Fysiologiska effekter av joniserande strålning

Fysiologiska effekter
av joniserande
strålning
Håkan Gustafsson
Docent och adjungerad lektor i Medicinsk Radiofysik
Verksamhetschef Röntgenkliniken i Norrköping
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
(Bilder från Wikipedia och varian.com)
2016-03-14
2
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Innehåll
• Atomstruktur, elektromagnetisk strålning och joniserande
strålning.
• Växelverkan mellan elektromagnetisk strålning och
materia.
• Växelverkan mellan elektroner och materia.
• Röntgenröret.
• Fysiologiska effekter av strålning.
• Riskuppskattning.
• Strålskydd
3
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Referenser (om inget annat anges)
• P. P. Dendy, B. Heaton. Physics for Diagnostic Radiology.
IoP.
• R. D. Evans. The Atomic Nucleus. McGraw-Hill Book
Company.
• H. C. Ohanian. Modern Physics. Prentice-Hall, Inc.
• C. Nordling, J. Österman. Physics Handbook. Stud. Lit.
• Radiobiology for the Radiologist, E. J. Hall.
• Grundläggande strålsningsfysik, M. Isaksson
4
Atomstruktur, elektromagnetisk
strålning och joniserande strålning
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
J. A. Seibert. X-Ray Imaging Physics for Nuclear Medicine Technologists. Part 1: Basic Principles of X-Ray
Production. J. Nucl. Med. Technol. 32 (2004) 139-147.
2016-03-14
6
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Medicinsk avbildning: ~ 10 keV till 120 keV.
7
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
8
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
9
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
10
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
11
Växelverkan mellan
elektromagnetisk strålning och
materia
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
Proceser
• Elastisk spridning
• Fotoelektrisk effekt
• Comptonspridning
• Parproduktion
2016-03-14
13
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
14
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
15
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
16
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
17
I = I0 ∙ e-µx
Håkan Gustafsson
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
18
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
19
Växelverkan mellan elektroner och
materia
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
21
2016-03-14
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
Energi (keV)
Fotoner, 1/µ (mm)
Elektroner, r (mm)
10
2
0.0024
20
13
0.0083
30
38
0.028
60
49
0.058
80
54
0.096
100
59
0.14
200
73
0.44
22
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
23
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
24
Röntgenröret
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
26
Fysiologiska effekter av strålning
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
Två typer av effekter
• Deterministiska effekter (förutsägbara).
• Stokastiska effekter (slumpmässiga).
2016-03-14
28
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
Deterministiska effekter
• Visar sig med säkerhet vid en viss stråldos.
• Förvärras då stråldosen ökar.
• Kräver höga stråldoser.
• Uppträder kort tid efter bestrålning.
• Kallas även akuta effekter.
• Exempelvis illamående, håravfall och skador på
blodbildande organ.
2016-03-14
29
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Stokastiska effekter
• Man kan bara uttala sig om sannolikheten att skadan
uppkommer.
• Sannolikheten (inte graden av skadan) ökar då stråldosen
ökar.
• Även vid låga stråldoser.
• Uppträder relativ lång tid efter bestrålning.
• Kallas även sena effekter.
• Omfattar cancer och ärftliga skador.
30
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
31
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Oroar vi oss mest för akuta eller sena effekter
på en röntgenklinik?
32
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
33
• Absorberad dos (D). Mäts i gray (Gy).
1 Gy = 1 J/kg.
• Ekvivalent dos (HT). Mäts i sievert (Sv).
1 Sv = 1 J/kg. Ekvivalent dos är viktad
för den relativa biologiska effekten.
Röntgen och γ-strålning har viktfaktor
WR = 1, α-partiklar har WR = 20.
• Effektiv dos (E). Mäts i sievert (Sv).
Effektiv dos är viktad för organens
relativa känslighet.
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
New ICRP recommendations. J. Radiol. Prot. 28 (2008) 161-168.
2016-03-14
34
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
New ICRP recommendations. J. Radiol. Prot. 28 (2008) 161-168.
(Image from: hubpages.com.)
2016-03-14
35
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
36
• Absorberad dos (D). Mäts i gray (Gy).
1 Gy = 1 J/kg.
• Ekvivalent dos (HT). Mäts i sievert (Sv).
1 Sv = 1 J/kg. Ekvivalent dos är viktad
för den relativa biologiska effekten.
Röntgen och γ-strålning har viktfaktor
WR = 1, α-partiklar har WR = 20.
• Effektiv dos (E). Mäts i sievert (Sv).
Effektiv dos är viktad för organens
relativa känslighet.
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
R. Gerschman, D. L. Gilbert, S. W. Nye, P. Dwyer, W. O. Fenn. Oxygen Poisoning and X-irradiation: A
Mechanism in Common. Science 119 (1954) 623-626.
2016-03-14
37
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
M. Isaksson. Grundläggande strålningsfysik. Studentlitteratur.
2016-03-14
38
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
39
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
M. Isaksson. Grundläggande strålningsfysik. Studentlitteratur.
2016-03-14
40
Riskuppskattning
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
http://visithiroshima.net/images/index/slider_dome.jpg
2016-03-14
42
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Riskuppskattningar
• Till stor del baserade på atombomsoffer i Hiroshima och
Nagasaki.
• Relativt höga doser hos ett fåtal måste användas för
riskuppskattningar för stora populationer vid låga doser.
43
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Beräkningar från Hiroshima och Nagasaki
• 91 231 exponerade där stråldos kunde beräknas och som
inkluderas i studien mellan 1950 - 1985.
• 6139 döda i cancer vilket är cirka 507 fler döda än
förväntat.
E.g.: D. L. Preston, H. Kato, K. J. Kopecky , S. Fujita. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors: 8.
Cancer Mortality, 1950-1982. Radiation Research 111 (1987) 151-178.
Y. Shimizu, H. Kato, W. J. Schull. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors: 9. Mortality, 1950-1985:
Part 2. Cancer Mortality Based on the Recently Revised Doses (DS86). Radiation Research 121 (1990)
120-141.
44
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
D. L. Preston, H. Kato, K. J. Kopecky , S. Fujita. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors:
8. Cancer Mortality, 1950-1982. Radiation Research 111 (1987) 151-178.
2016-03-14
45
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
D. L. Preston, H. Kato, K. J. Kopecky , S. Fujita. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors:
8. Cancer Mortality, 1950-1982. Radiation Research 111 (1987) 151-178.
2016-03-14
46
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
D. L. Preston, H. Kato, K. J. Kopecky , S. Fujita. Studies of the Mortality of A-Bomb Survivors:
8. Cancer Mortality, 1950-1982. Radiation Research 111 (1987) 151-178.
2016-03-14
47
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Beräkningar från Hiroshima och Nagasaki
• Ökad risk för dödlig cancer beroende på ålder vid
bestrålning med störst risk för barn.
• Risk för strålningsinducerad cancer beror även på kön.
• Foster är mycket strålkänsliga:
–
0 till 8:e veckan dagar efter befruktning: Ingen risk för mentala skador.
–
8:e till 15:e veckan: Hjärnan utvecklas med celldelning och profilering. Stor risk för mental
retardation eller psykisk utvecklingsstörning. Risk för mental utvecklingsstörning är 40 % per
Gy.
–
Efter 15:e veckan avtar risken för mental utvecklingsstörning.
48
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Beräkningar från Hiroshima och Nagasaki
• Ökad risk för dödlig cancer beroende på ålder vid
bestrålning med störst risk för barn.
• Risk för strålningsinducerad cancer beror även på kön.
• Foster är mycket strålkänsliga:
–
0 till 8:e veckan dagar efter befruktning: Ingen risk för mentala skador.
–
8:e till 15:e veckan: Hjärnan utvecklas med celldelning och profilering. Stor risk för mental
retardation eller psykisk utvecklingsstörning. Risk för mental utvecklingsstörning är 40 % per
Gy.
–
Efter 15:e veckan avtar risken för mental utvecklingsstörning.
49
2016-03-14
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
50
Vilken är rätt ordning? Quiz!
•
En lungröntgen.
•
Ett års vistelse i område i Sverige med
stort radioaktivt nedfall, under första
året efter Tjernobylolyckan.
1. Ett års boende intill ett kärnkraftverk
vid normal drift.
2. En flygresa Stockholm – New York.
3. En lungröntgen.
•
Ett års vistelse i norra Bohuslän.
•
Ett års boende i hus med radonhalten
nära gränsvärdet 200 Bq/m3 luft.
•
En flygresa Stockholm – New York.
5. Ett års vistelse i område i Sverige med
stort radioaktivt nedfall, under första
året efter Tjernobylolyckan.
•
Ett års arbete med maximalt tillåten
yrkesbestrålning.
6. Ett års boende i hus med radonhalten
nära gränsvärdet 200 Bq/m3 luft.
•
Ett års boende intill ett kärnkraftverk
vid normal drift.
7. Ett års arbete med maximalt tillåten
yrkesbestrålning.
Tack till Tuva Öhman, Radiofysik för sammanställning!
4. Ett års vistelse i norra Bohuslän.
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
Exempel på stråldoser
0,005
mSv
Tandröntgen
0,05
mSv
Lungröntgen
0,05
mSv
Flygresa Stockholm-New York
0,2
mSv
Mammografiscreening (4)
3
mSv
Medelsvenskens årsdos (80)
5
mSv
10 minuter genomlysning av buken (100)
6
mSv
DT, thorax (120)
10
mSv
DT, buk (200)
12
mSv
PCI (240)
20
mSv
Dosgräns arbetstagare (400)
Tack till Tuva Öhman, Radiofysik för sammanställning!
2016-03-14
51
Strålskydd
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
Strålskydd
• Tid: Vistas i strålning så kort tid som möjligt.
• Avstånd: Strålningen avtar med kvadraten på avståndet.
• Skydd: Använd strålskydd om möjligt
53
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
2016-03-14
54
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
30 keV: H½ = 0.02 mm
60 keV: H½ = 0.13 mm
200 keV: H½ = 0.60 mm
2016-03-14
55
2016-03-14
Fysiologiska effekter av joniserande strålning, H. Gustafsson
Grupp
Storhet
Dosgräns (mSv)
Arbetstagare i
verksamhet med
joniserande strålning
Effektiv dos per år
Ekvivalent dos till ögats lins per år
Ekvivalent dos till hud per år
Ekvivalent dos till extrimiteter per år
Effektiv dos under fem på varandra följande år
50
150
500
500
100
Gravida kvinnor
Ekvivalent dos till foster under återstående
graviditet sedan denna konstaterats
Studerande mellan 16
och 18 år som använder
strålkällor för sin
utbildning
Effektiv dos per år
Ekvivalent dos till ögats lins per år
Ekvivalent dos till hud per år
Ekvivalent dos till extrimiteter per år
6
50
150
150
Bestrålning av allmänhet
från verksamheter
Effektiv dos per år
Ekvivalent dos till ögats lins per år
Ekvivalent dos till hud per år
1
15
50
Grundläggande strålningsfysik. Mats Isaksson. Sidan 218. Strålsäkerhetsmyndighetens
författningssamling SSMFS 2008:51.
1
56
Fysiologiska effekter av joniserande
strålning
Håkan Gustafsson