St 04 Radiologie u.Strahlenphysik

WS 2003 / 2004 Wolfgang Schreiber
Hauptvorlesung Radiologie
Grundlagen der
Strahlenphysik und Strahlenbiologie
Wolfgang Schreiber
Sektion für Medizinische Physik, Klinik für Radiologie
Universitätsklinikum Mainz

Überblick
• Ionisierende Strahlung (Radiologie)
– Was ist das?
– Strahlenquellen
– Wechselwirkung mit Materie
• Grundlagen Strahlenbiologie
– Relative biologische Wirksamkeit
– Strahlenschäden

8.11.1895 Wilhelm Conrad Röntgen
• Fluoreszenzschirm leuchtet trotz Abschirmung und in
2m Entfernung
• „X-Strahlen“ („X-rays“)
20.11.1895
Erste Aufnahme
22.11.1895
Frau Röntgen
www.deutsches-museum.de
www.xray.hmc.psu.edu

Ionisierenden Strahlen
• Durchdringen Materie
• Beeinflussen Gewebe
→ Röntgen- und nuklearmedizinische Diagnostik
→ Strahlentherapie
→ Radiobiologie

Was sind ionisierende Strahlen ?
1 Elektronenvolt (eV) = Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen
einer Spannungsdifferenz von 1 V gewinnt
(1 eV = 1,6 x 10-19 J = 3,8 x 10-23 kcal)

Ionisation und Anregung
• Moleküle
– Viele Atome
– Störung der Elektronenhülle
• Energietransfer
– Ionisation: Valenzelektron verlässt Atom
– Anregung: e- wird auf äußere Schale gehoben

Ionisierende Strahlung
• Hat mindestens die Energie, die zur
Ionisierung von Materie erforderlich ist
(im Mittel 34 eV)
• Beispiel: 100 Elektronen (15 MeV)

Arten ionisierender Strahlung
• Teilchen (relativistische Geschwindigkeiten)
– α-Teilchen
(ionisiertes Helium)
– Elektronen (β-Strahlen)
– Positronen
– Neutronen
• Elektromagnetische Wellen
(Lichtgeschwindigkeit, 300.000 km /s)
– Röntgenstrahlen
– γ-Strahlen

Röntgen- und γ-Strahlen
• Röntgenstrahlen
– Elektronenhülle
• γ-Strahlen
– Atomkern
– Höhere Energie als
Röntgenstrahlen

Kernprozesse
U-235
Th-231
α-Teilchen
(Helium-Kern)
Co-60 Ni-60
β-Strahlung
(Elektron)
γ-Strahlung

Entdeckung des Kernzerfalls
• H. Becquerel studiert Filmschwärzung bei Uran-
Fluoreszenz (Sonne) ! Röntgenstrahlen?
• Film wird auch geschwärzt (1896)
– wenn Uran nicht der Sonne ausgesetzt wird
– wenn durch dickes schwarzes Papier abgeschirmt
• „U-Strahlen“

Aktivität
• Anzahl der Zerfallsprozesse / Zeit
• 1 Becquerel = 1 Zerfall /sec
Alte Einheit: 1 Curie = 3,7 x 1010 Bequerel

Aktivität natürlicher Stoffe
1000 Bq
1 kg Granit
2000 Bq
1 kg Kohlenasche
25 mio Bq
1 kg Uran
1 000 000 mio Bq
1 „Exit“ Schild (1970s)
10 000 000 mio Bq
1 kg 50-alter old vitrified high-level nuclear waste
100 mio Bq
Radioisotopenquelle (Strahlentherapie)
70 mio Bq
Radioisotope (Diagnostik)
30 000 Bq
Rauchdetektor (mit Americium)
30 000 Bq
Luft in 100m2 Haus in Mitteleuropa (Radon)
3000 Bq
Luft in 100m2 Haus in Australien (Radon)
1000 Bq
1 kg Kaffee
7000 Bq
Erwachsener Mensch (100 Bq/kg)

Halbwertszeit
• Zeit, in der die Aktivität auf die Hälfte
abgesunken ist
0
200
400
600
800
1000
1200
1 2 3 4
Zeit
Aktivität

Halbwertszeiten
• Zerfallskette von Uran-238
• Quelle der natürlichen
Radioaktivität
• Je kürzer die Halbwerts-
zeit, um so mehr Atome
zerfallen pro Sekunde

Abschirmung
Blei
Aluminium Beton

Halb- und
Zehntelwertsschichtdicke
• Je dicker ein absorbierendes Material ist,
umso weniger ionisierende Strahlung kann
passieren
• Halbwertsschichtdicke = Dicke eines
Absorbers, der die ionisierende Strahlung auf
die Hälfte reduzierte
• Analog: Zehntelwertsschichtdicke

Erzeugung Ionisierender Strahlen
• Radionuklide
• Natürliche Radioaktivität
• Röntgenanlagen
• Teilchenbeschleuniger (Strahlentherapie)
• …

Ionisierende Strahlung
in der Medizin
CT
Durchleuchtung Beschleuniger

Wechselwirkung ionisierender
Strahlung mit Materie (Gewebe)

Primäre
Wechselwirkungsprozesse
• Photoeffekt
• Comptoneffekt
• Paarbildung
• Anregung
• Ionisation
• Bremsstrahlen
• Elastischer und unelastischer Stoß
• Kernprozesse

Photoeffekt
• vor allem bei niedrigen Energien (<50 keV)
• Stark abhängig vom Atomkern (→Röntgen)
Strahlung
Emittiertes
Elektron

28.12.1895 G. Kaiser
• Erste medizinisch indizierte Röntgenaufnahme
• "Nachdem ich vorher schon den Arbeitsgang einer
Aufnahme mit X-Strahlen gesehen hatte, durfte ich
die Aufnahmen machen. Die Expositionszeiten
bewegten sich zwischen 1 1/2 bis 2 Stunden, waren
natürlich verwackelt, aber diagnostisch gut
verwertbar. Es war die Hand eines Forsteleven, der
einen Schrotschuss in der vola manus hatte, [...] die
später oft genannte Doppelzehe eines Mädchens [...]
und eine schlecht geheilte Unterarmfraktur. Es ist
notwendig festgehalten zu werden, dass diese im
alten phys. Universitätsinstitut in der Türkenstrasse
in Wien am 28. Dezember 1895 von mir gemachten
drei Röntgenaufnahmen überhaupt die ersten
medizinischen Röntgenaufnahmen gewesen sind."
http://www.roentgen-museum.de
Photoeffekt !

Comptoneffekt
Strahlung
Strahlung
Emittiertes
Elektron
• vor allem bei mittleren Energien (100 keV … 10 MeV)
• Geringe Abhängigkeit vom Atomkern
(→Strahlentherapie)

Wirkung auf Nukleinsäuren
• Schädigung von Basen (-paaren)
• Reparaturmechanismen
Einzelstrang-
brüche
Doppelstrang-
brüche
Zerstörung der
Wasserstoff-
brücken

Bremsstrahlung
Elektron
Röntgen-
(Brems-)
Strahlung
Wolfram-
Target

Röntgenröhre
Kathode
(-)
Anode (+)
Röntgen-
Strahlung

Grotthus-Draper-Gesetz
• „Von einer auf ein biologisches Objekt
treffenden ionisierenden Strahlung wird
nur der absorbierte Anteil wirksam“

Dosisdefinition
• Dosis = absorbierte Energie / Masse
Einheit: 1 Gray = Gy = 1 J /kg
Gray: englischer Strahlenphysiker und
Strahlenbiologe
Alte Einheit: 1 rad = 1 Gy

Linearer Energietransfer
• Biologische Wirkung ~ Zahl der Ionisationen
• Zahl der Ionisationen entlang des Weges
• Besser:
LET = Mittlerer Energieverlust / Weg
Einheit: keV / µm

LET und Dichte der
Ionisationsprozesse

LET verschiedener Strahlenarten
Energie LET
[MeV] [keV/µm]
• Hoher LET α-Strahlen 5,0 90
Neutronen 6,2 21
Protonen 2,0 17
• Niedriger LET
Röntgenstr. 0,2 2,5
60Co-γ 1,3 0,3
β-Strahlen 2,0 0,3

„Qualitätsfaktor“
• Biologische Wirkung von Strahlenart abhängig
• Qualitätsfaktor:
– Kritischste Schädigungsmöglichkeit (z.B. Augenlinse)
als Bestrahlungseffekt
Strahlenart QF
α-Strahlung 20
Schnelle Neutronen 10
Röntgenstrahlung 1
60Co-γ−Strahlen 1
d.h. 1 Gy Röntgenstrahlung entspricht 0,1 Gy Neutronen

Äquivalenzdosis
• Berücksichtigung des Qualitätsfaktors bei der
Dosisangabe
• Äquivalenzdosis = Energiedosis * QF
• Einheit: 1 Sievert = 1 Sv = 1 J / kg
• 1 Sv Röntgenstrahlen = 1 Sv Neutronen
Alte Einheit: 1 mSv = 100 rem

Mittlere Jährliche Dosis aus
natürlichen Strahlungsquellen
Zum Vergleich: Röntgenthorax: 0,02 mSv
CT Kopf: 2 mSv
Transatlantikflug: 0,05 mSv

Direkte und Indirekte Wirkung
• Kritisches Molekül: z.B. DNS
• Direkte Wirkung:
– Strahleneffekt direkt an der DNS
– Vor allem bei Strahlung mit hohem LET
– Kann zu Zellschädigung führen (Reparatur)
• Indirekte Wirkung
– Radiolyse
– Entstehung freier Radikale, die in die Nähe der DNS
gelangen und dort sekundär Schädigung hervorrufen
– Dominierende Wirkung bei Röntgen- und γ-Strahlung

Radiolyse
• Meist Wasser
– Großteil der Zelle besteht aus Wasser
(1,2 x 107 Wassermoleküle / DNS)
– Entstehung eines freien Radikals
• Einzelnes, ungepaartes Elektron in äusserer
Schale
• hoch reaktiv

Radiolyse
H2O ! H2O + + e-
H2O + + H2O ! H3O+ + OH.
2OH. ! H2O2
• Wasserstoffperoxid ist hochtoxisch
• DNA-Schädigung

Direkte oder Indirekte Effekte ?
• Stets direkte und indirekte Effekte
• Ca. 2/3 der biologischen Effekte von
Röntgenstrahlen wird durch indirekte
Strahlenwirkung verursacht

Strahlenbiologische
Wirkungskette

Biologische Effekte
• Nicht selektiv für bestimmte Zellen
• nicht von anderen Ursachen
unterscheidbar (z.B. Chemikalien, Hitze)
• Latenzzeit
– Kein Strahleneffekt nachweisbar
– Minuten … Jahrzehnte
– Von Zelltyp und Dosis abhängig

Biologische Strahlenwirkung
• 4 J., w, Muttermal dorsal
• Bestrahlung 11/1896 (Leopold
Freund, Wien)
• Schmerzhafte Radioepidermatitis
• Permanente Regression
• Normales Leben, gesunder Sohn
• Nach 70 Jahren: Narben, Kyphose,
Keratose, Osteoporose
www.xray.hmc.psu.edu

Strahlenwirkung auf die Zelle
• Zellkern
– DNA-Schädigung
→Chromosomenveränderungen
– Schädigung der Kernmembran
• Zytoplasma
– Viskositätsänderung (Proteine!)
– „Röntgenbläschen“ (Vakuolen)
• Zellmembran
– Durchlässigkeit
– Potentialänderungen →Ausfall der
Reparatursysteme
• Mitochondrien
– Störung der Atmungskette der
Enzyme
– Vakuolisierung
• Zentriol
– Störung der Mitose

Chromosomenabberationen
• Bestrahlung führt bei Chromosomen zu
– Instabilitäten
– Brüchen
• Verbindung mit den Enden anderer Chromosomen
• Unterschiedliches Verhalten
– Verbindung in Originalkonfiguration
– Deletion
– Verbindung mit anderen Chromosomenfragmenten

Beispiele
Dizentrisch+Fragment Zentrischer Ring

Dosis-Effekt-Kurven
Radiobiology for the Radiologist, pg 30 The use of Chromosomal Aberrations in Human
Lymphocytes for Biological Dosimetry, pg S41

Literatur
• Klinische Strahlenbiologie
• Th. Herrmann, M. Baumann
Gustav Fischer, Jena
3. Auflage, 1997 (ca. 19,95 €)

Noch Fragen ?
• PD Dr. W. Schreiber
• Geb. 701 / Radiologie
• Tel.: 17-5285
• wolfgang.schreiber@
radiologie.klinik.uni-
mainz.de

St 04 Radiologie u.Strahlenphysik

Recommended

Recommended

More Related Content

More from Wolfgang Geiler

More from Wolfgang Geiler (20)

St 04 Radiologie u.Strahlenphysik