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2 Physikalische

2 Physikalische Grundlagen Photoeffekt relevant. Die Photonen stoßen mit den Hüllenelektronen der Materie zusammen. Dabei kommt es zu einer Übertragung der Photonenenergie auf ein Elektron. h f0 = B + Ekin e − (2.3) Das Elektron wird durch Überwindung der Bindungsenergie B herausgeschlagen und bewegt sich mit Ekin e − weiter. Bei dem in der Radioonkologie genutzten Energiebereich von 60 keV bis 20 MeV kommt es hauptsächlich zur Comptonstreuung. Es finden unelastische Stöße zwischen Photonen und Elektronen statt. Das Elektron wird ebenfalls, wie beim Photoeffekt, aus seiner Bahn ge- schlagen, jedoch behält das Photon einen Teil seiner Energie und fliegt weiter, wo es weitere Compton- oder Photoelektronen erzeugen kann. h f0 = h f + B + Ekin e − (2.4) Beim Eintritt der Strahlung in die Materie ist erst ein Anstieg der Energiedosis (vgl. An- hang A) zu erkennen. Dieser besondere Effekt der Comptonstreuung wird als Aufbaueffekt bezeichnet. Das Dosismaximum liegt dabei bei der mittleren Reichweite der erzeugten Se- kundärteilchen. Erst ab dort nimmt die Dosis aufgrund der Absorption ab. Die Paarbildung überwiegt im Wasser die anderen Effekte erst ab Photonenenergien jen- seits der 20 MeV, und ist deshalb in Strahlentherapie uninteressant. 2.2 Photonen-Gewebe Wechselwirkung Der menschliche Körper besteht zu ca. 80% aus Wasser. Es ist der Hauptbestandteil jeder Zelle eines jeden Gewebes. Ionisierende Strahlung wirkt dementsprechend auch hauptsäch- lich auf die Wassermoleküle im Gewebe. Auswirkung ist die Radiolyse des Wassers in Form von Ionisation oder Spaltung. H2O → H2O + + e − H2O → H • + OH • (2.5) (2.6) Die freien aquatisierten Elektronen können weitere Ionisationen auslösen [2]. Ebenso sind die Ionen und Radikale aufgrund ihrer ungepaarten Elektronen sehr reaktionsfreudig. Mög- liche primäre Produkte sind reiner Wasserstoff oder das toxische Wasserstoffperoxid. Auch sekundäre Produkte wie das Superoxidradikal oder das Hydroperoxylradikal können ent- 8

2 Physikalische Grundlagen Abbildung 2.1: Prinzip einer Ionisationskammer [3] stehen. Das Superoxidradikal, aber noch mehr das Hydroxidradikal verursachen schwere oxidative Zellschädigungen. Weitere fundamentale Auswirkungen von ionisierender Photonenstrahlung kann die Bil- dung von Lipidradikalen oder Lipidperoxiden sein. Dies steht in direktem Zusammenhang mit der DNS der Zellen. Folgen sind Einzel- und Doppelstrangbrüche, Falsch- und Querver- netzung, Strukturänderung oder gar ganze Chromosomaberrationen. Daraus entstehen Zell- mutationen die gestörte Metabolismen und neoplastische Transformationen aufweisen oder ihre Proliferationsfähigkeit verlieren. 2.3 Dosimetrie mit Ionisationskammern Grundlagen aller Bereiche der Strahlentherapie sind Messdaten, die mit Ionisationsdosime- tern ermittelt wurden. Festgesetz wurde dies in der DIN 6800-2. Für die Dosimetrie von Röntgenstrahlung mit einer Beschleunigungsspannung größer 400 kV, welche in der Strah- lentherapie eingesetzt wird, werden Flachionisationskammern verwendet. Das Prinzip besteht darin, dass die Luft zwischen zwei Elektroden durch die Strahlung ionisiert wird. Da an den Elektroden eine Spannung von 300 V - 500 V angelegt ist, enste- hen Ionisationsströme von (10 −10 − 10 −15 ) A. Der gemessenen Stromes ist proportional zu Bestrahlungsleistung, wodurch sich auf die Dosis zurückschließen lässt. Durch Rekombina- tion der freien Elektronen mit den Ionen geht jedoch ein gewisser Teil des Signals verloren. Verhindert werden kann dieser Prozess durch eine genügend große Sättigungsspannung. Ist diese Spannung wiederum zu hoch, kommt es zu Vervielfachungsprozessen der Ionen. Das Physikalisch Technische Bundesamt legte Bezugsbedingungen für die Dosimetrie mit Ionisationskammern fest. So darf die Kammergröße des Ionisationsdosimeters maximal 1 cm 3 betragen, die Kammerwand aus einem Material niederer Ordnungszahl bestehen, und 9

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