Klinika nukleární medicíny a endokrinologie RADIAČNÍ OCHRANA v nukleární medicíně Ing. Jaroslav Zimák, CSc. Klinika nukleární medicíny a endokrinologie UK 2. LF Fakultní nemocnice v Motole

ZÁŘENÍ kospuskulárně-vlnový dualismus Z Á Ř E N Í (radiace) =   = Přenos energie prostorem "na dálku" prostřednictvím fyzikálních polí nebo mikročástic Mechanismus přenosu energie: Časové změny pole Pohyb částic (Vlny - elektromagnetické, gravitační) (elektrony b, a-částice, protony, neutrony,...) kospuskulárně-vlnový dualismus

Ionizující záření Je to záření, jehož kvanta mají natolik vysokou energii, že jsou schopny vyrážet elektrony z atomového obalu a tím způsobovat ionizaci látek Pro běžné druhy záření fotonového (X a g), elektronového (β-) a α se za energetickou hranici ionizujícího záření bere energie 5 keV. Složitější situace je u neutronového záření, kde i velmi pomalé neutrony vstupují do jader a prostřednictvím jaderných reakcí mohou vyvolávat sekundárně ionizaci (a to i zpožděně či dlouhodoběji - aktivace jader, vznik radionuklidů). Podobně není definována prahová energie u záření b+, kde i velmi pomalé pozitrony anihilují s elektrony za vzniku tvrdého ionizujícího záření g.

IONIZUJICÍ ZÁŘENÍ je neviditelné, není cítit, nemá chuť. Může však škodit, stejně jako pomáhat lidem. Vztah veřejnosti je proto irracionální. Bez potřebných znalostí může být a je využíván (zneužíván?) v politice a veřejném životě. Náš přístup budiž racionální. Čerenkovovo záření způsobené silným zářičem používaným pro sterilizaci ponořeným do vody 5 m pod hladinou

ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Přírodní zdroje kosmické záření sluneční záření přírodní radioizotopy Umělé zdroje cyklotron jaderný reaktor rentgen (rtg, CT, mamograf…) terapeutická zařízení - rtg ozařovače, cesiové a kobaltové gama ozařovače, Leksellův gama-nůž radiofarmaka zařízení, pracující s brzdným či rtg zářením (mimo jiné barevné CRT zobrazovače) CRT=katodová trubice, ve starých televizích, monitorech

NEJDŮLEŽITĚJŠÍ DRUHY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Látkové záření - tvořené látkovými částicemi, tj. částicemi s nenulovou klidovou hmotou Záření beta - látkové záření tvořené elektrony nebo pozitrony vysílané jádry při přeměně beta Záření elektronové - látkové záření tvořené elektrony Záření delta - látkové záření tvořené elektrony uvolněnými ionizací Záření alfa - látkové záření tvořené částicemi alfa tj. jádry helia

NEJDŮLEŽITĚJŠÍ DRUHY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Fotonové záření - elektromagnetické záření tvořené fotony Záření gama - fotonové záření s čárovým spektrem, tvořené foton vysílané atomovými jádry při přeměnách, jaderných reakcích a anihilaci Brzdné záření - fotonové záření se spojitým spektrem, vznikající bržděním nabitých částic v elektrických polích látkových částic Charakteristické záření - fotonové záření s čárovým spektrem, vysílané při přechodu elektronu atomového obalu na nižší energetickou hladinu, popř. při rekombinaci iontu s volným elektronem

VELIČINY A JEDNOTKY V RADIAČNÍ OCHRANĚ charakterizující zdroje IZ záření interakce IZ s hmotou biologické účinky

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Definice radioaktivity schopnost atomových jader samovolně se přeměňovat (včetně účasti elektronových obalů) za současného vzniku ionizujícího záření. Méně stabilní jádra se mění na stabilnější s optimálnějším poměrem p a n. Nicméně dceřinná jádra mohou být také radioaktivní – rozpadové řády – nakonec stabilní izotop. Známe více než 2000 nuklidů, z toho asi 270 je stabilních.

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Nuklidy jsou atomy charakterizované počtem protonů a neutronů. A = hmotnostní číslo (součet počtu protonů a neutronů) Z = atomové číslo (počet protonů) X = chemický název (prvek)

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Každý prvek může mít několik izotopů, které mají stejné atomové číslo ale odlišné hmotové číslo Např. jod:

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Aktivita je definována jako podíl počtu dN radioaktivních přeměn z daného energetického stavu v určitém množství radionuklidu za časový interval dt a tohoto časového intervalu:  A= dN/dt  Jednotkou je 1 Bq, tedy jedna přeměna za sekundu (rozměr s-1). Stará jednotka 1 Ci = 3,7.1010 Bq = 37 GBq 1 mCi = 37 MBq

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Zákon radioaktivity: A = A0e-t čas t pro který A= A0/2 označíme T1/2 pak platí λ = ln2/ T1/2 a lze tedy zákon přepsat do tvaru: Aktivita hmotnostní A/m [ Bq.kg-1] Aktivita objemová A/V [ Bq.m-3 ] Aktivita plošná A/S [ Bq.m-2 ]

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Graf poklesu aktivity v čase

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Radionuklid aplikovaný biologickému objektu je vylučován exponenciálně: Biologický poločas Tb a konstanta b , Efektivní poločas Tef  Celková eliminace ef =  + b  Tef < T1/2 Tef < Tb

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ Energie částic a fotonů Jednotka energie v jaderné a subjaderné fyzice je elektronvolt ( eV ) 1 eV = 1,602 ×10 – 19 J Je to malá jednotka, používají se násobky: keV, MeV … Používá se pro všechny druhy záření

VELIČINY A JEDNOTKY CHARAKTERIZUJÍCÍ IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ Lineární přenos energie – LET jednotka keV/cm Udává ztrátu energie částice na jednotku délky její dráhy ionizačními procesy S tím souvisí pronikavost, dosah a biologické účinky

DOLET ČÁSTIC částice  částice  E [MeV] Vzduch [cm] Tkáň [µm] Al [µm] 4 2,5 31 16 5 3,5 43 23 6 4,6 56 30 8 7,4 91 48 10 10,6 130 69 E [MeV] Vzduch [mm] Tkáň Al 0,01 1,3 0,002 0,0006 0,1 101 0,158 0,05 1 3 060 4,8 1,52 5 19 000 29,8 9,42 10 39 000 60,8 19,2

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU Dominantní způsob předávání energie excitatace atomů ionizace atomů

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU Excitace přechod elektronu z nižší na vzdálenější slupku v důsledku interakce excitovaný stav je nestabilní: elektron se vrací na původní slupku, přebytečná energie je emitována

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU Ionizace Energie předaná elektronu nabitou částicí je dostatečně velká k jeho odtržení z atomu Událost: předaná energie > vazebná energie elektronu Důsledek: vzniká pár elektron – kladně nabitý iont

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU přímo ionizující – nabité částice (+, -, p, ) těžké nabité částice – při interakci s elektrony zanedbatelné změny směru, dráha přímočará lehké částice – dráha klikatá větší náboj – větší hustota ionizace nepřímo ionizující – částice bez náboje ( X, , brzdné záření)

NEPŘÍMO IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ Fotonové záření X a g Interakce závisí na energii částice a materiálu 1. Fotoelektrický jev 2. Comptonův rozptyl 3. Tvorba elektron-pozitronových párů

VELIČINY A JEDNOTKY V RADIAČNÍ OCHRANĚ Interakce s hmotou

VELIČINY A JEDNOTKY V RADIAČNÍ OCHRANĚ Expozice Absorbovaná dávka Ekvivalentní dávka Efektivní dávka

VELIČINY A JEDNOTKY V RADIAČNÍ OCHRANĚ Expozice X – nyní se nepoužívá v radiační ochraně definována jako množství náboje vytvořeného ionizačním zářením ve vzduchu definována jen pro vzduch a X a gamma záření měří se v C(coulomb)/kg stará jednotka rentgen R = 2.58 x 10-4 C/kg air

VELIČINY A JEDNOTKY V RADIAČNÍ OCHRANĚ Absorbovaná dávka D Definována jako střední hodnota energie sdělená látce o jednotkové hmotnosti v terči z libovolného materiálu Používá se pro všechny druhy záření Jednotkou je Gray (Gy) = 1 Joule/kg Stará jednotka byla rad = 0.01 Gy

INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S ŽIVOU HMOTOU Fáze Proces Trvání Fyzikální Absorbce energie, ionizace 10-16 s Fyzikálně-chemická Interakce iontů s molekulami, tvorba volných radikálů 10-6 s Chemická Interakce volných radikálů s molekulami, buňkami a DNA Sekundy Biologická Smrt buněk, změny v genetických datech buněk, mutace desítky minut až desítky let

Dva základní účinky : Radiační účinky Deterministické: k biologickému poškození dochází až po překročení prahové dávky – s dávkou narůstá míra poškození Stochastické : pravděpodobnost účinků narůstá s dávkou – účinky jsou bezprahové

Deterministické účinky Ex. prahová dávka pro vyvolání účinků Intenzita účinků je závislá na dávce Akutní nemoc z ozáření, nausea, katarakta, epilace, erythema, nekrózy, poškození plodu, sterilita…. Tkáň Účinek Prahová dávka [Gy] ovaria sterilita 2,5 – 6 varlata   dočasná sterilita 0,15 trvalá sterilita 3,5 – 6 čočka opacita 0,5 - 2 katarakta 5 kůže   erytém 3 - 5 nekróza

Deterministické účinky Muž, 40let, 1 koronární angiografie, 1 PTCA, další koronární angiografie pro komplikace a nakonec bypass chirurgie. To vše v jednom dni … 6 týdnů 20 týdnů

DETERMINISTICKÉ ÚČINKY 20 měsíců

Účinky IoniZujícího záření na embryo a fetus Stáří Práh letálních účinků (mGy) Práh rychlosti růstu malformací 1 den 100 žádný efekt 14 dní 250 - 18 dní 500 250-500 28 dní >500 50 dní >1000 50 dní - narození

Ekvivalentní dávka HT bere v úvahu účinek konkrétního záření na tkáň – použitím radiačního váhového faktoru wR (o hodnotách od 1 do 20 podle tabulky ) DTR je absorbovaná dávka v orgánu nebo tkáni v Gy jednotkovu je Sievert [ Sv ] – rozměr shodný s Gy Stará jednotka je rem = 0.01 Sv

Radiační váhové faktory

Stochastické účinky Praděpodobnost účinku Příklady : karcinogenese leukaemogenese Dávka

Efektivní dávka E bere v úvahu různou citlivost různých tkání na záření - použitím tkáňového váhového faktorus wT HT – ekvivalentní dávka v orgánu nebo ve tkání v Sv měří se v Sievertech [ Sv ] používá se více orgánů je ozářeno různou dávkou, nebo někdy když je orgán ozářen jediný Efektivní dávka se používá k lepšímu popisu biologické odpovědi na ozáření, kdy různé tkáně nebo orgány obdržely různé dávky

NOVÉ HODNOTY TKÁŇOVÝCH VÁHOVÝCH FAKTORŮ UVEDENÉ V NOVÉM DOPORUČENÍ ICRP 103 Tkáň nebo orgán wT (ICRP 60) dosud wT (ICRP 103) nové gonády 0,20 0,08 červ. kostní dřeň 0,12 střevo žaludek moč. měchýř 0,05 0,04 plíce prsa játra jícen štítná žláza kůže 0,01 povrchy kostí slinná žláza - mozek zbytek součet 0,05 součet 0,12

Veličiny a jednotky v radiační ochraně Ekvivalentní dávka HT  zajišťuje dostatečnou ochranu před deterministickými účinky IZ Efektivní dávka E před stochastickými účinky IZ

VELIČINY A JEDNOTKY V RADIAČNÍ OCHRANĚ Kolektivní dávka Používá se k měření totálního dopadu ozáření vyplývajícího z nakládání se zdroji záření na všechny ozářené osoby Např. vliv diagnostické radiologie nebo nukleární medicíny Měří se v man-sievert (man-Sv)

Principy radiační ochrany Cílem radiační ochrany je vyloučení deterministických účinků ionizujícího záření a snížení pravděpodobnosti stochastických účinků na rozumně dosažitelnou úroveň Zdůvodnění Optimalizace – ALARA (velikost individuálních dávek, počet ozářených osob a pravděpodobnost ozáření mají být tak nízké, jak lze rozumně dosáhnout při respektování hospodářských a sociálních hledisek) Limitování

Základní limity Nejsou přímo měřitelné  byly zavedeny odvozené limity   efektivní dávka *) ekvivalentní dávka oční čočka 1 cm2 kůže ruce, nohy **) obecné limity 1 mSv/1 rok, 5 mSv/5 let 15 mSv 50 mSv radiační pracovníci 50 mSv/1 rok, 100 mSv/5 let 150 mSv 500 mSv studenti a učni (16-18let) 6 mSv   *) součet efektivních dávek ze zevního ozáření a úvazků efektivních dávek z vnitřního ozáření **) ruce od prstů až po předloktí a na nohy od chodidel až po kotníky Nejsou přímo měřitelné  byly zavedeny odvozené limity

Odvozené limity Měřitelné nebo jednoduše vypočítatelné, zaručují nepřekročení základních limitů 1) OL pro vnější ozáření Osobní dávkový ekvivalent v hloubce d [mm] Hp(0,07) - odhad HT, 500 mSv/rok Hp(10) - odhad E, 20mSv/rok

2) OL pro vnitřní ozáření Odvozené limity 2) OL pro vnitřní ozáření Jsou stanoveny konverzní faktory h [Sv/Bq] - převádí příjem daného radionuklidu vyjádřený v aktivitě [Bq] na hodnotu v Sv hing - pro příjem daného radionuklidu požitím (ingescí) hinh - pro příjem daného radionuklidu vdechnutím (inhalací) Při současném zevním i vnitřním ozáření lze OL sčítat

měsíční monitorovací cyklus Dozimetry měsíční monitorovací cyklus okamžité stanovení – elektronický dozimetr filmové dozimetry osobní dozimetry OLS prstové TLD dozimetry

Vnitřní ozáření Při vniknutí radionuklidu do těla dochází k ozařování tkání dokud není vyloučen nebo se nerozpadne. Ozáření je rozloženo v čase  depozice energie se uskutečňuje v souladu s přeměnou radionuklidů Zjišťování vnitřní kontaminace – celotělový detektor Polovodičový HPGe detektor ve stíněné kobce

Legislativa ČR v oblasti Radiační ochrany ATOMOVÝ ZÁKON č. 18/1997 ve znění zákona č. 13/2002 Vyhláška SÚJB č. 307/2002 o radiační ochraně (ve znění č. 499/2005) SÚJB, SÚRO, SÚRAO

ATOMOVÝ ZÁKON č. 18/1997 ve znění zákona č. 13/2002

Vyhláška SÚJB č. 307/2002 ve znění vyhlášky č Vyhláška SÚJB č. 307/2002 ve znění vyhlášky č. 499/2005 o radiační ochraně

Kategorizace pracovišť Klasifikace zdrojů Kategorizace pracovišť Nevýznamné Drobné Jednoduché Významné Velmi významné I. kategorie (imunologická laboratoř, kostní denzitometr) II. kategorie (ambulance NM) III. kategorie (urychlovače, ozařovače v radioterapii a průmyslu, terapie radiojodem) IV. kategorie (jaderné reaktory, výrobny radionuklidů, úložiště radioaktivních odpadů)

Sledované a kontrolované pásmo Sledované pásmo vymezuje se všude tam, kde se očekává, že efektivní dávka by mohla být vyšší než 1 mSv ročně nebo ekvivalentní dávka by mohla být vyšší než 1/10 limitu ozáření pro radiační pracovníky pro oční čočku, kůži a končetiny zajistit monitorování pracoviště Kontrolované pásmo vymezuje všude tam, kde by efektivní dávka mohla být vyšší než 6 mSv ročně nebo kde by ekvivalentní dávka mohla být vyšší než 3/10 limitu ozáření pro radiační pracovníky pro oční čočku, kůži a končetiny zabezpečeno proti vstupu nepovolaných osob, zákaz vstupu těhotných žen a osob mladších 18 let pracovníci kat. A, osobní monitorování, ochranné pomůcky, hygienické smyčky

Ochranné pomůcky

Průměrná roční dávka v mSv z přírodních zdrojů v evropských zemích

PROCENTUÁLNÍ ZASTOUPENÍ JEDNOTLIVÝCH SLOŽEK OZÁŘENÝCH LIDÍ VE SPOJENÉM KRÁLOVSTVÍ

Rozložení přírodní radioaktivity v ČR

Individuální opravy ročních dávek

přednášky z radiační ochrany Konec přednášky z radiační ochrany