St 06 Radiologie u.Strahlenschutz

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

WS 2003 / 2004
• Marie Curie (1867 –1934)
– †Leukaemie
• Wilhelm Conrad Roentgen (1845 – 1923)
– †Darmkrebs
• Gustave Béclère (1856 – 1939)
– Pionier der Röntgenstrahlen und
Strahlentherapie
– †Strahlenschäden
Geschichte

WS 2003 / 2004
Schuhgeschäfte (bis 1970)
– „Passt denn der Schuh?“
– Basaliome an der Fußhaut ?
http://www.orau.org/ptp/collection/shoefittingfluor/shoe.htm

WS 2003 / 2004
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

WS 2003 / 2004
Zellzyklus
Synthese-
Phase für DNA
G2-Phase
Mitose-
phase
Proliferierende Zellen
strahlenempfindlich
strahlenresistent
G1-Phase
Nicht proliferierende Zellen
G0-Phase

WS 2003 / 2004
Konsequenzen Strahleninsult
• Erholung
– Zelle gleicht Strahleneffekt durch
Erholung aus
• Unveränderte Teilung
– Zelle in strahlenresistenter
Phase
• Mutation
– Zelle überlebt Bestrahlung und
teilt sich weiter
– Veränderung von genetischem
Material
– Z.B. Induktion von Tumoren u.
genet. bed. Erkrankungen
• Reproduktiver Tod = Mitosetod
– Zelle überlebt Bestrahlung
– Eine oder mehrere Zellteilungen,
stirbt dann
– Ursache:
• Schäden am genet. Material
• Schäden v. Zellorganellen in der
Interphase
• Interphasetod
– Zelle wird zwischen zwei Mitosen
getroffen
• Stirbt innerhalb weniger Stunden
ab
• Apoptose

WS 2003 / 2004
Erholungsvorgänge
• Anfängliche Schäden können
neutralisiert werden
• Auf jeder Ebene (physikalisch,
chemisch, biochemisch, …)
• Erforderliche Reparaturen in
jeder Zelle bei 1 Gy :
– 1000 Einzelstrangbrüche
– 50 Doppelstrangbrüche
– 150 DNA-Vernetzungen (DNA,
Proteinen etc)
– 450 Bulky Lesions
(Mehrfachschäden durch
Radikalnester, irreparabel)
Bemerkung: Jeder zehnte Zellkern wird einmal pro Jahr als Folge der natürlichen
Strahlenbelastung getroffen.

WS 2003 / 2004
Reparaturmechanismen
• Neutralisierung aktiver Radikale
• Reparatur von Schäden in den
Biomolekülen (z.B. „Exzisionsrepair“ bei
Einzelstrangbrüchen)
• Zelluntergang (Apoptose)
• Zellersatz durch Proliferationsanreiz

WS 2003 / 2004
Apoptose
• Programmierter Suizid der Zelle wegen
– Alter
– Irreparabler Schädigung
• Zelluntergang
– Vorraussetzung für Zellerneuerung
– Reparaturmechanismus auf Organebene
• Keine Apoptose (→ „unsterblich“)
– Geschädigte Zellen, Tumorzellen
– Evtl. vom Immunsystem erkannt und vernichtet
– Ursprung für spätere Tumoren

WS 2003 / 2004
Dosis-Effekt-Kurven
• Zellüberlebenskurven
Lineare Skala
Logarithmische Skala
• Linearer Teil (eigentlich
„exponentiell“ wegen
logarithmischer Skala!)
• „Schulter“

WS 2003 / 2004
Interpretation von
Dosis-Effekt-Kurven
• Noch nicht vollständig geklärt
• Schulter
– Reparatureffekte (subletale Bestrahlung)
• Linearer Teil
– räumlich eng benachbarte Doppelstrangbrüche
– Kombination: evtl. Zelltod

WS 2003 / 2004
Welche Zellen sind strahlensensitiver?
• Mit hohem (O2) oder mit niedrigem (N2)
gelöstem Sauerstoff ?
Überlebende
Zellen
Überlebende
Zellen

WS 2003 / 2004
Sauerstoffeffekt
• Zellen sind in Gegenwart von Sauerstoff
2 – 3 mal strahlensensibler als Zellen in
Hypoxie
Überlebende
Zellen
Überlebende
Zellen
• Hinweis auf indirekte Strahleneffekte
O2

WS 2003 / 2004
Sauerstoffeffekt bei Tumoren
• Schnell wachsende Tumore
– Gefäße wachsen nicht schnell genug
– Anoxische Bereiche
• Ansprechen auf Strahlentherapie !
Brown & Giaccia, 1994

WS 2003 / 2004
Cervix-Karzinom
• Besseres tumorfreies Überleben bei
höherem Sauerstoffgehalt im Tumor
Hoeckel
Hoeckel et al, 1996
et al, 1996

WS 2003 / 2004
Hämoglobingehalt
• Bestrahlung von Patienten mit Kopf-
Hals-Tumoren
Lee et al., 1998

WS 2003 / 2004
Strahlentherapie und Rauchen
Overgaard and
Overgaard and Horsman
Horsman, 1996
, 1996

WS 2003 / 2004
Strahlentherapie: Fraktionierung
• Tumore ↔ Normalgewebe
– Tumortherapie erfordert hohe Dosen
– potentielle Schädigung gesunden Gewebes
– Aber: Gesundes Gewebe - schnellere
Reparaturmechanismen
• Mehrfache Bestrahlung mit relativ kleiner
Dosis = Fraktioniert

WS 2003 / 2004
Fraktionierte Bestrahlung
Schnelle Reparatur (Gesundes Gewebe)
Langsame Reparatur (Tumor)
Keine Fraktionierung
Fraktion
Überlebende
Zellen

WS 2003 / 2004
Fraktionierte Bestrahlung
• Beispiel: Bestrahlung Mammakarzinom
nach brusterhaltender OP
– Bestrahlung der Mamma und der
Brustwand mit Elektronen (4 – 6 MeV)
– Gesamtdosis 50 Gy
– Einzeldosis: 1,8 – 2,0 Gy, 5 mal / Woche
– Zu Beginn: 1 Boost 10 – 20 Gy (je nach
Resektionsart), 40-50 cGy / Stunde
http://www.uni-duesseldorf.de/WWW/AWMF/ll/rado-r07.htm

WS 2003 / 2004
Strahlenschutz

WS 2003 / 2004
Internationale
Strahlenschutzkommission (ICRP)
• Empfehlung
– Keine Exposition ohne Erwartung eines messbaren
Nutzens
– ALARA
• Strahlenexposition sollte As Low As Reasonable sein
• Unter Berücksichtigung ökonomischer und sozialer Faktoren
– Äquivalentdosen sollten Grenzwerte nicht
überschreiten

WS 2003 / 2004
Strahlungswirkung
Dosis [Sv] Schwellendosis
Stochastische
Effekte
Nicht-stochastische
(deterministische)
Effekte
Anzahl
Krebsfälle
Anzahl
Mutatitonen
Dosis [Sv]
Organschäden
Teratogene
Schäden
Schwacher Effekt
(z.B. Erythem)
Mittlerer Effekt
(z.B. starkes Erythem)
Starker Effekt
(z.B. Nekrose)
?

WS 2003 / 2004
Deterministische Effekte
• Mit Dosis nimmt Schweregrad des
Schadens zu
• Erst nach Überschreiten einer
Schwellendosis
• Früh- und Spätschäden an Organen
und Geweben
• Teratogene Schäden (Missbildungen)

WS 2003 / 2004
Stochastische Strahlenwirkung
• Wahrscheinlichkeit für Strahlenschäden ist
dosisabhängig
• Bleibende Schäden
– Mutationen, Krebs
– statistisch
– Können von Alter und Organ abhängen
• „unvollkommenen“ Reparaturen eines
Strahlungsschadens
• Begünstigt durch
– Grosse Zellteilungsraten
– Kinder, blutbildendes Gewebe, Darm

WS 2003 / 2004
Abschätzung des stochastischen Risikos
Voraussetzungen
- grosse Populationen
- gute Dosimetrie
- lange Beobachtungszeit
- detaillierte Kenntnisse aller relevanter
Randbedingungen
UNSCEAR United Nations Scientific Committee on the
Effects of Atomic Radiation
NAS National Academy of Science (BEIR-Repport)
ICRU Int. Commission on Radiation Units and
Measurements
ICRP Int. Commission on Radiological Protection
Epidemiologische Analyse seltener Ereignisse

WS 2003 / 2004
Atombombenabwürfe und
-versuche
• Hiroshima (1945)
• Nagasaki (1945)
• Überlebenstraining
amerikanischer
Soldaten (1956)
• Ober und unterirdische
Versuche verschie-
dener Länder (bis
1995)

WS 2003 / 2004
Krebsmortalität in Japan
• 76 000 Personen
• Bis 1985: 6000 an Krebs gestorben, davon sind 340
auf strahleninduzierten Krebs zurückzuführen !

WS 2003 / 2004
Lebenszeitrisiken für
Tumorerkrankungen
• Je 10.000 Personen bei einer Strahlenexposition mit 1 Sv
bei niedriger Dosisleistung

WS 2003 / 2004

WS 2003 / 2004
Hormesis
• Anregung von Zellfunktionen
– Bei sehr niedriger Dosis
→ Entzündungs- und Reizbestrahlung
– Rheumabehandlung in Erzbergwerkstollen
– Radonhaltige Bäder
• Wirkungsmechanismen
– Regulatorische Überkompensation der Zelle
– Anregung von Abwehrmechanismen
– Anregung von Reparaturmechanismen
– Anpassungsprozesse an die ionisierende Strahlung

WS 2003 / 2004
Strahlenschutz
• Empfehlungen der Internationalen
Strahlenschutzkommission (ICRP):
– Zwei Regeln:
• Deterministische (nicht stochastische) Effekte sind
zu vermeiden
• Stochastische Wirkungen sind auf ein akzeptables
Maß zu verringern
– Akzeptabel?
• Sonstige Risiken des täglichen Lebens

WS 2003 / 2004
Risiken des täglichen Lebens
• Statistische Untersuchung
• Quelle: Risikokatalog US-
amerikanischer Versicherungs-
gesellschaften
+125
Verfügbarkeit von
Notarztwagen
+50
Anlegen des
Sicherheitsgurtes
-0,5
1 mSv einmalig
-1
3 mSv einmalig
-3
10 mSv einmalig
-19
1 mSv / Jahr,
lebenslang
Strahlung
-50
Passiv Rauchen
-130
30 % Übergewicht
-1425
-240
Rauchen
-1600
-350
Ledig bleiben
-432
Alkoholismus
weiblich
männlich
∆ Lebenserwartung
(Tage)
Ursache
Kaufmann/Moser/Sauer:
Radiologie, U&S 1996, S. 67

WS 2003 / 2004
Rechtliche Grundlagen
• Röntgenverordnung (RöV)
– Neu: 2002 (http://bundesrecht.juris.de/bundesrecht/r_v_1987)
– Regelt den Umgang mit Röntgenanlagen (und
Störstrahlern)
• Strahlenschutzverordnung (StrlSchV)
– Neu: 2001 (http://bundesrecht.juris.de/bundesrecht/strlschv_2001/)
– regelt den Umgang mit offenen und umschlossenen
Radionukliden, Gammabestrahlungseinrichtungen
und Teilchenbeschleunigern
• Richtlinien, DIN-Normen

WS 2003 / 2004
Kernpunkte RöV
• Ziel: Strahlenbelastung weiter zu senken
– Betreiber von Röntgeneinrichtungen
– Patienten
• Anwendung Röntgenstrahlen am Menschen
– Nur wenn der gesundheitliche Nutzen gegenüber dem
Strahlenrisiko überwiegt
• Grenzwerte effektive Dosis
– Bevölkerung: 1 mSv / Jahr
– Beruflich exponierte: 20 mSv / Jahr
– Berufslebensdosis: 400 mSv (+ 10 mSv / Jahr)
• Fachkunde Strahlenschutz
– Nachweis alle 5 Jahre

WS 2003 / 2004
RöV und Patienten
• Festlegung von Grenzwerten nicht möglich
– Zur sicheren Diagnose erforderliche Bildqualität variabel
(Verfahren, Körperumfang, Körperregion)
• Erforderliche Bildqualität mit möglichst geringen
Strahlenbelastung
• Z.B. CT, Interventionen
– Höhere Exposition, aber größere Diagnosesicherheit
– Hebt Absenkung der Dosis d. technische Entwicklung auf
– Rechtfertigende Indikation: Verzicht auf „unnötige“, also
nicht gerechtfertige Röntgenuntersuchungen

WS 2003 / 2004
Diagnostische Referenzwerte
• Bundesamt für Strahlenschutz
(http://www.bfs.de/ion/medizin/referenzwerte01.pdf)

WS 2003 / 2004
Dosisbegriffe
• Energiedosis [Gy]
– Rein physikalische Größe
• Äquivalentdosis [Sv]
– Berücksichtigt die unterschiedliche
biologische Wirkung verschiedener
Strahlenarten
• Effektive Dosis [Sv]
– Berücksichtigt die unterschiedliche
Strahlenempfindlichkeit
verschiedener Organe

WS 2003 / 2004
Gewebe-Wichtungsfaktoren wR
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

WS 2003 / 2004
Strahlenschutzbereiche
• Überwachungsbereich
– Ziel: unbefugten Zutritt zum Kontrollbereich verhindern
• Kontrollbereich
– Patienten
– dort Beschäftigte (Ausübung Beruf, Ausbildung, zur
Behandlung, Begleitpersonen des Patienten)
– Schwangere nur unter Beachtung strenger Grenzwerte
(1 mSv bis zum Ende der Schwangerschaft)
• Bestrahlungsräume (RöV),
Sperrbereich (nur StrSchV)
– Nur der gerade behandelte Patient
– Keine weitere Person

WS 2003 / 2004
Strahlenschutzbereiche
> 150 mSv
> 45 mSv
> 6 mSv
Kontrollbereich
> 50 mSv
> 15 mSv
> 1 mSv
Überwachungs-
bereich
Organdosis
(pro Jahr)
Haut, Hände,
Unterarme, Füße
und Knöchel
Organdosis
(pro Jahr)
Augenlinse
Effektive Dosis
(pro Jahr)
Bestrahlungsräume, Sperrbereich:
Kontrollbereich mit Ortsdosisleistung > 3 mSv / Stunde

WS 2003 / 2004
Verhalten beim Umgang mit
Ionisierten Strahlen
1. Vermeidung von Röntgenuntersuchungen
2. Aufenthaltszeit
– Schnelles, konzentriertes Arbeiten im
Kontrollbereich

WS 2003 / 2004
Ionisierenden Strahlen
3.A b s t a n d
Abstandsquadratgesetz:
– Die Dosis von Röntgen- und Gammastrahlung fällt
mit zunehmendem Abstand quadratisch
Abstand
• 1m: Dosis 100 %
• 2m: Dosis 25 %
• 4m: Dosis 6 %

WS 2003 / 2004
Ionisierenden Strahlen
4. Abschirmung
– α-Teilchen: werden durch 10cm Luft
abgeschirmt
– Röntgenstrahlung: Zehntelwertdicke
Blei
Aluminium Beton
Blei
Aluminium Beton

WS 2003 / 2004
Noch Fragen ?
• Ab 24.11.2003:
– PD Dr. W. Schreiber
– Geb. 701 / Radiologie
– Tel.: 17-5285
– wolfgang.schreiber@
radiologie.klinik.uni-mainz.de
http://www.klinik.uni-mainz.de/AK/FMRI/Veranstaltungen_fmri.html

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