Μονάδες Έκθεσης Ακτινοβολίας και Δοσιμετρία Μαρίνος Γ. Μεταξάς PhD MIPEM Ακτινοφυσικός - Υπεύθυνος Ακτινοπροστασίας Τμήμα PET-CT Κέντρο Κλινικής, Πειραματικής Χειρουργικής και Μεταφραστικής Έρευνας Ίδρυμα Ιατροβιολογικών Ερευνών της Ακαδημίας Αθηνών ΙΙΒΕΑΑ email: mmetaxas@bioacademy.gr ΔΔΠΣ ΕΝΔΑΓΓΕΙΑΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ 9-2-2018

Σκοπός της παρουσίασης Η Ακτινολογία ασχολείται με την εφαρμογή της ακτινοβολίας στο ανθρώπινο σώμα για διαγνωστικούς και θεραπευτικούς σκοπούς. Για τον σκοπό αυτής της ομιλίας θα επικεντρωθούμε στην Ιοντίζουσα Ακτινοβολία και την χρήση της στην Ιατρική πράξη. Η Ακτινοβολία αυτή ονομάζεται έτσι λόγω της ικανότητας της να προκαλέσει ιονισμό σε άτομα κ μόρια. Σκοπός της παρουσίασης Να εισαγάγει βασικές έννοιες της Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας: Οι μονάδες μέτρησης (Radiological Units) της ραδιενέργειας και η σημασία τους. Για να βελτιωθεί η κατανόηση της ακτινοβολίας - τι είναι και πώς αλληλοεπιδρά. Να παρέχει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την ακτινοβολία για τους επαγγελματικά εκτιθέμενους στην Ιατρική πρακτική (επεμβατικούς αγγειοχειρουργούς, τεχνολόγους κλπ).

Πηγές Ακτινοβολίας για Ιατρικές Πρακτικές Φυσικές Πηγές Ράδιο-ισότοπα: πηγές εκπομπής ακτινών γ (gamma rays) Πυρηνική Ιατρική: Διαγνωστική: 99mTc, 18F. Ακτινοθεραπεία: Ακτινοθεραπεία με ισότοπα:131I, 90Y, 177Lu Βραχυθεραπεία: 192Ir Co 60 (Κοβάλτιο) Τεχνητές Πηγές Λυχνία παραγωγής ακτινοβολίας Χ (X-rays) Ακτινοδιαγνωτική: Συστήματα απεικόνισης Αξονικός Τομογράφος Ακτινογραφικό Ακτινοσκοπίκο (C-arm) Ακτινοθεραπεία: Γραμμικός Επιταχυντής LINAC Cyberknife / Tomotherapy

Μονάδα Μέτρησης Ενέργειας Φωτονίων Ακτίνες γ: keV (Becquerel 1896) Προέρχονται κυρίως από διεργασίες διέργεσης εντός ενός ασταθούς πυρήνα (ενός ισοτόπου). Η εκπομπή τους γίνετε σε μια συχνότητα με αποτέλεσμα η ακτινοβολία τους είναι μονοχρωματική. Ένα ισότοπο μπορεί να ακτινοβολεί σε πολλές αλλά συγκεκριμένες συχνότητες, η ένταση των οποίων είναι πάντα σε συνάρτηση με τον χρόνο ημίσειας ζωής του συγκεκριμένου ισότοπου (Half Life Τ1/2). Ακτίνες Χ: kV (Roentgen 1885) Οι ακτίνες Χ παράγονται κυρίως από την αλληλοεπίδραση (πέδηση) ενός ηλεκτρονίου (– φορτίου) με τον πυρήνα ενός ατόμου του παρεμβαλλόμενου υλικού (στόχος (↑Ζ) στην περίπτωση της λυχνίας Χ). Σε αυτή την περίπτωση οι ακτινοβολία είναι πολυχρωματική (εκπέμπεται δλδ. σε πολλές συχνότητες - Φάσμα) x-ray e- Ισότοπο Ενέργεια keV Τ 1/2 99mTc 140 6 ώρες 18F 511 110 λεπτά 192Ιr ~380 74 ημέρες Brehmstrahlung – Ακτινοβολία Πέδησης

Ενέργεια κ Ενεργότητα της Ακτινοβολίας Ο ρυθμός της εκπομπής των φωτονίων γ καθορίζεται από την μάζα του ισότοπου που εκπέμπει την ακτινοβολία. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα τόσο μεγαλύτερη είναι η Ενεργότητα του ισοτόπου άρα κ η εκπομπή φωτονίων (της οποίας ο ρυθμός καθορίζεται από τον χρόνο υποδιπλασιασμού του Τ1/2 ). Η μονάδα SI μέτρησης της ενεργότητας ενός ραδιοϊσοτόπου είναι το Becquerel (Bq) και ισούται με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο. 1 Bq = 1 διάσπαση/sec. Η παλαιότερη μονάδα μέτρησης είναι το Curie (Ci) Και ισούται με 3.7 x διασπάσεις / sec Ήτοι 1mCi = 37MBq 1015 H. Becquerel 1852 - 1908 M. Curie 1867 - 1934 Για τις τεχνητές πηγές η ένταση της ακτινοβολίας Χ καθορίζεται από τις παραμέτρους λειτουργιάς της λυχνίας (kV , mAs, Filtration). Η ενέργεια των καθορίζεται από την διαφορά δυναμικού τάσεως της λυχνίας (kVp). Κατά γενικό κανόνα Φ (ροη φωτονίων Χ) ~ mAs και Φ ~ kV2

Έκθεση – Exposure X Έκθεση είναι η μέτρηση του ιονισμού που παράγεται στον ΑΕΡΑ από ακτινοβολία γ ή X. Πρόκειται για το άθροισμα όλων των ηλεκτρικών φορτίων που παράγονται όταν όλα τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από την ακτινοβολία ενός όγκου αέρα (σταματήσουν εντελώς στον όγκο αυτόν) διαιρούμενο δια της μάζας του αέρα μέσα στον όγκο αυτόν. Χ = dQ / dm Q = Σ(φορτίων) , m = μάζα του όγκου του αέρα Η μονάδα μέτρησης είναι Coulomb/kg (C/kg) σαν μονάδα SI Συχνά όμως χρησιμοποιείται η παραδοσιακή μονάδα μέτρησης που είναι το Roentgen (R) 1 R = 2.58 x C/kg 10-4

Απορροφούμενη Δόση – Absorbed Dose D Απορροφούμενη Δόση είναι ο υπολογισμός της ενέργειας που εναποτίθεται σε κάθε υλικό μέσο από οποιασδήποτε τύπο ακτινοβολίας. Η απορροφούμενη δόση είναι μετρήσιμη, μπορεί δλδ να μετρηθεί με κατάλληλα όργανα. D = dE /dm E = Ενέργεια, m = μάζα D = J/kg και η μονάδα SI μέτρησης είναι το Gray (Gy) Στις ΗΠΑ χρησιμοποιείται ακόμα η παλαιότερη μονάδα μέτρησης rad (Roentgen Absorbed Dose) η οποία ισοδυναμεί με 10mGy ήτοι: 1 Gy = 100 rad.

Ισοδύναμη Δόση – Equivalent Dose ΗEq Ισοδύναμη δόση είναι μια ποσότητα που λαμβάνει υπ’όψιν την «ποιότητα ακτινοβολίας», η οποία σχετίζεται με το βαθμό στον οποίο ένας τύπος Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας παράγει βιολογικές βλάβες. Η Ισοδύναμη δόση προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό της απορροφούμενης δόσης από Ακτινοβολία με τον συντελεστή στάθμισης ή συντελεστής ποιότητας. Ισοδύναμη Δόση Η = Απορροφούμενη Δόση x Συντελεστή Ποιότητας H = D x WR (Quality Factor) Η Μονάδα SI μέτρησης της Ισοδύναμης δόσης είναι το Sievert (Sv). Επί της ουσίας το Sv είναι η ΙΔΙΑ μονάδα μέτρησης με το Gy αφού ο συντελεστής ποιότητας της ακτινοβολίας είναι αριθμητικός συντελεστής χωρίς διαστάσεις. Μια φυσική παράμετρος που καθορίζει την ποιότητα αυτή είναι η Γραμμική Μεταφορά Ενέργειας (LET) κ εκφράζεται σε keV/μm. Αφορά τον ρυθμό με τον οποίον ένα ιονίζον σωματίδιο εναποθέτει ενέργεια κατά μήκος της διαδρομής του. Ακτινοβολία Χ,γ,e n, p α Συντελεστής Ποιότητας WR 1 5-20 20 Για την ακτινοβολία Χ κ γ ο συντελεστής στάθμισης είναι 1, άρα Η = D

Ενεργός Δόση – Effective Dose Eeff Κάθε τύπος ανθρωπίνου ιστού δεν έχει την ίδια αντίδραση ή ευαισθησία όταν εκτεθεί σε ιοντιζουσα ακτινοβολία. Αυτό σημαίνει ότι για την ίδια απορροφουμενη δόση η βιολογική βλάβη δεν είναι η ίδια για κάθε τύπο ιστού. Ενεργός δόση άρα είναι το άθροισμα των σταθμισμένων ισοδύναμων δόσεων από εσωτερική ή/και εξωτερική ακτινοβόληση σε όλους τους ιστούς κ τα όργανα του σώματος. Eeff = ΣΤ (HT x WT) Όπου HT είναι η ισοδύναμη Δόση στον ιστό Τ και ο συντελεστής στάθμισης για τον ιστό Τ = wΤ Η μονάδα μέτρησης της Ενεργούς Δόσης Ε είναι το Sievert (Sv). Η παλαιότερη μονάδα μέτρησης ήταν το rem (Roentgen Equivalent Man) και ορίζεται ως 1 Sv = 100 rem 1 Gy = 1 Sv μόνο για φωτόνια και ηλεκτρόνια, όχι για πρωτόνια κ νετρόνια

Ένα απλό παράδειγμα…

Δοσιμετρία - Dosimetry Δοσιμετρία ονομάζεται η διαδικασία ή μέθοδος μέτρησης της δόσης της ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Η απορροφούμενη δόση D είναι η μόνη μετρήσιμη ποσότητα της ακτινοβολίας. Η ενεργός δόση μπορεί μόνο να υπολογιστεί εφόσον υπάρχει μέτρηση της δόσης D. Πως όμως μπορεί να μετρηθεί η απορροφούμενη δόση; Το φωτογραφικό φιλμ είναι ο παλαιότερος τρόπος ανίχνευσης ακτινοβολίας (Bq & R). Ας θυμηθούμε πάλι τον όρο Έκθεση Χ : η ικανότητα της Ακτινοβολίας να ιονίσει τον αέρα. Ο θάλαμος ιοντισμού (ionisation chamber) είναι το πιο σύνηθες μέσο για την μέτρηση της Δόσης. Άλλες μορφές ανιχνευτών ακτινοβολίας: Geiger-Mueller – διασπάσεις – κρούσεις Στερεάς Κατάστασης (Solid State HpGe - CZT) Σπινθηρηστές (NaI) - γ camera TLD (ανιχνευτής θερμοφωταυγείας) – Απφ. Δόση Η μέτρηση του ρεύματος είναι ευθέως ανάλογη με τον ιονισμό του αέρα στον όγκο του θαλάμου.

Σχέση Έκθεσης κ Δόσης Σχέση Ρυθμού Έκθεσης κ Ενεργότητας Είναι δυνατόν να μετρηθεί η αποροφούμενη δόση D από την μέτρηση της Έκθεσης Χ. Η μετατροπή από Χ σε D γίνετε με τον συντελεστή f (F factor) ήτοι: D = f x X Και f(αέρα) = 0.869 Gy/C/kg άρα η απορροφούμενη δόση D στον αέρα όταν εκτεθεί σε 1 C/kg ισούται με 0.869 Gy f values ([Gy] / Ckg-1]) Photon energy Water Bone Muscle 10 keV 0.91 3.5 0.93 100 keV 0.95 1.5 Σχέση Ρυθμού Έκθεσης κ Ενεργότητας Για τις φυσικές πηγές στην Πυρηνική Ιατρική η σχέση Ρυθμού Έκθεσης κ Ενεργότητας A του ραδιοφαρμάκου δίδεται ως εξής: (Ρυθμ. Έκθεσης) ER = (Γ/d2 ) * A όπου d = απόσταση της μέτρησης από την ακτινοβολούσα πηγή και Γ είναι η σταθερά έκθεσης για το συγκεκριμένο ρ/φ. Από την έκθεση μπορεί να υπολογιστεί η ενεργός δόση Η σε συνάρτηση με την ενεργότητα του χορηγημένου ρ/φ για κάθε ηλικία ασθενούς Γ(Ε) 18F FDG 19μSv/MBq 24μSv/MBq 37μSv/MBq 56μSv/MBq 95μSv/MBq Ηλικία Ασθ. Ενήλικας 15 χρ. 10χρ. 5 χρ. 1χρ.

KERMA και Απορροφούμενη Δόση (K vs D) KERMA = Kinetic Energy Released in Matter είναι ένας άλλος όρος της δοσιμετρίας που καθορίζει την μέση κινητική ενέργεια που μεταφέρεται σε φορτισμένα σωματίδια από ΜΗ φορτισμένα σωματίδια σε μια μάζα ιστού dm ήτοι Κ = dEtr / dm Για χαμηλής ενέργειας φωτόνια, το KERMA είναι αριθμητικά περίπου το ίδιο με την απορροφούμενη δόση. Για τα φωτόνια υψηλής ενέργειας είναι μεγαλύτερο από ό, τι η απορροφούμενη δόση, διότι ορισμένα πολύ ενεργητικά δευτερογενή ηλεκτρόνια και ακτίνες-Χ οι οποίες παράγονται από την Ακτινοβολία Πέδησης (Brehmsstrahlung) ξεφεύγουν από την περιοχή ενδιαφέροντος πριν από την κατάθεση της ενέργειας τους. NB: Το KERMA αφορά μόνο ΜΗ φορτισμένα σωματίδια (φωτόνια Χ και γ, νετρόνια). Ακτινοβολία δλδ που δεν εναποθέτει άμεσα την ενέργεια της, αντιθέτως θέτει σε κίνηση ηλεκτρόνια (μέσω σκέδασης Compton και Φωτοηλεκτρικού φαινομένου)

Δοσιμετρία (2) Στην Δοσιμετρία υπάρχουν διαφορετικές δοσιμετρικές ποσότητες (dosimetric quantities) για διαφορετικές Κλινικές πράξεις. Μερικά παραδείγματα προς αναφορά: Ακτινογραφικά, Ακτινοσκοπικά Συστήματα Απεικόνισης – DAP (Dose Area Product) Μαστογραφία – MGD (Mean Glandular Dose) Αξονική Τομογραφία – CTDI (CT Dose Index) – DLP (Dose Length Product) Βραχυθεραπεία – Air KERMA Rate Εξωτερική Ακτινοθεραπεία – More complex quantities. Για τον σκοπό αυτής της ομιλίας (οι παραπάνω ποσότητες χρήζουν μνείας) όχι σε βάθος λόγω της περιπλοκότητας τους.

Όργανα Δοσιμετρίας κ ο ρόλος του Ακτινοφυσικού Όταν πρόκειται για χρήση της ραδιενέργειας στην ΙΑΤΡΙΚΗ πράξη, με γνώμονα πάντα την βιολογική επικινδυνότητα της Ιοντιζουσας Ακτινοβολίας δυο είναι τα τινά για τα όποια ο Ακτινοφυσικού καλείται να παρέχει: Ακτινοπροστασία - δόση στους: Ασθενείς υπέρ – υπό έκθεση Εργαζόμενους - κλινική πράξη Συνοδούς οδηγίες για χορηγημένους ασθενείς Δοσιμετρία-Ποιοτικός Έλεγχος Συστημάτων Η σωστή δόση για τον ασθενή? Βαθμονόμηση οργάνων μετρήσεων κ εν συνεχεία των ακτι/κων συστημάτων Σύστημα Ποιοτικού Έλεγχου – ημερήσιος κ περιοδικός (1μ , 3μ, 6μ) Μετρήσεις υπό σωστές συνθήκες σύμφωνα με διεθνή πρωτοκολλά (ΙΑΕΑ, AAPM, IPEM) Βασίζεται σε όργανα οι μετρήσεις των οποίων πρέπει να είναι αξιόπιστες κ εντός προδιαγραφών κ ανοχής (tolerance)

Όργανα Δοσιμετρίας Ακτινοπροστασία Ποιοτικοι Ελεγχοι – Βαθμονομησεις Δοσίμετρα (TLD, φωτ.φιλμ, ηλεκτρονικά α/α) Μετρητής Geiger Dose Survey meter – Μετρητης Ακτ. Χώρου Ποιοτικοι Ελεγχοι – Βαθμονομησεις Βαθμονομητής ισοτόπου ρ/φ (Dose calibrator) Θάλαμοι Ιονισμού ( Ακτινολογικό Πολύμετρο Ομοιώματα κ Διατάξεις QC

Ανακεφαλαίωση Ενέργεια (E): keV - kV Ενεργότητα (A): Bq – mCi Έκθεση (X): C/kg – R (Roentgen) Απορροφούμενη Δόση (D): J/kg Gy – rad (1Gy = 100rad) Ισοδύναμη Δόση (HEq): J/kg Sv – rem (1Sv = 100rem) Ενεργός Δόση(HEff): J/kg Sv Για τις ενέργεια των φωτονίων ενδιαφέροντος (για επεμβατική ακτινολογία) D = Heq Η Δοσιμετρια είναι η διαδικασία εκείνη που ασχολείται με την φυσική μέτρηση της απορροφούμενης Δόσης D (Gy) στην προσπάθεια να υπολογιστεί η Ισοδύναμη Δόση (αν η ποιότητα της ακτινοβολίας διαφέρει) κ εν συνεχεία της Ενεργούς Δόσης που είναι και ο απώτερος σκοπός της. Η Ακτινοπροστασία τέλος είναι όλες αυτές οι ενέργειες που λαμβάνονται οι οποίες διέπονται από τους κανόνες κ κανονισμούς της στην προσπάθεια να μειωθούν οι δόσεις σε ασθενείς κ επαγγελματικά εκτιθέμενους (ALARA).

Σας ευχαριστώ πολύ για την προσοχή Σας