Strahlenschutz - Instituts für Medizinische Physik

Vorlesung zu Q11: Bildgebende Verfahren, Strahlenbehandlung, Strahlenschutz 

Strahlenschutz 

- 

Überlegungen mit Bezug auf 

natürliche und zivilisatorische 

Strahlenexposition 

Prof. Dr. Willi Kalender, Ph.D. 

Institut t für Medizinische i i Physik 

Universität Erlangen-Nürnberg 

www.imp.uni-erlangen.de 

Das pdf ist unter http://www.studon.uni-erlangen.de abrufbar!

Der Strahlenschutz in Deutschland ist geregelt durch 

Gesetze, Verordnungen, Richtlinien und Normen. 

Q11 Vorlesung Strahlenschutz 2



Strahlenschutz bedeutet: 

Jede unnötige Strahlenbelastung 

l t 

von Mensch und Umwelt 

ist zu vermeiden. 

Jede nötige Strahlenexposition 

ist so gering wie möglich 

zu halten. 

ALARA-Prinzip: 

As Low As Reasonably Achievable! 


Vorbemerkungen 

Definitionen / Überlegungen zur Dosis 

Natürliche Strahlenexposition 

Kosmische Strahlung 

Natürliche Radionuklide 

Zivilisatorische Strahlenexposition 

Kernkraft, Nuklearwaffentests 

Technische Anwendungen 

Luftfahrt u.a. 

Strahlenexposition in der Medizin 

Risikobetrachtungen 

Z.B.: Wie hoch h ist das Risiko ik bei einer Thoraxübersicht? 

ht? 

Grundsätze des Strahlenschutzes in der Medizin 


Definitionen 

„Natürliche“ Exposition: 

Strahlung aus natürlichen Quellen, welcher der Mensch 

seit Urzeiten naturgemäß ausgesetzt ist 

(z.B. Kosmische Strahlung, körpereigene Radionuklide) 

„Zivilisatorisch erhöhte natürliche“ Exposition: 

Durch menschliche Gepflogenheiten und technologische 

Hilfsmittel zusätzlich auftretende Exposition 

(z.B. Leben in Häusern, Fliegen in 10 km Höhe) 

„Zivilisatorische“ Exposition: 

Künstliche, vom Menschen verursachte Strahlung 

(z.B. Röntgen in der Medizin, zivile und militärische 

Nutzung der Kernkraft) 


Dosisbegriffe 

Ionendosis I 

Energiedosis D 

Äquivalentdosis H 

Effektive Dosis E 

erzeugte Ladung pro Masseneinheit 

in C/kg 

(alte Einheit: Röntgen, 1 R = 2.58 10 -4 C/kg) 

absorbierte Energie pro Masseneinheit 

in J/kg oder Gy (Gray) 

(alte Einheit: rad, 1 rad = 0,01 Gy) 

Energiedosis x RBW-Faktor 

in J/kg oder Sv (Sievert) 

(alte Einheit: rem, 1 rem = 001Sv) 

0,01 gewichtete Summe der mittleren 

Äquivalentdosen 


(alte Einheit: rem, 1 rem = 0,01 Sv) 


Dosisbegriffe 

Äquivalentdosis H 

Energiedosis x RBW-Faktor 


H = D x RBW 

RBW - relative biologische i Wirksamkeit k i (ICRP 60) 

= 1 Photonen, Elektronen 

= 5 Protonen 

= 5 -20 

Neutronen 

= 20 Alphateilchen, schwere Kerne 


Effektive Dosis E 

= effektive (Ganzkörper-)Äquivalentdosis H E 

Definition 

Summe der gewichteten mittleren Äquivalentdosen in den 

einzelnen Organen und Geweben des Körpers. 

E 

= w 1 H 1 + w 2 H 2 + ..... + w n H n 

= Σ w i H i 

i 

Die Wichtungsfaktoren w i ergeben sich aus den relativen 

Empfindlichkeiten der einzelnen Organe und Gewebe, 

ermitelt bei gleichförmiger Ganzkörperexposition. 


Risikoabschätzungen, basierend auf den Daten für die 

Atombombenüberlebenden in Japan * (ICRP 60) 

Gewebe oder 

Organ 

Zusätzliche Krebsfälle pro 

10 5 Personen pro 0,1 Sv 

Risikokoeffizient 

in %/Sv 

w T für 

„tissue“ T 

Keimdrüsen 10 010 0,10 020 0,20 

rotes Knochenmark 50 0,50 0,12 

Dickdarm 85 0,85 0,12 

Lunge 85 0,85 0,12 

Magen 110 1,10 0,12 

Blase 30 0,30 0,05 

weibliche Brust 20 0,20 0,05 

Leber 15 0,15 0,05 

Speiseröhre 30 030 0,30 005 0,05 

Schilddrüse 8 0,08 0,05 

Haut 2 0,02 0,01 

Knochenoberfläche 5 005 0,05 001 0,01 

Restkörper 50 0,50 0,05 

Summe 500 5,0 1,0 

* Datenbasis: 75991 Exponierte, 5734 Krebsfälle, 260 mehr als in Kontrollgruppe 


Effektive Dosis aus natürlicher Strahlenexposition 

Belastung einzelner Organe in mSv/Jahr 

Keimdrüsen 1,1 

Magen-Darmtrakt 

1,2 

Leber 1,2 

Knochenmark 1,6 

Lungen 12,0 

.... 

.... 

12 0 Radon !!! 

Effektive Dosis 

E = w 1 H 1 +w 2 H 2 + ..... + w n H n 

= 0,20·1,1 + 0,12·1,21,2 + 0,05·1,2 + 0,12·1,61,6 + 0,12·12,012,0 + ...... 

= 2,4 mSv/a 




Teilchenstrahlung und energiereiche 

Photonenstrahlung t hl aus dem Weltall 

ll 

Protonen 93,0% 

Heliumkerne 63% 

6,3% 

schwere Kerne 0,7% 

Zusammenprall mit den Molekülen der 

Lufthülle und Auslösung vielfältiger 

Sekundärprozesse, z.B. Erzeugung der 

Radionuklide H-3, Be-7, C-14 und Na-22. 



Kaskadenschauer bei 

Einfall eines 

hochenergetischen 

kosmischen Protons in 

die Erdatmosphäre 

Es entstehen 

- γ-Quanten 

- Elektronen e – 

- Müonen μ 

- Nukleare Bausteine 

p, n, sekundäre Kerne 

Que elle: Musiol, Kern- und Elem mentarteilche enphysik 

3 7 14 22 

→ Kosmogene Radionuklide H ( β ) Be ( γ ) C ( β ) 

Na 

( β +γ 

) 




Der größte Teil der Exposition resultiert 

aus Gammastrahlung. 

Die Erdatmosphäre schwächt die 

Intensität entscheidend. 

Die Dosis steigt mit der Höhe über dem 

Meeresspiegel: 

Höhe, km Dosisleistung 

mSv/a µSv/h 

0 0,3 - 

1 0,5 - 

3 1,1 - 

10 35 4 

Beachte: Die Dosis für Flugpersonal 

kann signifikant sein (ca. 600 h/a) 




Radionuklide mit relativ kurzer Halbwertszeit: 

ständig in der Atmosphäre durch kosmische 

Strahlung erzeugt (z.B. H-3, Be-7, C-14, Na-22) 

Radionuklide mit sehr großer Halbwertszeit: 

20 Nuklide mit nur einem Zerfallsschritt 

(z.B. K-40, Rb-87, Se-82, Te-123, Sm-147) 

3 Nuklide mit Zerfallsreihen 

(Th-232, U-235, U-238) 

Radionuklide mit kurzer Halbwertszeit: 

aus Zerfallsreihen natürlicher Radionuklide 

mit langer Halbwertszeit 

(z.B. Radon aus den 3 obigen Reihen) 


Natürliche 

Strahlenexposition: 

Terrestrische 

Strahlung 

HH 

HB 

H 

Harz 

MD 

HRO 

B 

Gamma-Ortsdosisleistung 

i 

in der BRD (μSv/h) 

K 

SB 

F 

Thüringer Wald 

D 

Erzgebirge 

Rhön 

N 

Fichtelgebirge 

g 

Schwarzwald 

S 

M 

Bayerischer Wald 




im 'Standardmenschen' (70 kg, 20-30J.) 

Radionuklid 

K-40 

C-14 

Rb-87 

Pb-210 ff. 

Rn-220 ff. 

Aktivität, Bq 

4500 

3800 

650 

60 

30 

25 

25 

15 

40 4500 

14 3800 

87 650 

210 ff. 60 

220 ff. 30 

H-3 25 

Be-7 25 

Rn-222 

15 

sonstige 7 

Summe 9112 

Alles ganz natürlich! 

D.h.: 

>9000 radioaktive Zerfälle pro Sekunde 

>30 Millionen Zerfälle in dieser Stunde in jedem von uns! 



Belastung einzelner Organe in mSv/Jahr 

Keimdrüsen 1,1 

Magen-Darmtrakt 

1,2 

Leber 12 

1,2 

Knochenmark 1,6 

Lungen 12,0 (Radon!!) 

.... 

.... 

Effektive Dosis 

E = w 1 H 1 + w 2 H 2 + ..... + w n H n 

= 0,20·1,1 + 0,12·1,21,2 + 0,05·1,2 + 0,12·1,61,6 + 0,12·12,012,0 + ...... 

= 2,4 mSv/a 



Strahlenquellen 

Mittlere effektive Dosis, mSv/a 

von 

außen 

von 

innen 

gesamt 

kosmische Strahlung 0,3 - 0,3 

terrestrische Strahlung 0,5 - 0,5 

Inhalation von Radon - 1,3 1,3 

Inkorporation von Radionukliden - 0,3 * 0,3 

Summe 0,8 1,6 2,4 

in der BRD: 2,4 mSv/a (1,0 - 10,0 mSv/a) 

* im 'Standardmenschen': >9000 Zerfälle/s 

>30 Millionen Zerfälle/h !!!!! 


Zivilisatorische Strahlenexposition I 

Medizinischer Einsatz ionisierender Strahlung 

(ca. 2.00 µSv/a) 

Fallout nach Reaktorunfällen 

(max. 40 µSv 

Sv/a nach Tschernobyl) 

Fallout nach Atombombentests 

(

Zivilisatorische Strahlenexposition II 

Technische Anwendungen ionis. Strahlen 

(

Mittlere effektive Jahresdosis durch ionisierende 

Strahlung im Jahr 1999: ca. 4,5 mSv 

Natürliche Strahlenquellen 

(2,4 mSv/a) 

Künstliche Strahlenquellen 

(2,1 mSv/a) 

Kosmische 

Strahlung 0,3 mSv/a 

Nahrung 0,3 mSv/a 

Inhalation von 

Radon und seinen 

Zerfallsprodukten 

1,4 mSv/a 

Tschernobyl 

< 0,02 mSv/a 

Atombombenfallout 

Häufigkeit von Röntgenuntersuchungen in der BRD 

Tausend 

24000 

20000 

16000 

Stationär 

Ambulant 

12000 

8000 

4000 

0 

Brustkorb 

Glied iedmaßen 

Schädel 

Wirb irbelsäule 

Becken und Hüfte 

Art rteriendarstellu llung und Inter tervention 

Harntrakt 

Bau auchraum 

Speiseröhr hre, Magen, Dünndarm 

Dickdarm 

Mammog mographie 

Computertomog 

mographie 

nicht klas assifiziert 

sonstiges 

Zahnuntersuc 

uchungen 


i 




Typische Expositionswerte in der Medizin 

100.0 

effektive Dosis 

in mSv 

30.0 

Röntgendiagnostik 

CT Abdomen 

CT Thorax, Arteriographie 

Dünndarm 

Nuklearmedizinische 

Diagnostik 

Myocard 

10.0 

CT WS, Magen 

Urogramm 

Gehirn 

3.0 

1.0 

CT Schädel 

LWS 

Abdomen 

Becken 

BWS 

Mammographie 

Leber/Galle 

Skelett 

Lunge 

Schilddrüse 

Niere 

Schwankungsbreite 

der natürlichen 

Umgebungsstrahlung 

0.3 

Thorax 

0.1 BfS Jahresbericht 1998 


Dose Values are no Secret! 

Typical patient dose 

values in MSCT: 

E =10mSv(1-20 mSv) 

Germany, 2003 

Dose distribution 

calculated by Monte Carlo Methods 

on cadaver scans


3D dose distribution 

If dose distribution 

is known 

Organ dose 

and eff. Dose E 

Scan parameters 

(CTDI, DLP) 

are known 

k = E/DLP 

In general: Effective Dose E = k×DLP 

EC Radiation Protection Report N° 154, 2008


EC Radiation Protection Report N° 154, 2008

Natural background radiation: 

3 mSv/y. 

(range: 1-1010 mSv/y.) 

Senior author: A. Niroomand-Rad 

Natural background radiation levels 

“… in Ramsar are approximately 55-200 times higher 

than that of the global average rate.” (typ. 260 mSv/y.) 

“… no increased level l of chromosome aberrations. 

… It can be concluded that prolonged exposure … 

decreases the frequency of chromosome aberration and 

the cancer incidence rate.”


Maßnahmen zur Dosisreduktion in der 

Röntgendiagnostik 

1. Alle technischen Maßnahmen ausschöpfen 

2. ALARA (As Low As Reasonably Achievable) 

umsetzen 

3. Indikationsstellung prüfen !!! 

Kontraindikationen: diagnostische Unsicherheit und 

juristische / versicherungsrechtliche Absicherung 


Strahlenschutzbereiche 

Ortsdosis als relevante Größe (§36 StrlSchV 2001): 

Allgemeines Staatsgebiet: ≤ 1 mSv/8760 h 

Betriebsgelände: ≤ 1 mSv/2000 h 

Überwachungsbereich: 

b h 

> 1 mSv/2000 h 

Kontrollbereich: 

> 6 mSv/2000 h 

Sperrbereich: 

> 3 mSv/h 

1 Jahr = 24 h/Tag × 365 Tage = 8760 h 

Arbeitszeit: 50 Wochen × 40 h/Woche = 2000 h 

Zaun, Hausmauer, 

Wand zur Nachbarwohnung, ... 


Grundregeln im Strahlenschutz 

• Expositionszeit so kurz wie möglich halten! 

Kurzer Aufenthalt = niedrige Dosis 

• Abstand so groß wie möglich halten! 

D.h., das Abstandsquadratgesetz nutzen! 

• Abschirmung nutzen! 

z.B. Baulichen Strahlenschutz, Bleischürzen u.ä. 

• Inkorporation von Nukliden vermeiden! 

z.B. kein Essen, Trinken im Heißlabor 


Wie können wir das mit einer 

Röntgenuntersuchung verbundene Risiko 

abschätzen? 

Zum Beispiel für eine Thoraxübersicht a.p.: 

.: 

Organdosis H T = 300 µSv 

Effektive Dosis E = 60 µSv 


Ansatz für Abschätzungen des Patientenrisikos 

Schadensrisiko: R = a x E 

Organrisiko: R T = a T x H T 

a = 5 %/Sv * 

a T = Geweberisikokoeffizient, %/Sv * 

E = effektive Dosis, Sv 

H T 

= Organdosis, Sv 

Beispiel: Thoraxübersicht 

R = 005/Svx60µSv=3x10 0,05 x -6 

= ca. 1 : 300.000 

R T = 0,0085 /Sv x 300 µSv = 2,55 x 10 -6 

= ca. 1 : 400.000 

* bei Kindern bis 18 J. x 2, bei Erwachsenen >70 J. x 0,2 

!?!? Sagen Sie dem Patienten, dass sein Risiko, an einem durch die 

Röntgenaufnahme a e induzierten Krebs zu sterben, 1 : 300.000 000 beträgt !?!? 


Risiko 

Mortalitätsrate pro Jahr 

a) Alltagsrisiken (nachweislich) 

Blitzschlag 1: 1 000 000 

Verkehrsunfall 1: 7 100 

Autofahrer 1: 4 000 

Radfahrer 1: 8 000 

Fußgänger 1: 20 000 

20 Zigaretten täglich 1: 2 000 

Drachenfliegen 1: 500 

b) Berufsrisiken (nachweislich) 

Handel 1: 14 300 

Transport 1: 2 600 

Landwirtschaft 1: 1 350 

c) Medizinische Eingriffe (hypothetisch) 

Röntgen (kollektiv 2 mSv) 1: 10 000 

(Thoraxübersicht 1: 300 000 pro U.) 

(CT mit E = 5 mSv 1: 4 000 pro U.) 

(Narkose 1: 5 000 pro U.) 

(Angiokardiographie 1: 1 000 pro U.) 


Dual Action of Ionizing Radiation 

Cancer 

incidence 

Deterministic negative effects 

in the high dose range 

Natural 

background 

radiation: 

3.0 mSv 

(range: 1-10 mSv) 

The linear no-threshold 

(LNT) hypothesis 

? 

Resulting dual-action 

curve 

Adapted from Feinendegen 1999 

„normal“ 

? 

average patient dose 

in CT: 10 mSv 

200 400 600 

Biopositive effects 

in the low dose range 

Dose (mSv) 

Kalender WA. Computertomographie. Publicis, Erlangen 2006 


Dosis sola facit venenum! 

Paracelsus, Septem Defensiones, 1564 

Nur die Dosis macht das Gift! 

Only the dose makes the poison! 

Slechts de dosis maakt het gif! 


Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 

ZMPT 

Zentrum für 

Medizinische Physik 

und Technik, 

Erlangen, Henkestr. 91

Strahlenschutz - Instituts für Medizinische Physik

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