Ionizing radiation, radiation protection Oldřich Ott, Petr Nádeníček, 2011/12 FN Brno_modra_obdelnik Ionizing radiation (IR): nis caused by the energetic particles or waves that have the potential to ionize an atom or molecule through atomic interactions n X-ray tube: n electromagic radiation n photon n short wavelength 10 - 0,001 nm low energy radiation - low voltage - long w. high energy radiation - high voltage - short w. n cathode (Wolfram fibre) n emits electrons n voltage 10-500 kV accelerate el. n anode (Wolfram, Molybden) - high energy electrons are emited from catode and strike on the metalic anode heat 98-99% energy 1-2% FIGURE 1. X-ray: n nBremsstrahlung radiation (braking radiation) – electrons are stopped by repulsive force of electrons in electron shell. Kinetic energy of electons is changed into energy of X-ray photons nCharacteristic X-ray – electrons dash out the electrons of K or L shells. Than the vacant site is filled by electrons from a higher energy shell. speed of electrons - 165 000 km/s vzniká - originate, result from vyzářit - emit The Electromagnetic spectrum: nx-rays wavelength 10 - 0,001 nm Interaction of IR with matter: nGamma (X-) rays – ionize by secondary electrons which are caused by this processes: n n Photoelectric effect – electrons are emitted from the atom after the absorption of energy from X-ray Interaction of IR with matter: n n Compton effect – in the electron being given part of the energy and a photon containing the remaining energy being emitted in a different direction from the original. n FIGURE 1. If the photon still has enough energy, the process may be repeated. If the photon has sufficient energy it can even eject an electron from its host atom entirely (Photoelectric effect). Interaction of IR with matter: n n Pair production - a high-energy photon interacts with an atomic nucleus, allowing it to produce an electron and a positron Interaction of IR with matter: nparticles current – the energy of particle is changed ® secondary radiation n - primary and secondary radiation ionize atoms and molecules n n a radiation – high ionizing efficiency n n b- radiation – used in therapy n n b+ radiation – used in PET n n neutron current – used in therapy Interaction of IR with matter: photon ß electric interaction (Compton scattering, photoeffect, electron-positron couple) ß ionisation ß chemical changes ß biological effect n n nchemical – takes 0,001 – 1 s n - interaction of ions, radicals, excited atoms with biological organic molecules (DNA, proteins) n nbiological – takes a few minutes – tens years n - functional and morfological changes in cells, organs and whole organism Biological effects of IR: X-ray apparatus: skiagraphy skiagraphy-fluoroscopy mammography angiography CT fluoroscopy Therapy Biological effects of IR: stochastic deterministic Latence: several years for cancer 100s years for genetic effects nno threshold nincreasing Def – increasing probability of stochastic effects neffect intesity do not dependent on the dose nno effect immediately after irradiation (after several years) ncarcinoma + genetic effects nlesion is not related to place of irradiation nDef (Sv) Stochastic effects: Stochastic effects: nthreshold nlesion depends on absorbed dose nlocal effects nradiation damage is clinical provable nexample: cataract, erythema, infertility etc nDekv (Sv) Deterministic effects: naccute radiation syndrome n n bone marrow form - threshold 1-2Gy (typical 3-6Gy) n - massive loss of leukocytes, greatly increasing the risk of infection n - uncontrollable bleeding in the mouth, under the skin and in the kidneys n - bone marrow is nearly or completely destroyed, so a bone marrow transplant is required n n gastric form – dose 6-10Gy n - gastric and intestinal tissue are severely damaged n - nausea, vomiting, diarrhoea (loss of minerals and water) Deterministic effects: n n cardiovascular form - dose 20Gy n n - arrythmia, heart failure n n neuropsychic form - dose 40Gy n n - apatia, letargia, psychic alteration, inactivation of chemical receptors in the brain n ninfertility n ncataract - dose 4-8 Gy n nacute radiation dermatitis (erythema, loss of hair all over the body, blisters and ulcers, necrosis) Deterministic effects: •activ bone marrow, lymphoid organs, sex gland, gastrointestinal system •skin, mucous membrane (oesophagus, stomach, urinary bladder), lens •blood vessel, growing cartilage, growing bone •completed cartilage and bone, lungs, endocrinal system •muscle, central nerve system Radiosensitivity of tissues: 12. w Embryo •2 weeks – „everything or nothing“ •3.–8. w – organogenesis, risk of malformations •8.–15. w – risk of mental handicap •after 15. w – the same resistance as born child • • • The highest radiosensitivity – 1. third of gravidity! 8. w •natural : artificial = 5:1 •54 % Radon (Rn) •16 % cosmic radiation •19 % gama radiation •11 % inner radiation, radionuclid 40K, 14C •93 % medical irradiation •1 % nuclear energy •2 % professional irradiation •2 % nuclear fall-out • Ionizing radiation - etiology: 11 0,3 49 9 17 0,13 Radon in building Natural radionuclid in humans Gama from Earth surfice Nuclear fall-out Medical irradiation The rest Radon in building Limits: nRadiation employee nDef - 5 y - 100 mSv nDef - 1 y - 50 mSv nDekv – 1 y - lens - 150 mSv n nStudents n n6 mSv n50 mSv n n A pregnant woman – during whole pregnancy - 1 mSv Def – 1 mSv •several years – external irradiation from nature sources •several years – internal irradiation from potassium in body •< 1 year – internal irradiation from Radon in buildings • •severals months – external irradiation in high altitude • • •100-1000 hours – external irradiation during long flight 1 mSv – 1 year limit for irradiation for person in population. Probability of death – 50 mSv: •irradiation of 50 mSv •1 year work in „industry“ •smoke 10 packs of cigaret •15 years in household with smoker •drink 50 bottle of good wine •1500 km tour on the bicycle •45 000 km travel by car death probability - 1:10000 Effective doses of X-ray examinations: Type of examination Typical effective dose (mSv) Time to stay in natural background radiation R. of hands, joints less 0,01 0,5 1,5 day R. of chest 0,02 1 3 days Radiogram of skull 0,07 3,5 10 days R. of Th spine 0,7 35 3,5 months R. of pelvis 0,7 35 3,5 months R. of abdomen 1 50 5 months R. of hip joint 0,3 15 1,5 months R. of L spine 1,3 65 6 months urography 2,5 125 1 year Fluoroscopy of stomach 3 150 1,2 years Fluoroscopy of small intestinum (enteroclysis) 3 150 1,2 years irrigoscopy 7 350 2,8 years CT of head 2,3 150 11 months CT of chest 8 400 3,2 years CT of abdomen or pelvis 10 500 4 years Effective doses of examination in NM: Type of examination Typical effective dose (mSv) Time to stay in natural background radiation Static scitigraphy of kidneys 1,5 7 months Dynamic scintigraphy of kidneys 2,2 10,5 months Dynamic cholescintigraphy 2,3 11 months Scintigraphy of skeleton 3,4 16 months Perfused scintigraphy of lungs 1,2 6 months Scintigraphy of thyroid 2,2 10,5 months Scintigraphy of myocardium 7,5 3 years Radiation protection n nWas the examination done? nIs it the best type of examination? nExplanation of problem? nDo you necessary need this examinaton? nDo you need the examination now? Protection of patients: nEUROATOM (law 18/1997) n - aim of radiation protection (elimination of deterministic effects, minimalisation stochastic effects) n - principle of working with IR (reasons for working, optimalisation, limitation) n npublic notices of SÚJB (184/1997, 146/1997, 214/1997, 307/2002) Legislation: ledžislejšn Categories of workplaces: •1st category – small sources, denzitometry, dental X-ray •2nd category – radiodiagnostics, therapy n n3rd category – particle accelerators n n4th category – nuclear power station, disposal site of nuslear waste Filtration and shades: Filtration – reduces intensity of low energy X-ray, reduces irradiation of skin and hypodermis - 13Al, 29Cu layer Aluminium, Copper self-filtration, supplementary filtration Filtration and shades: Secundary (Bucky´s) shade – absorbs secundary and scattered radiation - from lead belts FIGURE 10. Primární a sekundární clony Clony patří k rtg příslušenství. Dělí se na primární a sekundární. Primární clony – slouží k vymezení primárního svazku na potřebný rozsah. Vymezením snížíme dávku, což je důležité v radiační ochranně osob, omezíme vznik sekundárního záření, které snižuje kontrast a ostrost rtg obrazu. Někdy primární clony slouží k dodržení vzdálenosti ohnisko – kůže. Nejstarší primární clonou je tubus. Jsou to komolé kužele nebo válce z plechu – Zn, Cu, jejichž stěna je uvnitř vyložena olovem. Zasouvají se do drážek na hloubkové cloně. Na konci přivráceném k rentgence je tubus uzavřen olověnou destičkou, ve kterém je okrouhlý nebo obdélníkový výhřez. Na každém tubusu má být vyznačená velikost pole a tvar vyclonění. Nyní se používá kruhový ušní tubus, používaný ke snímkování speciálních projekcí kosti spánkové a zubní tubus pro intraorální snímky. Užívá se prsní tubus ke kompresi prsu při mamografii. Hloubkové clony – jsou používány při skiagrafii a mají přibližně tvar krychle. Stěna odvrácená od rentgenky je z průhledné hmoty, minimálně absorbuje X záření. Strana přivrácená k rentgence je upevňována na výstupní okénko krytu rentgenky. Uvnitř jsou clony 2-4 etáže olověných lamel. Dvě a dvě jsou kolmo a dají se od sebe oddalovat a přibližovat. Lamely vycloní komolý jehlan užitečného záření. V primární cloně je žárovka, která přes sklopené zrcadlo propustnou částí stěny clon na tělo pacienta označí světelné pole, kam dopadne užitečné záření. Musí se kontrolovat shody světelného pole s ozařovaným polem. Ve clonách určených pro skiaskopii je pouze jedna etáž lamel, tzv. štěrbinová clona. Automatické clony – automaticky se otevírají v závislosti na velikosti použité kazety a OK. Vymezovací clony – slouží k zamezení dopadu primárního nebo sekundárního záření na určenou plochu filmu nebo štítu Sekundární clony – slouží k vychytávání sekundárního záření. Jsou uloženy mezi filmem a pacientem. Používají se pří objemech větších jak 15cm, a kilovoltáži větší než 60 kV Nevýhodou je, že pohlcují část primárního záření, musíme tedy zvýšit expozici a dávku, je výhodnější zvýšit kV prodlouží se vzdálenost od filmu mezi objektem. Základem sekundární clony je mřížka – jež vychytává záření, které nejde ve směru primárního svazku. Mřížka je tvořená Pb a Wo a lamelami mezi, kterými je Al. Obal je tvořen z Al. Účinnost „ratio“ – je poměr mřížky, který je dán výškou a vzdáleností lamel. Poměr je 7:1, 12:1, 15:1. (Čím je větší poměr, tím lépe absorbuje za cenu vyšší expozice) Prodlužovací faktor – kolikrát musíme zvýšit expozici, oproti tomu když snímkujeme bez clon 2-3x. Faktor pro zlepšení kontrastu – je to poměr mezi propuštěným primárním zářením a součtem propuštěného primárního a sekundárního záření. Počet lamel na 1mm rozhoduje o tom zda budou vidět. Čím větší počet lamel, tím jsou méně vidět. Druhy mřížek: 1) Fokusované mřížky-Buckyho clona – lamely se sbíhají do ohniska a jsou vyšší než u paralelní mřížky. Mřížka se během expozice pohybuje, aby nebyla na snímku vidět. 2) Mřížka paralelní-Lysholmova – je z paralelních nízkých lamel a během expozice se nepohybuje. Používá se u pojízdných rtg přístrojů. 3) Clony křížové – jsou dvě mřížky, které jsou pootočeny o 900. Křížová mřížka dobře vychytává sekundární záření, faktor mřížky je neúměrně vysoký. Fokusace mřížky – optimální vzdálenost mezi ohniskem a filmem Defokusace – použití clony na jinou vzdálenost než je určena Decentrace – odchylka od středu Buckyho clony, jedna část snímku bílá a druhá tmavá zpracovala / upravila Eliška Schmiedová, 2004 nphysical n time - work as quickly as possible n distance – by doubling the distance the dose rate is quartered n shielding - a radiation - clothes, paper, plexiglass n b radiation – plexiglass or aluminum n g rays – lead, steel, baryum concrete neutron radiation – materials containing a lot of hydrogen, cadmium and boron n nchemical - radioprotective substances n nbiological – improving the immunity *Radiation protection: ü apron, collar ü diaphragm ü children – fixation equipment Dosimetric magnitudes: nexpress quantity of effects of ionizing radiation to matter (tissue, patient) n Dosimetric magnitudes nabsorbed dose – energy which ionizing radiation hands on the matter with unit of weight n - Gray (Gy) n nkerma – energy which primary ionizing radiation hands on the matter with unit of weight n - Gray (Gy) n neffective dose – expresses effects with regard to irradiation of various parts of body n - Sievert (Sv) Protection of workers with IR: npersonal dosimetry n - measure an absolute dose received over a period of time n - by personal dosimetres n n n dozimetres: film, termoluminescent, n scintilation, electrical, n chemical nPrinciple 1: reasons of medical irradiation n - risk of the radiation damage must be less than a benefit for the patient n nPrinciple 2: optimalization - it is needed to aplicate the minimal necessary quantity of radiation which guarantees the quality of radiogram Protection of patients: Thank you