Introduktion strålningsbiologi och dosimetri.

(1)

Introduktion strålningsbiologi och dosimetri.

Strålslag som kan användas

 Elektromagnetisk strålning

• Gamma (strålning från kärnan)

• Röntgen (bromsstrålning)

• Annihilationstrålning

 Partikelstrålning

• Alfa (heliumkärnor)

• Positroner (positiva elektroner)

• Beta (elektroner från kärnan)

• Elektroner (linjäraccelerator)

• Protoner, tunga joner, ……

• Neutroner (fission, spallation)

Bild från Marie Curies doktorsavhandling

(2)

Michael Ljungberg/Medical Radiation Physics/Clinical Sciences Lund/Lund University/Sweden 3

Användande av strålning

Energimottagare

Människans vävnad Enskilda celler Mätinstrument Strålskärm

Energiavgivare

Radioaktivt ämne Röntgenstrålkälla

Accelerator

Strålning är bärare av energi

- Elektromagnetisk vågrörelse (fotonkvanta) - Partiklar i rörelse

  Absorberad energi Absorberad dos =

massenhet Gy J

kg

 

 

 

Joniserande strålning

Elektroner slås ut från sina atomer

Kemiska bindningar kan förstöras

Skador på celler i vävnad

Elektrisk signal i mottagare

Vid en excitation lyfts en elektron upp i utanförliggande skal

(3)

Absorption av strålning

 All infallande strålning som inte tränger igenom ett objekt kommer att absorberas i detsamma. Delar av den absorberade

strålningsenergin kommer att orsaka jonisationer och excitationer.

 Om objektet utgörs av kroppens vävnader:

 hög grad av absorption  mycket energi per massenhet  många jonisationer per massenhet  ökad risk för skador

Absorberad dos

 Det vore således värdefullt om man kan definiera och mäta den absorberade strålningsenergin per massenhet.

Denna storhet borde då kunna relateras till den biologiska effekten av strålningen.

Man definierar storheten absorberad dos som anger den

absorberade energin per massenhet betecknas med D

enhet: 1 J/kg = 1 Gy (gray)

(4)

Absorberad dos (forts)

 Exempel:

letal dos  6 Gy (till hela kroppen) naturlig bakgrund 1 mGy/år

röntgen, nuklearmedicin 1-50 mGy per us

Svar:  0.001

^o

C

Om all strålningsenergi omvandlas till värme.

Hur mycket höjs kroppstemperaturen vid en helkropps- bestrålning till en absorberad dos på 6 Gy ?

Louis Harold Gray

Den brittiske fysikern och strålningsbiologen Louis Harold Gray har fått ge namn åt enheten för storheten absorberad dos.

Louis Harold Gray

1905 - 1965

(5)

DNA-molekylen

 Man är numera ganska övertygad om att den primära targeten i en bestrålad cell är DNA-molekylen.

 En skada på DNA-molekylen kan leda till en irreversibel skada på cellen som innebär att den förlorar förmågan att dela sig eller att det uppkommer strukturella förändringar som gör att cellens funktion ändras.

Direkt- och indirekt effekt



Direkt effekt:



DNA skadas genom en direkt energideponering i molekylen vilket leder till att kemiska bindningar bryts upp.



Indirekt effekt:



Energideponeringen sker i DNA-molekylens omgivning.

Detta leder till produktion av fria radikaler och andra kemiskt mycket reaktiva substanser, vilka sedan kemiskt attackerar DNA-molekylen.

Vid gamma- och röntgenstrålning orsakar den indirekta effekten ca 75% av skadorna.

FoF, 1987:1

(6)

Strålningsinducerade cell-skador

DNA

molekylär skada

Reparation

Biologiska konsekvenser:

• Cell‐död

• Bestående kromosomskador

 Nedsatt Funktion

 Sjukdom, cancer

 Fel i tillväxt (unga)

 Genetiska skador Kromosomskador

Mutation

Reparationsmekanismer



Olika typer av skador på DNA-molekylen

förekommer:



enkelsträngsbrott



dubbelsträngsbrott, basförändringar



brott på vätebindningar m.fl.



Cellen är mest känslig för strålningsinducerade skador under själva delningsfasen

(Mitosen)



Alla typer av skador på DNA-molekylen leder inte till en irreversibel skada på cellen.

FoF, 1982:4

Ett biologiskt system har en repara-

tionskapacitet som är mycket

effektiv.

(7)

Reparationsmekanismer - ett räkneexempel

 människokroppen består av ca 10

¹⁴

celler.

 en absorberad dos av 1 mGy per år (jfr naturlig bakgrund) kommer att producera ca 10

¹⁶

jonpar d.v.s. 100 jonpar per cell i kroppen.

 om vi antar att DNA utgör 1% av cellens massa resulterar detta i 1 jonpar i DNA i varje cell i kroppen varje år.

Schematiskt tidsförlopp:

Tätheten i energiöverföringen beror på strålslag

Gamma Röntgen (fotoner)

Betastrålning Elektroner

Alfa Protoner Neutroner Jonfragment

Glesjoniserande

Tätjoniserande

DNA

(8)

DNA-Reparationen

Glesjoniserande

Tätjoniserande

Reparationsenzymer känner igen basparen

Biologisk effekt

Processer

Biologiska effekter Akuta skador Sena skador Kemiska reaktioner

Fria radikaler Fysikaliska processer Jonisationer och excitationer

Tidsförlopp

10

^-18

- 10

^-12

s

10

^-12

- 10

²

s

Veckor, månader,

år

(9)

Cellöverlevnad



I laboratoriet brukar man beskriva strålkänsligheten hos celler i form av cellöverlevnadskurvor.



Kurvan bestämmer den överlevande fraktionen i en cellpopulation vid olika absorberad dos.

Överlevnadsfraktion

1.0 0.1 0.01

Absorberad dos

Cellöverlevnad - strålkvalitet

 Strålkvaliteten bestäms av:

 typ av strålning

(elektromagnetisk- eller olika slag av partikel- strålning)

 strålningens energi



Allmänt gäller att den överlevande fraktionen celler vid en viss absorberad dos kommer att minska med ökad LET hos strålningen

LET: Linear Energy Transfer enhet: keV/ m

Överlevnadsfraktion 1.0

0.1 0.01

Absorberad dos

Låg LET

Hög LET

(10)

Cellöverlevnad - strålkvalitet (forts)

Orsaken till denna effekt är att sannolikheten för att orsaka en irreversibel skada hos DNA-

molekylen är mycket högre om den absorberade dosen levereras längs ett tätt spår av jonisationer än i fallet med ett antal jonisations-händelser som är mera jämnt,

glesare, fördelade.

ICRP Publication 60, 1991

Ekvivalent dos

 Vid en viss absorberad dos ger olika strålkvaliteter olika biologisk effekt.

En storhet som är närmare relaterad till strålningens biologiska effekt är den ekvivalenta dosen

 H = w

_R

 D

 enhet: 1 J/kg =1 Sv (sievert)

Den absorberade dosen multipliceras med en strålviktningsfaktor,

w

_R

, som är relaterad till strålningens biologiska effekt (se nästa sida).

(11)

Ekvivalent dos - strålviktningsfaktorer

Strålslag w

R

Fotoner 1

Elektroner 1

Neutroner 5-20

beroende på neutronens energi

Protoner 5

Alfapartiklar 20

ICRP Publication 60, 1991

Ekvivalent dos - ett räkneexempel

 Vid en lungröntgenundersökning erhåller en patient en absorberad dos på 0.2 mGy till lungorna

 ekvivalenta dosen till lungorna:

H= w

_R

 D = 1  0.2 = 0.2 mSv

 En gruvarbetare inandas radongas (alfa-strålning) och erhåller en lika stor absorberad dos på 0.2 mGy till lungorna

 ekvivalenta dosen till lungorna:

H= w

_R

 D = 20  0.2 = 4 mSv

(12)

Cellöverlevnad - typ av celler

 Mest strålkänslig

 Minst strålkänslig



Spermatogoner



Lymfocyter



Erytroblaster



Epitelceller, tunntarm



“ magsäck



“ tjocktarm



Hårfolliklar



Epidermis



CNS



Muskelceller



Ben

Deterministiska- och stokastiska effekter



Om reparationsmekanismen misslyckas kommer vi att få biokemiska förändringar i cellen vilket leder till cellförändringar eller celldöd.



En cellförändringsprocess kan leda till att cellen transformeras till en tumör- cell och om förändringarna har skett i en könscell till mutationer som kan observeras först hos kommande generationer.

Direkt effekt Primär skada Indirekt effekt

Rep.?

Celldöd Modifierad

Cell

Skada på organ

Död

Kroppscell Könscell

Cancer

Leukemi Ärftliga skador

Deterministiska Effekter

Stokastiska Effekter Nej

Ja

(13)

Mest strålkänslig

individ Minst strålkänslig

individ Allvarlighetsgrad

Absorberad dos Frekvens

Absorberad dos Tröskel

dos

Tröskel

Deterministiska effekter

Deterministiska effekter (forts)

 Deterministiska effekter har en tröskeldos under vilken förlusten av celler i ett organ kompenseras och ej blir kliniskt detekterbar. Över denna tröskeldos kommer skadans allvarlighetsgrad att öka med ökad stråldos.

 De i tabellen angivna tröskeldoserna gäller vid en kortvarig exponering. Om stråldosen fraktioneras kommer tröskeldosen att öka.

Vävnad Effekt Tröskeldos

(Gy) Testiklar

temporär sterilitet

permanent sterilitet 0.15 3.5-6.0

Ovarier

sterilitet 2.5-6.0

Linsen

linsgrumling

katarakt 0.5-2.0

5.0

Huden

erytem

nekros 3.0-5.0

50

(14)

Stokastiska effekter

 Man talar i allmänhet om två typer av stokastiska effekter:

• de som uppträder i könsceller och kan ge upphov till ärftliga effekter

• de som uppträder i kroppsceller och kan resultera i cancer

 Ärftliga effekter:

• Det råder inget tvivel om att joniserande strålning ger upphov till ärftliga effekter. Detta har visats i omfattande djurexperimentella studier.

• Data från djurförsök utgör basen för kvantitativa uppskattningar av risker för ärftliga effekter eftersom humana data saknas.

Stokastiska effekter (forts)

 Cancer:

När det gäller uppskattningar av risken för cancerinduktion grundas dessa på noggranna observationer och uppföljningar av humana populationer som utsatts för en högre bestrålning än vad som är relevant ur strålskyddssynpunkt.

• Hiroshima, Nagasaki

• personer som arbetat med radiumfärg

• gruvarbetare

• personer bosatta i områden med hög naturlig bakgrundsbestrålning

• populationer som blivit bestrålade i terapeutiskt eller diagnostiskt syfte

(15)

Dos-responssamband

 Dos-responssamband för leukemi hos överlevande atombombsoffer i Japan.

 strålning kan orsaka leukemi

 sannolikheten för induktion av leukemi ökar med stråldosen

 Den absorberade dosen var hög - 0.2 Gy till flera Gy momentant.

Kan då dessa data användas för att uppskatta strålriskerna vid mycket lägre stråldoser (<50 mGy) och doshastighet?

Dos-responssamband (forts)



Flera observationer indikerar att sannolikheten för induktion av cancer är ca 2 gånger så stor vid höga doser och dos-hastigheter jämfört med låga doser och dos- hastigheter.



I en situation där individer erhåller en låg stråldos är sannolikheten för cancer hälften av vad som observerats bland atombombsoffren



(gäller låg-LET strålning; fotoner,

elektroner)

^{KSU, 1992}

(16)

 Sannolikheten för stokastiska effekter varierar mellan olika organ och vävnader. De olika ”organdoserna”, ekvivalenta doserna, bör därför kombineras till ett enda mått som kan ge en uppfattning om den totala stokastiska effekten.

 Man har infört storheten effektiv dos

 E = w

_T

 H =w

_T

 w

_R

 D

 enhet: 1 Sv (sievert)

 Den ekvivalenta dosen till ett visst organ multipliceras med en organviktingsfaktor, w

_T

, som är relaterad till sannolikheten för stokastiska effekter i detta organ.

Effektiv dos

0.01 0.05 0.12 0.2

benytor

huden blåsan

bröst lever esofagus thyreoidea övriga organ

colon lungor röd benmärg

magsäck

gonader

Subtotal:

Total: 0.02

1.00 0.30 0.48 0.20

 Organviktningsfaktorer som skall användas vid beräkning av effektiv dos (enligt ICRP)

Observera att summan av alla organviktningsfaktorerna är 1.00

Organviktningsfaktorer

(17)

Effektiv dos (forts)

Begreppet effektiv dos möjliggör bl.a. jämförelser, ur risksynpunkt, mellan bestrålning av enskilda organ och jämn

helkroppsbestrålning.

Effektiv dos - ett räkneexempel

 En person inandas radon (-strålning) så att den medelabsorberade dosen till lungorna blir 10 mGy

• D

_lunga

=10 mGy, w

_R

=20 (-strålning) , w

_T

= 0.12 (lunga) E = w

_T

 w

_R

 D

_lunga

=24 mSv

 Sannolikheten för stokastiska effekter kommer i detta fall att bli densamma som om personen utsatts för en jämn helkropps- bestrålning med fotoner till en absorberad dos av 24 mGy

• D

_hela

kroppen=24 mGy, w

_R

=1 (fotoner) , wT=1.00 (alla organ)

• E = w

_T

 w

_R

 D

_lunga

=24 mSv

(18)

Strålningsrisker

 Sannolikhet för

strålningsinducerad fatal cancer och ärftliga effekter enligt ICRP

 Tabellen visar livstidsrisken uttryckt i % per sievert effektiv dos. Livstidsrisken är sannolikheten att någon gång under den återstående livstiden drabbas av fatal cancersjukdom p.g.a.

exponeringen för joni- serande strålning

Organ/Vävnad Fatal cancer (%/Sv)

Blåsa 0.30

Benytor 0.05

Bröst 0.20

Hud 0.02

Lever 0.15

Lunga 0.85

Magsäck 1.10

Matstrupe 0.30

Ovarier 0.10

Röd benmärg 0.50

Sköldkörtel 0.08

Tjocktarm 0.85

Övrigt 0.50

Subtotal 5.0

Ärftliga effekter 1.0

Medelvärde för hela

befolkningen

 Den högre risken för barn bör medföra speciella strålskyddsinsatser

 Det finns inget som tyder på att fostret är mindre strålkänsligt än det nyfödda barnet

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0 20 40 60 80 100

Ålder vid bestrålning

Li v sti d sr is k (% /S v )

Strålningsriskens åldersberoende

(19)

Risk för allvarlig mental retardation (ICRP)

 ICRP har ägnat särskild uppmärksamhet åt risken för allvarlig mental retardation vid prenatal bestrålning,ffa 8-15 veckan

 Man har noterat att IQ minskar med 30 enheter per Sv motsvarande en ökad andel observerbara fall av mental retardation med 40% per Sv

 Effekten är deterministisk med en tröskeldos av storleks-ordningen 100 mGy

Bestrålning av hela kroppen



Energi-överföring som förmår bryta kemiska bindningar genom jonisation.



Hela kroppen klarar ca 4 Joule/kg = 4 Gy



Benmärgen är det känsligaste organet.



Samma energimängd överförd som värme

motsvarar temperatur-ökning

på ca 0.001 grader.

(20)

Vår strålningsmiljö

 Naturlig strålning

• Solen

• Kosmisk strålning

• Vår egen kropp

• Mark och vatten

• Byggnadsmaterial

 Mänsklig strålning

• medicinsk strålning

• kärnvapenssprängning

• satelliter

• industri och kärnkraft

• konsumentartiklar

Strålning finns överallt!

Svårighet med riskuppskattning vid låga

doser....

(21)

En stråldos på 1 mSv till hela kroppen är förenad med en risk att avlida som är 5 på 100 000.

Samma risk att avlida förekommer om man:

1. röker 3 paket cigaretter

2. bor ihop med en rökare i 5 år

3. kör bil 500 mil

4. flyger 5000 mil

5. paddlar kanot i 5 timmar

6. utövar bergsbestigning i 1 timme

7. dricker 50 burkar dietläsk

Riskjämförelse

Strålning används för diagnostik och behandling

 Bildgivande undersökningar – medicinsk imaging

• Cancer

• Hjärt-/kärlsjukdomar

• Reumatism (ledsjukdomar)

• Neurologiska sjukdomar (hjärnan)

 Behandling

• Tumörbehandling (cancer)

• Struma (sköldkörtelsjukdomar)

• Hudsjukdomar

Risker på populationsnivå

Sv, mSv

Risk för individen

Gy

(22)

Höga och låga stråldoser

 0,005 mSv ‐ extra årsdos nära kärnkraftverk

 0,01 mSv ‐ stråldosen vid en tandröntgen

 0,5 mSv ‐ årsdosen för vissa sjukvårdsanställda

 1 mSv ‐ naturlig bakgrundsstrålning i Sverige

 4 mSv ‐ årsdosen för boende i Sverige

 50 mSv ‐ max tillåtlig årsdos för vissa anställda

 5000 mSv ‐ svår industriolycka (hälften dör)

 10000 mSv ‐ dödlig stråldos 1 mSv = 0,001 Sv (sievert)

Onkologi är läran om tumörsjukdomar

 onkos (grek.) tumor (latin) = svullnad

 benign = godartad

 malign = elakartad

 onkos (grek.) tumor (latin) = svullnad

 benign = godartad

 malign = elakartad

Onkologiska kliniker tar hand om patienter med cancer.

Cancer är ett samlingsnamn för ca 200 sjukdomstyper.

Gemensamt för alla typer av cancersjukdomar är att celler i kroppen växer och delar sig ohämmat och utan kontroll.

Behandling är kirurgi, cytostatika, hormoner och strålbehandling.

30 – 40% av alla cancerpatienter får strålbehandling.

Bildgivande tekniker är viktiga både för diagnostik och planering av strålbehandling.

Onkologiska kliniker tar hand om patienter med cancer.

Cancer är ett samlingsnamn för ca 200 sjukdomstyper.

Gemensamt för alla typer av cancersjukdomar är att celler i kroppen växer och delar sig ohämmat och utan kontroll.

Behandling är kirurgi, cytostatika, hormoner och strålbehandling.

30 – 40% av alla cancerpatienter får strålbehandling.

Bildgivande tekniker är viktiga både för diagnostik och planering av strålbehandling.

(23)

Cirka 100 svenskar per dag får cancer

 Livsstilsfaktorer

om vi röker, vad vi äter, hur vi solar, osv.

 Miljöföroreningar / miljögifter

 Ärftliga faktorer

 Virus (humant papillom virus, HPA)

 Joniserande strålning

 ?

Prostatacancer 37 % Bröstcancer 30 % Tjocktarm 15 % Lungcancer 13 % Prostatacancer 37 % Bröstcancer 30 % Tjocktarm 15 % Lungcancer 13 %

Cancer är en ålderssjukdom

www.cancerfonden.se (2009)

(24)

Normala celler reparerar en DNA-skada i hög grad Tumörceller reparerar en DNA-skada i låg grad

Strålning ger skador på arvsmassan (DNA)

Hur botas cancer med strålbehandling?

Dosering med en daglig stråldos under 5-7 veckor är effektivast för att slå ut tumören och skonsammast för den friska vävnaden – fraktionerad strålterapi.