Fysiologiska effekter av joniserande
strålning
Föreläsning vid Intensivkurs i Medicin
teknisk säkerhet
2013-03-14
Gudrun Alm Carlsson
Vad är joniserande strålning?
Joniserande strålning består av laddade och oladdade partiklar
som förmår att jonisera atomer och molekyler i det bestrålade
mediet
Laddade partiklar: elektroner, protoner, tunga laddade partiklar som
He kärnor (α−partiklar), kol-joner etc
Oladdade partiklar: fotoner, neutroner
Jonisation: en process där en eller flera banelektroner frigörs från sina
atomer eller molekyler
Elektromagnetisk strålning - joniserande och
icke-joniserande
Elektromagnetisk
strålning
Joniserande strålning kännetecknas av hög
frekvens (kort våglängd) och energirika fotoner
Foton: minsta energi bärande enhet
Fotoner som kan jonisera hν > E B
h= Plancks konstant 6.6x106 Js
ν =
c
λ
c=ljusets hastighet i vakuum 3x108 m/s
EB = banelektronernas bindningsenergi
Hur sker en jonisation?
Joniserande strålning kan bilda
joner i det bestrålade föremålet,
så kallad jonisation.
En jonisation kan ske då
strålningen har tillräckligt hög
energi för att frigöra en elektron.
Joniserande strålning i medicinens tjänst
Ljuset är livets moder
Rolf Sievert fysiker bland svenska pionjärer
Röntgen upptäckte röntgenstrålningen 1895
Marie Curie isolerade radioaktivt Ra 1898
Både röntgenstrålning och Ra preparat togs
snabbt i bruk för diagnostik och terapi
Glasfönster Radiumhemmet från 1910
ICRP grundas 1928
Fram till år 1922 hade ett 20-tal
radiologer dött av strålskador
På den svenske fysikern Rolf Sieverts
initiativ grundades den internationella
strålskyddsorganisationen ICRP i
Stockholm 1928
ICRP= International Commission on
Radiological Protection
ICRP ger fortlöpande ut rekommendationer som ligger till grund för nationella lagar
och förordningar om strålskydd
Första Strålskyddslagen i Sverige 1941
Joniserande strålning i vår omgivning
Bestrålning från olika naturliga strålkällor
Stora variationer i bestrålning från
naturliga strålkällor
Minst bestrålning vid vistelse i båt ute på havet
Mindre bestrålning från sedimentära bergarter än från
granit- bäst att bo på Gotland
Bestrålning från kosmisk strålning tilltar med höjden
över havet- inte helt okomplicerat för flygpersonal
Stråldoser i mSv
Joniserande strålning – jämförelse av bidrag från
medicinska och naturliga strålkällor
Fotoners växelverkan med materia
Varje foton ger upphov
till en jonisation
Varje frisatt banelektron
ger upphov till tusentals
jonisationer innan den
stoppas
Elektronernas räckvidder
är korta jämfört med
fotonernas fria
medelväglängder
Frigjord banelektron som bromsas ner genom att jonisera (punkterna=jonpar):
Olika strålslag absorberar partiklar med samma
energi olika mycket
Alfastrålning = 2+He-kärnor från
radioaktivt sönderfall
Betastrålning = elektroner som
skickas ut vid radioaktivt sönderfall
Gammastrålning = fotoner som
skickas ut vid radioaktivt sönderfall
Alfa–strålning påverkar kroppens vävnader om det radioaktiva preparatet
kommer in i kroppen, tex vid inandning av radongas
Beta-strålning kan orsaka hudskador om ämnet hamnar direkt på huden
Gamma-strålning (elektromagnetisk strålning) förmår tränga in i kroppen
Hög- och låg LET strålning
Tätjoniserande strålning (hög-LET)
Glesjoniserande strålning (elektroner)
Jonisationer avbildade i dimkammare
I dimkammaren blir jonisationerna
synliga som vattendroppar då
vattenånga kondenseras till
vatten på jon-paren som bildas
Tätjoniserande
3000-7000 jonpar/mm
Glesjoniserande
6-20 jonpar/mm
Dosimetri
Våra vävnader reagerar på hur mycket
strålningsenergi, som absorberats (hur många
jonisationer som inträffat) i vävnaden
D = dε / dm
dε = absorberad
strålningsenergi
den lilla massan
dm
Den absorberade energin (i vävnadsvolymer av
lika storlek) varierar i olika delar av kroppen
betroende på hur dämpning av strålningen sker
i kroppen (extern bestrålning) och hur de
radioaktiva ämnena fördelar sig i kroppen vid
intern bestrålning
För att beskriva dessa variationer har vi
definierat begreppet
ABSORBERAD DOS, D
Enhet: 1 Gy = 1 J/kg
Absorberade dosen är en storhet som antar ett värde i varje punkt i kroppen.
Det skiljer sig alltså från begreppet dos som vanligen används i medicinska sammanhang
Den joniserande strålningen ger lokala verkningar, som beror av den absorberade dosen i
punkterna i det aktuella området
Överlevnadskurvor-hög och låg LET strålning
Relativ biologisk effekt RBE
RBE= D X / Dα
Alfa-strålning
Alfa-strålning
Röntgenstrålning
Röntgenstrålning
DX och Dα är stråldoser som ger lika
stor andel överlevande celler
Röntgenstrålningen ger större andel
överlevande celler vid samma dos som
alfastrålningen och påverkas av
fraktionering. Reparationsmekanismer
ökar överlevnaden vid fraktionering
Strålskador på DNA molekylen
Basskada under reparation
Enkelsträngsbrott:
Dubbelsträngsbrott
skada i sockermolekylen
Baspar: tymin (T)-adenin (A)
guanin (G)-cytosin (C)
Basskador och enkelsträngsbrott
repareras felfritt – den oskadade DNA
strängen visar vilken information som
ska kodas in vid reparationen
Dubbelsträngsbrott är svåra att
reparera med korrekt information
bevarad
Joniserande strålning kan ge
dubbelsträngsbrott
Bildidé: Gunnar Ahnström
Strålskador vid celldelningen
DNA syntes
Kromosomerna
framträder
a) normal
cell
b) utbyte av DNA sekvenser mellan
två kromosomer men normal
celldelning
c) så stor kromosomstörning att cellen
inte kan dela sig
Celler som lever vidare i modifierad
form (fall b) kan med tiden leda till
att cancer utvecklas genom aktivering
av onkogen eller inaktivering av
tumör-supressorgen
Apoptos = celldöd under ordnade förhållanden
Bildidé: Gunnar Ahnström
Tidsförlopp av skador på cellulär- och organnivå
STRÅLSKYDD
Deterministiska och slumpmässiga skador
Deterministiska skador
Slumpmässiga skador
Frekvens
Risk
Tröskelvärde >1 Gy
100 %
D
• Vid tillräckligt hög dos kommer alla
att utveckla skadan (frekvensen
100%)
• Skadan beror av en omfattande
celldöd i bestrålad vävnad
• Skadans allvarlighetsgrad tilltar med
växande dos
H
• Skadans allvarlighetsgrad
densamma oberoende av dosen
• Risken < 100% då endast celler som överlever
bestrålningen kan orsaka att cancer utvecklas
Dos-effektsamband
Risk som funktion av dos - musmodell
Strålskyddsprinciper
Strålskyddsrekommendationerna består av ett system av
dosvärden
Syftet är att
FÖRHINDRA uppkomst av deterministiska skador
BEGRÄNSA RISKEN för slumpmässiga skador
Strålskyddsmått- ICRP 103 (2007)
Ekvivalent dos
H = wR D
H =organdosen D viktad med den relativa biologiska effekten wR
Ekvivalenta dosen används vid
riskuppskattningar för slumpmässiga
skador (cancer och ärftlig skada)
Enhet: 1 Sv (sievert)
För fotoner och elektroner är
ekvivalenta dosen = organdosen
D mätt i Gy
ICRP Publication 103 (2007)
Strålskyddsmått ICRP 103
Effektiv dos (hela kroppen)
E = ∑ wT H T
T
HT = ekvivalenta dosen för organ T
wT = viktfaktor för organ (organets relativa känslighet för
slumpmässig skada)
∑w
T
T
ICRP Publication 103 (2007)
=1
Effektiva dosen motsvarar den
homogena helkroppsdos som ger
samma totala risk för slumpmässig
skada som den aktuella bestrålningen
med varierande doser till organen
Effektiva dosen är ett mått på den
totala risken att utveckla cancer eller
ärftliga skador
Viktfaktorer för organ
Anger den relativa risken för letal strålningsinducerad cancer i ett organ
Summan av faktorerna är 1
0.01 Hjärna
0.04 Esofagus
0.12 Lunga
Spottkörtlar 0.01
Thyroidea 0.04
Bröst 0.12
0.12 Mage
0.04 Lever
0.04 Blåsa
0.01 Hud
0.12 Övrigt*
Tarm 0.12
Gonader 0.08
Ben-ytor 0.01
Benmärg (röd) 0.12
Strålskyddssektionen US
*binjure, ET, gallblåsa, hjärta, njure, lymfnoder, muskler, mun-slemhinnor, pankreas, prostata, tunntarm, mjälte, tymus, uterus/cervix
Effektiv dos- exempel
Om lungorna bestrålas till 1 mSv (viktfaktor 0,12) så är det samma risk för
slumpmässig skada (att utveckla cancer efterbestrålningen) som om hela
kroppen bestrålats med 0,12 mSv
Deterministiska skador
Akut helkroppsbestrålning
Endast möjligt att rädda den
strålskadade vid doser < 5 Gy
genom terapeutiska åtgärder
Strålskador vid doser >5 Gy leder
till individens död i akut
strålningssyndrom
Stråldoser till röda benmärgen leder till
förlust av vita blodkroppar med ett
minimum efter ca 3 veckor. Orsak till
död är infektioner.
Den som överlever har normal blodbild
efter ca 1 år
Deterministiska skador- akut helkroppsdos
100
Skador på:
Stamceller som genererar nya
blodkroppar slås ut. Efter ca 3 veckor
akut brist på vita blodkroppar
(trombocyter)
Terapi: minimera infektionsrisken
Överlevnad (dagar)
Blod och benmärg
Mag-tarmkanalen
Skador på tarmslemhinnorna.
Död på grund av svåra rubbningar i
elektrolytbalansen
10
Hjärnan
1
10
100
Stråldos (Gy)
Data från SOS-Rapport 1998:13
Strålningseffekter granulocyter
Data från SOS-Rapport 1998:13
Akuta strålskador- Tjernobyl
Kärnkraftshaveri
26 april 1986
Svårighetsgrad Antal till sjukhus
Doser
Antal döda
-25/8‘86
1986
Kiev Kiev
MoskvaMoskva
(Gy) Gy -25 Aug.
-----------------------------------------
4
3
2
1
2
2
10
74
20
21
43
31
6 - 16
4-6
2-4
1-2
21
7
1
29
Deterministiska skador- delkroppsbestrålning
Tröskelvärden (engångsbestrålning)
Hudrodnad 3-8 Gy
Ögonlinsgrumling 2-4 Gy
saknar tröskelvärde??
Lungskador 5-10 Gy (LD50=20-30 Gy om hela lungan bestrålad)
Sköldkörtelskador 10-50 Gy
Hudreaktioner efter engångsbestrålning
3-8 Gy
hudrodnad
5-10 Gy torr hudinflammation
12-20 Gy fuktig hudinflammation
>25 Gy fuktig hudinflammation och vävnadssönderfall
Ögonlinsgrumling- en deterministisk eller
slumpmässig effekt?
ICRP (2011) bedömer att tröskelvärdet bör
sättas till 0.5 Gy
ICRP ”Statement on Tissue reactions”
Approved by the Commission on April 21, 2011
ICRP ref 4825-3093-1464
Har ännu inte fått genomslag i
strålskyddsrekommendationer
Figuren antyder att det eventuellt inte finns
något tröskelvärde eller att om tröskelvärde
finns det ligger i intervallet 0-0.8 Gy
Källa:http://www.rerf.or.jp/radefx/early_e/cataract.html
Slumpmässiga effekter- epidemiologiska data
Atombombsöverlevande från Hiroshima och Nagsaki utgör främsta
informationskällan
LSS- life span study
LNT (Linear-No-Threshold) hypotesen
ICRP utnyttjar LNT hypotesen
vid bedömning av riskerna vid de
små stråldoser (<200 mSv) där
statistiskt signifikanta data saknas
LNT hypotesen
Linjära-icke-tröskel
hypotsen
?
200 mSv
Här har vi problem i strålskyddet
Hur stora är riskerna vid de låga
doserna?
Risk för leukemi och solida tumörer- variation
över tid
Tex hjärt- och kärlsjukdom
Inte väl förstådd mekanism
Bomberna över Hiroshima och Nagasaki fälldes 1945; de överlevande
erhöll i snitt 200 mSv i effektiv dos
Risk för utveckling av leukemi som funktion av
dos till benmärgen
Linjärt dos-respons
samband förenligt med
observerade data från
Hiroshima och Nagasaki
Sköldkörtelcancer bland barn som exponerats
för utsläpp från Tjernobyl
Diagnostiserade thyroida-cancer-fall fram till 1998
bland barn 0-17 år vid exponering (Thernobylolyckan)
300
250
Belarus
Russian Federation
Antal
200
150
Ukraine
Total
100
50
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Bakgrundsfrekevns
År
Dos- responssamband
okänt
Risk för cancerutveckling som funktion av kön
och ålder vid bestrålningen
män
kvinnor
1,8
1,6
RISK (%)
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40
50
60
ÅLDER VID BESTRÅLNING (ÅR)
70
80
Risk för ärftliga skador
Mutationer i bananfluga
Frekvens (%)
10
5
0
Absorberad dos, Gy
0
10
20
30
40
HJ Muller upptäckte 1927 att röntgenstrålning kunde inducera mutationer i bananfluga
Risk för ärftliga skador
Joniserande strålning inducerar inte
nya mutanter. Höga stråldoser till
möss har endast åstadkommit en
ökning av de mutationer som
förekommer spontant. Inga
”strålningsmonster” har uppdagats
Dubblingsdosen är den stråldos som
ger lika många mutationer per
könscell som naturen under en
generationslängd (30 år)
Med glesjoniserande strålning är
Dubblingsdosen
0.3 Gy vid akut bestrålning
1 Gy vid utdragen bestrålning
Ärftlig påverkan generationer framåt
Efter bestrålning med 3 Gy
Våra föräldrar
Våra förfäder
Det känsliga fostret
0-10 dagar efter befruktning
Hög strålkänslighet men skador medför troligen spontan abort
Dag 10-60
Period med dominerande organogenes. Måttlig risk för foster-skador
(skelettdefekter). Kräver doser av minst 100-200 mSv
Vecka 8-15
Utveckling av det centrala nervsystemet (CNS). Risk för allvarliga CNSeffekter, t ex mental retardation (risk ca 40%/Gy). Förhöjd risk kräver
fosterdoser av minst 100 mSv
Risk för allvarlig mental störning
Känslig period för
utveckling av allvarlig
mental störning (IQ<68):
8-15 graviditetsveckan
Från Carlsson och Svensson 2007
Slumpmässiga risker - sammanfattning
Fosterskada
Leukemi + cancer
Ärftlig skada
40/100 per Sv (mental retardation)
5/100 per Sv (dödlig cancer)
10/100 per Sv (incidens)
2/1000 per Sv att få allvarligt skadat
barn eller barnbarn
Risk för utveckling av leukemi och cancer är idag det största problemet när det gäller
personalstrålkyddet
Dosgränser för personer i verksamhet med
joniserande strålning
Förväntas bli sänkt inom kort!
Strålrisker jämfört med andra risker
Strålskyddsambition: yrkesrisken ska vara försumbar jämfört med andra risker
Risknivå säker
industri
Strålrisk vid arbete med joniserande
strålning (b)
Strålrisk naturlig strålning (5 mSv/år)
Bestrålning av personal vid sjukhus
Arbetstagare lämnat in dosimeter
olika många månader
Stråldoser <2mSv per år ej
statistiskt signifikanta
Persondosimetrarna kan inte
mäta stråldoser lägre än
bakgrundsstrålningsdosen
Dostrend- personal vid LiÖ och LiU
Kollektivdos
Individdos medel
Kollektivdos, mSv
600
1,4
1,2
500
1,0
400
0,8
300
0,6
200
0,4
100
0,2
0
0,0
2010
1980
1990
2000
År
Individdos (Hp(10)) medel, mSv
1,6
700
Dosgräns 20 mSv/år
Slut på presentationen
Tack för uppmärksamheten!
