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Anhang 1:

Dosimetrische Grundlagen

Problem: Wie kann man die Wirkung unterschiedlicher

Strahlungsarten berücksichtigen

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Energiedosis D

• Die Energiedosis D ist die mittlere Energie , die durch ionisierende Strahlung auf das Material im Volumenelement dV mit der Masse dm = dV übertragen wird.

• Die Einheit von D ist: Gray (Gy), 1 Gy = 1 J kg-1

Ed

V

E

m

ED

d

d1

d

d

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Wirkungen bei hoher Dosis

• Dosis Latenz- betroffenes Überlebens- Todes-

• Gy zeit Organ chance ursache

• < 1 5 h Knochenmark sehr gut

• 1 – 2 3 h Knochenmark gut Infektion

• 2 – 10 ~1 h Knochenmark unsicher Infektion

• Blutungen

• 10-15 0,5 h Darm sehr schlecht Darmschäden

• > 50 min Nervensystem keine Hirnoedem

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Dosis-Wirkungsbeziehung

• Bei der deterministischen Strahlungswirkung existiert ein Schwellenwert. Oberhalb der Schwelle steigt der Schweregrad des Schadens mit der Dosis

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Stochastische Schäden

• Neben deterministischen Schäden gibt es stochastische Schadensfälle, die zum Teil erst nach einer langjährigen Latenzzeit auftreten.

• Bei den stochastischen Schäden ist nicht der Schweregrad des Schadens, sondern die Wahr-scheinlichkeit des Schadenseintritts proportional zur Strahlungsdosis.

• Der Verlauf der Dosis-Wirkungsbeziehung bei kleinen Strahlungsdosen ist sehr unsicher!!!

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Dosis-Wirkungsbeziehung bei stochastischen Schäden• Mögliche Zusammenhänge• a linear• b quadratisch• c linear-

quadratisch• d supralinear• e biopositiv

Im Strahlenschutz

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Wie unter-scheiden sich verschiedene Strahlungs-arten

• L bezeichnet den linearen Energie-verlust eines geladenen Teilchens.

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Darstellung einer Zellen

• 1 - Zellmembran, 2 – Grundplasma, 3 – Kern-membran, 4 – Zellkern, 5 – Chromosom, 6 – Zell-organellen

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Ionisations-spuren in Nukleosomen und in DNA

• Lockere Ionisier-ungsdichte e führt seltener zu irreparablen DNA Schäden (Doppelstrangbrüchen) als die dichtere Spuren der -Teilchen

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Stochastische Verteilung der Energie in kleinen Volumina

• Die Verteilung der spezifischen Energie z = e/m als Funktion von m

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Abschätzung des Zellvolumens

• Zellen und deren besonders strahlenempfindliche Bereiche (Zellkerne) können unterschiedliche Größe haben. In der folgenden Abschätzung verwenden wir für das Zellvolumen:

• VZ = 18 * 18 * 18 µm3 = 5832 µm3 = 5,8 10-15 m3

• Für das Zellkernvolumen:• VZK = 4 * 4 * 4 µm3 = 64 µm3 = 6,4 10-17 m3

• Zellkernvolumen geteilt durch Zellvolumen:• VZK/VZ = 1,1%

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Abschätzungen der Zelltreffer

• Das Volumen VP einer Person solle 70 l betragen. Die Anzahl der Zellen ist dann:

• NZ = VP/VZ = 70 10-3 m3/ 5,8 10-15 m3 = 1,2 1013

• Elektronen deponieren die mittlere Energie:• E = 0,5 keV µm-1 * 18 µm = 9 keV = 1,4 10-15 J• Die mittlere Jahresdosis beträgt: • D = 3 mGy in 70 kg pro Jahr. • Es folgt: E = D * M = 3 * 10-3 * 70 J = 0,21 J• Es werden NTZ = 1,5 1014 Zellen getroffen.

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Abschätzung der Zellkerntreffer

• Das Zellkernvolumen ist 1% des Zellvolumens.

• Die Zahl der Zellkerntreffer ist also:

• NTZK = NTZ * 0,01 = 1,5 10-12

• Ein Vergleich mit der Gesamtzahl der Zellen (1,2 1013) zeigt, dass etwa jeder zehnte Zellkern einmal pro Jahr als Folge der natürlichen Strahlungsbelastung getroffen wird.

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Zeitliche Verteilung

• Simulation der zeitlichen Verteilung der durch Unter-grundstrahlung im Zellkern deponierten Energiedosis

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Folgerungen

• In den Zellen müssen Mechanismen existieren, die es ermöglichen, die Schäden, die bei einem Treffer durch ein geladenes Teilchen entstehen, mit großer Effektivität zu reparieren.

• Die deterministischen Schäden treten erst bei etwa 1000 mal höherer Dosis auf.

• Bei großer Dosis wird jeder Zellkern etwa einhundert mal getroffen. Diese Schäden sind dann irreparabel.

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Stochastische Schäden• Stochastische Schäden resultieren aus unvollkom-

menen „Reparaturen“ eines Strahlungsschadens.

• Bleibende Schäden treten statistisch auf und können vom Alter und den Organeigenschaften abhängen.

• Große Zellteilungsraten begünstigen stochastische Schäden (Kinder, blutbildendes Gewebe, Darm).

• Die wahre Trefferzahl kann vom Mittelwert abweichen. Mehrere gleichzeitige Treffer ergeben größere, zum Teil nicht reparable Schäden.

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Einfluß der Strahlenart• Die Abschätzung der Energiedosis in µm3

großen Volumina hat gezeigt, dass diese (in kleinen Volumina) bei Protonen und -Teilchen (beides sind Sekundärteilchen von Neutronen) etwa 10 bis 30 mal größer sein kann als bei Elektronen (Sekundärteilchen der Photonen = -Strahlung oder Röntgenstrahlung).

• Folgerung: Neutronen sind bei kleinen mittleren Dosen etwa 10 bis 30 mal wirksamer als Photonen.

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Äquivalentdosis H• Die Abschätzungen zeigen, dass bei gleicher

Energiedosis die Wirkung verschiedener Strahlenarten unterschiedlich sein kann.

• Man verwendet einen Qualitätsfaktor Q, um die unterschiedliche Wirkung zu „korrigieren“.

• Die Äquivalentdosis ist definiert als:

• Die Einheit von H ist: 1 Sievert = 1 Sv = 1 J kg-1

LDLQDQH L d)(

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Der Qualitätsfaktor Q(L)

• Die Größe L bezeichnet den linearen Energieverlust eines geladenen Teilchens.

• L entspricht (näherungs-weise) der Spurdichte der erzeugten Ionenpaare.

• Der Qualitätsfaktor Q(L) wird (im wesentlichen) durch das L bestimmt.

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Dosisgrößen

• Bei hohen Strahlungsdosen (medizinische Therapie) wird die Energiedosis D verwendet. Der Radiologe appliziert dem Patienten individuell eine für die spezielle Erkrankung und die verwendete Strahlenqualität nach klinischen Erfahrungen am besten geeignete Energiedosis D.

• Im Strahlenschutz sollen Dosisgrenzwerte eingehalten werden, die das stochastische Strahlenrisiko unabhängig von der Strahlenart begrenzen. Man verwendet dazu die Äquivalentdosis H (oder andere, verwandte Dosisgrößen).

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Neue Strahlenschutzgrößen

• Im Jahre 1990 hat die internationale Strahlen-schutzkommission neue Dosisgrößen für den Strahlenschutz vorgeschlagen. Mit der Novellierung der Strahlenschutzverordnung im Jahre 2001 werden diese Größen in Deutschland gesetzlich verbindlich vorgeschrieben.

• Grundprinzip: Die Organe tragen unterschied-lich zum Gesamtrisiko bei. Die Unterschiedliche Wirkung der Strahlenarten wird durch Strahlungswichtungsfaktoren berücksichtigt.

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Neue Strahlenschutzgrößen

• 1. Berechnung der Organdosis HT

• Die Organdosis HT,R ist das Produkt aus der

über das Gewebe oder Organ T gemittelten Energiedosis, der Organ-Energiedosis DT,R , die

durch die Strahlung R erzeugt wird, und dem Strahlungs-Wichtungsfaktor wR.

RT,RRT, DwH

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Neue Strahlenschutzgrößen

• Besteht die Strahlung aus Arten und Energien mit unterschiedlichen Werten von wR, so werden die einzelnen Beiträge addiert. Für die gesamte Organdosis HT gilt dann:

• Die Einheit der Organdosis ist das Sievert (Einheitenzeichen Sv).

R

DwH RT,RT

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Neue Strahlenschutzgrößen Strahlungs-Wichtungsfaktor wR

• Photonen, alle Energien 1• Elektronen und Myonen, alle Energien 1• Neutronen, Energie < 10 keV 5• 10 keV bis 100 keV 10• > 100 keV bis 2 MeV 20• > 2 MeV bis 20 MeV 10• > 20 MeV 5• Protonen, außer Rückstoßprotonen, Energie > 2 MeV 5• Alphateilchen, Spaltfragmente, schwere Kerne 20 

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Neue Strahlenschutzgrößen

• 2. Berechnung der effektiven Dosis E• Die effektive Dosis E ist die Summe der

Organdosen HT, jeweils multipliziert mit dem zugehörigen Gewebe-Wichtungsfaktor wT. Dabei ist über alle aufgeführten Organe und Gewebe zu summieren.

• Die Einheit der effektiven Dosis ist das Sievert (Einheitenzeichen Sv).

RT

TT

DwwHE RT,RT

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Neue Strahlenschutzgrößen

• Gewebe-Wichtungsfaktoren wT

• Keimdrüsen 0,20

• Knochenmark (rot) 0,12

• Dickdarm 0,12

• Lunge 0,12

• Magen 0,12

• Blase 0,05

• Brust 0,05

• Leber 0,05

• Speiseröhre 0,05

• Schilddrüse 0,05

• Haut 0,01

• Knochenoberfläche 0,01

• Andere Organe oder Gewebe 0,05

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Neue Strahlenschutzgrößen• Für Berechnungszwecke setzen sich andere Organe oder

Gewebe wie folgt zusammen: Nebennieren, Gehirn, Dünndarm, Niere, Muskel, Bauchspeicheldrüse, Milz, Thymusdrüse und Gebärmutter.

• In den außergewöhnlichen Fällen, in denen ein einziges der anderen Organe oder Gewebe eine Äquivalentdosis erhält, die über der höchsten Dosis in einem der 12 Organe liegt, für die ein Wichtungsfaktor angegeben ist, sollte ein Wichtungsfaktor von 0,025 für dieses Organ oder Gewebe und ein Wichtungsfaktor von 0,025 für die mittlere Organdosis der restlichen anderen Organe oder Gewebe gesetzt werden.

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Zusammenfassung• Die Grundgröße zur Abschätzung der Wirkung

von ionisierender Strahlung auf den Menschen ist die physikalisch definierte Energiedosis D.

• Bei großer Strahlungsdosis (Therapie) ist D eine gut geeignete Messgröße.

• Im Strahlenschutz möchte man das unterschied-liche physikalische Verhalten verschiedener Strahlungsarten und die unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe berücksichtigen. Dazu verwendet man die effektive Dosis E.

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Bewertung• Die Energiedosis D ist als physikalische Größe eindeutig

definiert. Die Erfahrung zeigt aber, dass D nur mit Einschränkungen geeignet ist, das durch Strahlung erzeugte stochastische Risiko beschreiben zu können.

• Die effektive Dosis E (auch die Äquivalentdosis H) basieren auf D und wurden eingeführt, um diese Einschränkungen (zum Teil) zu korrigieren.

• Die Strahlungs- und Gewebe-Wichtungsfaktoren, wT und wR, sind Ergebnisse aus physikalischen und strahlen-biologischen Erfahrungen. Sie repräsentieren (als Kompromiss) den derzeitigen Stand der Erkenntnis.

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Beziehung der Größenarten

• Äquivalentdosis H

• H = Q D• Anwendung: Messung

• Ortsdosis

• H*(10)

• Personendosis

• Hp(10)

• Körperdosis• Anwendung: Festlegung

von Grenzwerten

• Organdosis

• Effektive Dosis

R RTRT DwH ,

T TT HwE

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Connection• Prof. Dr. Ulrich J. Schrewe Fachhochschule Hannover (FHH)• (University of Applied Science and Arts)• Verfahrens- und Umwelttechnik im Fachbereich Maschinenbau• Ricklinger Stadtweg 120• D-30459 Hannover•  • Phone (FHH) +49 511 9296-359• (priv.) +49 551 8209951• Fax (FHH) +49 551 9296 99 359• (priv.) +49 551 8209949• E-Mail ulrich.schrewe@mbau.fh-hannover.de• ulrich.schrewe@t-online.de• Web www.stud.fh-hannover.de/~schrewe