů, E je energie každého z nich, Ee je součet počátečních kinetických energií nabitých částic, uvolněných nenabitými částicemi na úseku dráhy dx. Hmotnostní součinitel přenosu energie: kde fi je podíl střední energie předané nabitým částicím při i-té interakci a energie interagujícího fotonu, K je kerma a  je fluence energie. Lineární součinitel absorpce energie: kde G je energie vynaložená na produkci brzdného záření. Hmotnostní součinitel absorpce energie Lineární přenos energie: kde E je energie předaná nabitou částicí látce v elementu její dráhy dx.

6 Veličiny dozimetrie ionizujícího záření
Expozice kde  je tzv. expoziční konstanta, Wvz = 34 eV je ionizační práce ve vzduchu, N je počet fotonů. Kerma Kermová vydatnost Kde  je kermová konstanta. Dávka kde pro hmotnostní srážkovou brzdnou schopnost platí Příklad 1: Bodový zdroj IZ emituje 1012 monoenergetických 60 keV fotonů za sekundu. Vypočti kermový příkon ve vzduchu, ve vzdálenosti 0,5 m od tohoto zdroje, za stíněním 0,5 mm Pb. Polotloušťka Pb pro 60 keV fotony činí 0,125 mm a hmotnostní součinitel přenosu energie pro vzduch a 60 keV foton je 310-2 cm2g-1. Odhadni, jakou roční osobní dávku by obdržel radiační pracovník, který pracoval 2 m od tohoto zářiče za toutéž ochrannou bariérou Pb, po dobu 5000 min/rok?

7 Ionizační stopa primární částice - kernel + -elektrony
Přístroje jsou v RDG kalibrovány ve veličině kerma ve vzduchu (měříme vždy kermu ve vzduchu, i když měříme ve fantomu). Kerma je rovna absorbované dávce pouze za podmínek rovnováhy částic (CPE), což není splněno na rozhraní dvou materiálů (vzduch - fantom, vzduch - pacient). Absorbovanou dávku je tak obtížné měřit – musí se počítat.

8 Kerma a dávka Jednotkou je Gy
Kinetická energie nabitých částic uvolněných nenabitými částicemi v elementu hmoty, podělená hmotností tohoto elementu Energie odnesená brzdným zářením

9 Hloubkové dávkové křivky od fotonů různých energií
Konverzní účinnost pro elektrony

10 Vstupní povrchová kerma Ke, dopadová kerma Ki, tkáňová (orgánová) dávka DT Jednotkou je Gy
B je koefeicient zpětného rozptylu C je konverzní koeficient

11 Koeficienty zpětného rozptylu
Skiagrafická (horní tabulka) a mamografická (spodní tabulka) spektra

12 Jednodušší způsob: plošná kerma Jednotkou je Gy.m2
Veličina nezávislá na vzdálenosti, kterou dokážou automaticky měřit všechna moderní RTG zařízení (tzv. KAP-metrem). Pro zpětný výpočet pacientských dávek jsou radiologičtí asistenti povinni zaznamenávat hodnotu plošné kermy z každé expozice d1 d2 d3 1 2 3 Změří KAP-metr instalovaný přímo v kolimátoru RTG zařízení Stanovíme ze snímku v NISu

13 KAP-metr Vůči záření X velmi transparentní dozimetr (aby neovlivnil dopadovou kermu na pacienta). Měří součin kermy a ozářené plochy - Kerma Area Product. Umístěn uvnitř kolimátoru, v blízkosti výstupního okénka rentgenky (neovlivněn zpětným rozptylem z pacienta, měří přímo součin dopadové kermy a plochy).

14 Hodnocení zátěže pacientů
Dotaz pacienta Odhad dávky na plod Porovnání zátěže z vyšetření na různých modalitách Ověřování diagnostických referenčních úrovní (DRÚ)

15 Hodnocení zátěže pacientů
Záznamy údajů o expozici Záznamy: provozní deník, PACS, dokumentace pacienta (hmotnost, výška) Skiagrafie: kV, mAs, (PKA), projekce, velikost pole (PACS, obr. dokumentace), vzdálenost onisko-receptor obrazu – podle typu vyšetření – popsané standardem Skiaskopie: kV, mA, t, (PKA).

16 Hodnocení zátěže pacientů
Záznamy údajů o expozici Angiografie dolních končetin Angiografie Skiaskopie: kV, mA, min Záznam: počet sekvencí, f/s, kV, mA Celková hodnota PKA Tisknout a archivovat Exam protokol/Report Study Patient Position: HFS Jun-07 xxxxx 1 DSA FIXED PANEV s 3F/s 30-Jun-07 12:26:27 A 75kV 273mA ms 300CL small 0.2Cu 48cm µGym2 50.0mGy 0LAO 0CRA 42F 2 DSA FIXED PDK s 2F/s 30-Jun-07 12:27:48 A 64kV 399mA ms 600CL small 0.1Cu 48cm µGym2 43.1mGy 0LAO 0CRA 24F 3 DSA FIXED PDK s 2F/s 30-Jun-07 12:28:52 A 61kV 301mA ms 600CL small 0.3Cu 48cm µGym2 12.2mGy 0LAO 2CAU 43F 4 DSA FIXED PDK s 2F/s 30-Jun-07 12:31:28 A 61kV 274mA ms ****** small 0.3Cu 48cm µGym2 8.6mGy 0LAO 2CAU 48F ***Accumulated exposure data*** Jun-07 18:33:18 Phys: TBD Exposures: Fluoro: 1.8min Total: µGym2 132mGy A Fluoro: min µGym˛ mGy Total: µGym2 132mGy B Fluoro: min µGym˛ mGy Total: µGym2 0.0mGy

17 Hodnocení zátěže pacientů
Skiagrafie – vstupní povrchová kerma Příklad: vyšetření břicho AP, 81 kV, 32 mAs vzdálenost ohnisko – receptor obrazu 115 cm, vzdálenost ohnisko podpěra (stůl) 107 cm ZDS Protokol bod 81 kV, 10 mAs, 1,25 mGy, ohnisko-detektor 80 cm, měřeno na fantomu 20 cm H2O, filtrace 3,4 mm Al Odhad vstupní povrchové kermy Předpoklad vzdálenost ohnisko – pacient 87cm (tloušťka 20 cm) Kp = Ke * (Qi/Qm) * (r2m/r2i) = 3.38 mGy (DRÚ – 10 mGy) kde Kp ….. Vstupní povrchová kerma ve vzduchu, v místě vstupu do pacienta Ke …...Vstupní povrchová kerma změřená při ZDS na fantomu pro napětí použité při daném vyšetření Qm ….elektrické množství ZDS QI…...elektrické množství použité při daném vyšetření pacienta rm….. vzdálenost ohnisko – ZDS rI……vzdálenost ohnisko – pacient při daném vyšetření

18 Radiační váhové faktory
Druh a energetický rozsah záření wR Fotony všech energií 1 Elektrony a miony všech energií Neutrony s energií < 10 keV 5 10 keV až 100 keV 10 100 keV až 2 MeV 20 2 MeV až 20 MeV > 20 MeV Protony (s výjimkou odražených), energie 2 MeV Částice , štěpné fragmenty, těžká jádra

19 Tkáňové váhové faktory
Tkáň nebo orgán wT (ICRP 60) wT (ICRP 103) Gonády 0, ,08 Červená kostní dřeň 0,12 Tlusté střevo Plíce Žaludek Močový měchýř 0, ,04 Mléčná žláza 0, ,12 Játra Jícen Štítná žláza Kůže 0,01 Povrch kostí Mozek Ostatní orgány a tkáně

20 Ekvivalentní a efektivní dávka Jednotkou je 1 Sv

21 Typické efektivní dávky z různých druhů vyšetření
Třída Druh vyšetření Typický rozsah efektivních dávek [mSv] Odpovídající doba pobytu v přírodním pozadí [dny] MRI, sono I Snímek končetin, hrudníku, hrudní páteře, hlavy, kyčle, pánve 0,01 - 1 II Intravenózní urografie, vyšetření bederní páteře, CT hlavy a krku, Snímek břicha, vyšetření žaludku, střevní pasáž, polykací akt, mamografické vyšetření 1 - 5 III CT hrudníku, CT břicha, CT pánve 5-10 IV Intervence prováděné pod přímou skiaskopickou kontrolou, např. angiografické intervence CA, PTCA (BP, PCI, apod.), Digitální subtrakční angiografie (DSA), srdeční elektrofyziologie a kardiostimulace 10 1000

22 Veličiny vyjadřující DRÚ
Stanovení efektivní dávky při intraorálním zubním vyšetření Stanovení tkáňové dávky v při mamografickém vyšetření kde s: spektrální korekční faktor na použití různé kombinace materiálů anoda/filtr: Mo/Mo = 1,000 Mo/Rh = 1,017 Rh/Rh = 1,061 W/Rh = 1,033 W/Ag = 1,042 g (dpac, d1/2): konverzní faktor převádějící Ki na DT pro 50% glandularitu a kombinaci Mo/Mo. c (dpac, d1/2): korekční faktor na jinou než 50% glandularitu.

23 přepočet na exponovanou tloušťku při ZDS
Mamografie – faktor g Tloušťka prsu g Al [mm] prs [cm] 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,8 20 0,543 0,573 0,587 0,622 0,644 0,682 30 0,406 0,437 0,466 0,491 0,514 0,555 40 0,318 0,346 0,374 0,399 0,421 0,46 45 0,285 0,311 0,339 0,363 0,384 0,422 50 0,258 0,287 0,31 0,332 0,352 0,389 60 0,214 0,236 0,261 0,282 0,3 0,333 70 0,177 0,202 0,224 0,244 0,259 0,289 80 0,154 0,175 0,195 0,212 0,227 0,254 90 0,1357 0,1543 0,1723 výpočet g pro polotloušťky při daném napětí g W/Rh g W/Ag kV 29 30 31 33 HVL(mm Al) 0,565 0,566 0,701 0,725 20 0,577 0,644 0,653 0,446 0,514 0,524 40 0,354 0,355 0,421 0,430 45 0,319 0,320 0,384 0,393 50 0,294 0,352 0,361 60 0,243 0,244 0,300 0,308 70 0,208 0,209 0,259 0,266 80 0,181 0,227 0,233 90 0,159 0,160 0,183 0,188 PMMA [mm] Prs [mm] přepočet na exponovanou tloušťku při ZDS 20 21 0,562 0,563 0,630 0,639 30 32 0,426 0,494 0,504 40 45 0,319 0,320 0,384 0,393 53 0,278 0,336 0,344

24 přepočet na exponovanou tloušťku při ZDS
Mamografie – faktor c Konverzní faktory c pro ženy s věkem let prs [mm] HVL(mm Al) Tloušťka prsu 0,5 0,55 0,6 20 0,91 0,914 0,919 30 0,937 0,94 0,941 40 1 45 1,037 1,035 1,034 50 1,075 1,071 1,069 60 1,144 1,139 1,134 70 1,204 1,196 1,188 80 1,247 1,237 1,227 90 1,27 1,26 1,249 100 1,283 1,272 1,261 110 1,274 1,266 Výpočet c pro polotloušťky při daném napětí c W/Rh g W/Ag kV 29 30 31 33 HVL(mm Al) 0,565 0,566 0,701 0,725 20 0,915 0,916 0,929 0,932 0,940 0,943 0,944 40 1,000 45 1,035 1,032 50 1,070 1,065 1,064 60 1,137 1,124 1,122 70 1,194 1,193 1,172 1,168 80 1,234 1,207 1,202 90 1,257 1,256 1,227 1,222 PMMA [mm] Prs [mm] přepočet na exponovanou tloušťku při ZDS 20 21 0,918 0,931 0,933 30 32 0,952 0,954 0,955 40 45 1,035 1,032 53 1,090 1,082 1,081 50 60 1,137 1,124 1,122 75 1,214 1,213 1,189 1,185 70 90 1,257 1,256 1,227 1,222

25 Radiační zátěž ošetřujícího personálu unikající a rozptýlené záření
Primární neužitečné záření Unikající záření Rozptýlené záření

26 Fyzikální principy radiační ochrany
Opatření redukující individuální zevní ozáření z daného zdroje vychází ze čtyř principů nazývaných ochrana regulací emise zdroje ochrana vzdáleností ochrana časem ochrana stíněním a jejich vzájemné kombinace, neboť platí vztah: První činitel označuje tzv. příkon fluence částic (závisí na emisi zdroje a na vzdálenosti). Druhý činitel umožňuje provést ochranu časem a konečně třetí činitel na pravé straně vyjadřuje stínění materiálem tloušťky d, s lineárním součinitelem zeslabení µ.

27 Dávkový ekvivalent LET[keV/µm] QLET 10 1 10 - 100 0,32 LET – 2,2 100

28 Osobní dávkový ekvivalent
Hp 0,07 – dávkový ekvivalent vztažený na tkáně uložené v hloubce 0,07 mm udává radiační zátěž na dermis Hp 10 – dávkový ekvivalent vztažený na tkáně uložené v hloubce 10 mm udává radiační zátěž na orgány a tkáně uložené hlouběji pod povrchem těla Hp 3 – dávkový ekvivalent vztažený na tkáně uložené v hloubce 3 mm udává radiační zátěž na oční čočku

29 Plynové detektory

30 Princip plynových detektorů
Plyny jsou za standardních podmínek vynikajícími izolanty Působením přímo ionizujícího záření se původně neutrální molekuly (či atomy) přeměňují na kladné ionty a elektrony Působením nepřímo ionizujícího záření vznikají sekundární nabité částice – ty posléze samy ionizují V důsledku vzniku elektricky nabitých částic v plynu vzrůstá jeho vodivost Detektory, které využívají tohoto jevu souhrnně označujeme jako detektory plynové

31 Druhy plynových detektorů
Ionizační komory Proporcionální detektory Geiger – Müllerovy detektory Koronové detektory

32 Obecný průběh charakteristiky detektoru
A – oblast rekombinační, též oblast Ohmova zákona B – oblast nasyceného proudu, též oblast nasycení C – oblast proporcionality D – oblast omezené proporcionality E – oblast Geiger – Müllerova F – oblast koronového výboje

33 Oblast Ohmova zákona V této oblasti je intenzita elektrického pole ještě příliš nízká na to, aby byly produkty ionizace od sebe dostatečně rychle odděleny Značná část z nich rekombinuje – sebraný náboj eNs je menší než náboj vytvořený eNi S rostoucí intenzitou elektrického pole roste driftová rychlost vytvořených nosičů náboje a tím klesá pravděpodobnost rekombinace – oblast Ohmova zákona postupně přechází v oblast nasyceného proudu Oblast Ohmova zákona se v detekční technice využívá jen zřídka

34 Oblast nasyceného proudu
Od jisté intenzity elektrického pole se rekombinace prakticky neuplatňují Počet sebraných iontů se tedy rovná počtu iontů vytvořených ionizací (Ns=Ni) Tato oblast je typickým pracovním režimem ionizačních komor

35 Oblast proporcionality
Při dalším zvyšování napětí je Ns > Ni Platí Ns(i) = MNi Konstanta M je pouze funkcí napětí na detektoru Hovoříme o tzv. plynovém zesílení Jev je způsoben tím, že elektrony vlivem elektrického pole při své cestě k elektrodě získávají takovou energii, že jsou samy schopny dále ionizovat Tato oblast je typickým pracovním režimem proporcionálních detektorů

36 Oblast omezené proporcionality
Plynové zesílení M přestává být funkcí pouze napětí na detektoru, ale začne záviset i na Ni Závislost Ns na Ni je stále nevýznamnější, až na konci této oblasti zcela mizí Oblast není běžně v detekční technice využívána

37 Oblast Geiger – Müllerova
V této oblasti počet sebraných iontů již nezávisí na počtu iontů vytvořených ionizujícím zářením Ns jen zvolna stoupá s napětím na detektoru V této oblasti pracují Geiger – Müllerovy detektory (ty již logicky nemohou být na rozdíl od předchozích spektrometrické)

38 Oblast koronového výboje
Při dalším zvyšování napětí dochází k zapálení samovolného koronového výboje, a to nezávisle na tom, zda v objemu detektoru došlo k tvorbě primární ionizace Odezva detektoru zde s napětím roste V této oblasti pracují koronové detektory Dalším zvýšením napětí (není v grafu) dojde k doutnavému výboji, který zachvátí celý pracovní objem detektoru – závislost proudu detektoru na napětí má zde zápornou derivaci Oblast doutnavého výboje se v detekční technice nevyužívá

39 Ns závisí lineárně na Ni pouze v oblasti nasyceného proudu a v oblasti proporcionální
Předpokládejme, že primární ionizační účinky Ni jsou úměrné energii částice Ei dle vztahu Ni = EiW-1 kde W je střední energie pro vznik jednoho iont-elektronového páru Počet sebraných nosičů Ns je pak úměrný energii Ei, neboť platí Q = e Ni M kde Q je sebraný náboj, e je náboj elektronu a M plynové zesílení (M=1 pro ionizační komory) Zde pracující detektory tedy umožňují měření energie částic (přesněji energie absorbované v detektoru) – říkáme, že mají spektrometrické vlastnosti Příklad 2: Odhadni elektrický náboj, který se uvolní při průletu jednoho 100 keV fotonu vzduchem plněnou ionizační komorou, při normálním tlaku a pokojové teplotě.

40 Je třeba zmínit fakt, že k dosažení oblasti proporcionality a oblastí ležících napravo od ní (vyšší intenzita el. pole) je třeba použít geometrické uspořádání detektoru, které zajistí velmi nehomogenní elektrické pole – tedy geometrie koaxiální (válcové), sférické (kulové), nikoli geometrie deskové (planární)

41 Střední energie ionizace v plynech - W
Pro plyny je tato veličina velmi dobře známa – včetně její závislosti na druhu a energii ionizující částice Tato závislost mimochodem není příliš významná – viz tabulka – v argonu se W mění s energií částice maximálně o 0,5%, u vzduchu to může být až 10% Pro všechny známé plyny leží W v intervalu 25 – 45 eV a velmi málo závisí na druhu ionizující částice Hodnoty W [eV] pro různé plyny a částice

42 Teorie ionizace v dutině
Vzájemný vztah mezi dávkou ve stěně dutiny a v plynu uvnitř dutiny, řeší teorie ionizace v dutině. Uvažují se 3 případy vzhledem k dosahu elektronů malá dutina (Ionizace je vyvolána převážně elektrony uvolněnými ve stěně) velká dutina (Ionizace je vyvolána převážně elektrony uvolněnými v plynu) 3) střední dutina (nastává rovnováha elektronů uvolněných ve stěně i v plynu)

43 Měření dávkového příkonu
Pro tento účel se využívá Bragg – Grayova principu Za níže vyslovených předpokladů je počet iontových párů vytvořených v IK umístěné v dutině tělesa úměrný dávce fotonového záření v materiálu, který dutinu obklopuje Detektorem v takovém případě nemusí nutně být ionizační komora (např. TLD) Předpokládejme nyní malou plynovou dutinu A objemu V obklopenou materiálem B s efektivním atomovým číslem Z – nechť dále toto uspořádání splňuje Bragg – Grayovy podmínky

44 Bragg – Grayovy podmínky
Hustota toku primárního fotonového záření je všude v soustavě A, B konstantní Rozměry dutiny jsou mnohem menší než dosah sekundárních elektronů v plynu, jímž je dutina naplněna Tloušťka stěny dutiny z materiálu B je větší než dosah sekundárních elektronů v B Za těchto předpokladů bude ionizace plynu téměř výhradně vyvolávána elektrony, které vznikly ve stěně dutiny Elektrony přitom při průchodu plynem ztrácejí jen malou část své energie, přítomnost dutiny tedy nenarušuje elektronovou rovnováhu (malá dutina – nebo nízký tlak)

45 Vztah pro dávkový příkon
Dle Attixovy teorie (dále rozpracované např. Burlinem) je vztah mezi dávkovým příkonem a proudem v dutině: SZP – poměr hmotnostních brzdných schopností materiálu stěn B a plynu A, W – střední energie ionizace plynu, r – hustota plynu, V – objem komory Chceme-li měřit dávkový příkon např. v tkáni, je třeba aby stěny IK byly tkáňově ekvivalentní – Zeff je blízké tkáni

46 Obecná teorie dutiny Dávkový příkon: Dávka:
Burlinova obecná teorie dutiny: kde