Dosimetrie Frits Pleiter 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 1

Dosimetrie wisselwerking van straling met materie vormt de basis voor een vijftal onderwerpen die van belang zijn in de dagelijkse praktijk van de stralingsdeskundige: dosimetrie stralingsgrootheden en -eenheden radiobiologie hoe beïnvloedt straling ons lichaam detectie hoe meten we straling afscherming hoe reduceren we straling toestellen hoe produceren we straling de overheid heeft grootheden en eenheden nodig om wet- en regelgeving te kunnen formuleren 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 2

Dosimetrie indeling fysische dosisgrootheden fluentie en flux exposie, geabsorbeerde dosis en kerma grensvlakken principe van Bragg-Gray bronconstanten voor -, - en -straling limiterende dosisgrootheden stralingsweegfactor en equivalente dosis weefselweegfactor en effectieve dosis operationele dosisgrootheden ICRU-bol omgevings-, richtings- en persoonsdosisequivalent 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 3

Dosimetrie fysische dosisgrootheden fysische dosisgrootheden beschrijven de fysische processen die zich afspelen bij wisselwerking van ioniserende straling met materie vorming van ionisatielading depositie van energie invloed van grensvlakken de meest interessante grootheid, dosis in menselijk weefsel, is helaas niet toegankelijk voor rechtstreekse meting Bragg en Gray hebben een gedachtenexperiment ontworpen, dat het mogelijk maakt maakt om dosis in weefsel te bepalen 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 4

Dosimetrie fluentie en flux fluentie = deeltjes per oppervlakte-eenheid  (m-2) flux = deeltjes per tijdseenheid dN/dt (s-1) fluentietempo = fluxdichtheid  (m-2 s-1) beschouw een puntvormige bron die N deeltjes uitzendt de bron bevindt zich in het middelpunt van een bol met straal R (R) = N / 4R2 kwadratenwet bron R (R) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 5

Dosimetrie exposie definitie van exposie (X) hoeveelheid ionisatielading in lucht per eenheid van massa eenheid is de röntgen definitie van röntgen (R) 1 R = 2,5810-4 C kg-1 1 R = 1 ese van lading per cm3 droge lucht lading elektron = 4,810-10 ese = 1,60210-19 C lucht = 1,29310-3 g cm-3 = 1,29310-6 kg cm-3 1 R = 1 ese cm-3  (1,60210-19 C / 4,810-10 ese) / 1,29310-6 kg cm-3 = 2,5810-4 C kg-1 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 6

Dosimetrie elektronenevenwicht ioniserende straling draagt energie over aan elektron in het materiaal, dat op zijn beurt energie overdraagt aan andere elektronen beschouw klein gebiedje B binnen in veel groter gebied A: evenveel elektronen van buiten B deponeren hun energie binnen B als elektronen van binnen B zijn die hun energie buiten B deponeren dit geldt alleen als gebied rond B groter is dan de dracht van de elektronen in het materiaal A B 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 7

Dosimetrie geabsorbeerde dosis en kerma definitie van geabsorbeerde dosis (D) hoeveelheid geabsorbeerde energie per eenheid van massa eenheid is de gray; elektronenevenwicht verondersteld definitie van kerma (K) acroniem: kinetic energy released in matter hoeveelheid energie die in primaire interactie wordt vergedragen eenheid is de gray; elektronenevenwicht speelt geen rol gedefinieerd voor indirect ioniserende straling (foton, neutron) definitie van gray (Gy) 1 Gy = 1 J kg-1 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 8

Dosimetrie geladen deeltjes beschouw een klein volume-elementje dikte x (m) oppervlak O (m2) soortelijke massa  (kg m-3) stopping power S (J m-1) fluentie  (m-2) energiedepositie E = ( O)  (S x) (J) massa M =   (O x) (kg) dosis D = E / M =  S/ (J kg-1) let op de juiste eenheden 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 9

Dosimetrie fotonen verzwakking N = -Nx  N(x) = N(0) e -µx µ = µfoto + µCompton + µpaar µ = lineïeke verzwakkingscoëfficiënt kerma beschouw de energiedepositie in een klein volume-elementje E = energieoverdracht  aantal fotonen  interactiekans = (E - E)   O  µ x = (1 - E / E ) µ  E   O x = µtr  E   O x M =   O x K = E / M = E  µtr /  µtr = lineïeke energieoverdrachtscoëfficiënt 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 10

Dosimetrie fotonen geabsorbeerde dosis fractie g van de elektronenergie wordt omgezet in remstraling D = (1 - g)  K = (1 - g)  E  µtr /  = E  µen /  µen = (1 - g) µtr = lineïeke energieabsorptiecoëfficiënt E = 0,5 MeV µ /  µtr /  µen /  (m2 kg-1) (m2 kg-1) (m2 kg-1) water 0,00966 0,00330 0,00330 spier 0,00958 0,00328 0,00328 bot 0,00926 0,00317 0,00317 lucht 0,00868 0,00296 0,00296 lood 0,00886 0,00503 0,00481 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 11

Dosimetrie grensvlakken fotonenfluenties aan weerszijden van grensvlak gelijk kerma in beide media evenredig met µtr /  K ~ µtr /  ~ el /  dit laatste mits het Compton-effect overheerst bij lage energie overheerst foto-effect foto-effect neemt toe met Z4 secundaire elektronenfluenties aan weerszijden van grensvlak gelijk dosis in beide media evenredig met Sel /  D ~ Sel /  ~ el /  dit laatste mits remstraling verwaarloosbaar is bij lage energie neemt Sel snel toe K1 / K2 = (µtr / )1 / (µtr / )2 fotonenergie is relevant D1 / D2 = (Sel / )1 / (Sel / )2 elektronenergie is relevant 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 12

Dosimetrie grensvlakken overgang spier - bot medium1 = spier Z = 7,6 medium2 = bot Z = 13,6 -energie = 175 keV K1 / K2 = (µtr / )1 / (µtr / )2 = 0,00285 / 0,00303 = 0,94 D1 / D2 = (Sel / )1 / (Sel / )2 = (el / )1 / (el / )2 = 3,3121023 / 3,1391023 = 1,06 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 13

Dosimetrie grensvlakken principe van Bragg-Gray beschouw een bol B in medium A vervang medium in B door lucht diameter holte B << dracht lucht dikte wand A >> dracht in medium breng een elektrode aan in de wand meet de exposie in B bereken hieruit de dosis in lucht bereken hieruit de dosis in medium Dm / Dl = (Sel / )m / (Sel / )l B A 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 14

Dosimetrie bronconstante voor -straling dracht in lucht L RL = 3E3/2 (kg m-2) in medium  R = 3,210-4 M  L RL = 3,210-4 M  3E3/2 (kg m-2) =    dE / S stopping power  / S = 3,210-4 M  4,5E1/2 (kg m-2 per MeV) S /  = 694 / (ME) (MeV per kg m-2) = 1,110-10 / (ME) (J per kg m-2) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 15

Dosimetrie bronconstante voor -straling bolschil met straal R (m) rondom puntbron met activiteit A (Bq) fluentietempo d / dt = 3600  A / (4R2) (m-2 h-1) geabsorbeerde energie E = d / dt  4R2  (S / )  ( x) = 4,010-7 A  x / (ME) (J h-1) massa bolschil M =   4R2 x (kg) dosistempo dD / dt = E / M = 3,1510-8 A / R2 (ME) = k A / R2 (Gy h-1) bronconstante k = 3,1510-8 / (ME) (Gy m2 Bq-1 h-1) = 31500 / (ME) (µGy m2 MBq-1 h-1) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 16

Dosimetrie bronconstante voor  -straling dracht  R = 5E (kg m-2) =    dE / S stopping power  / S = 5 (kg m-2 per MeV) S /  = 0,2 (MeV per kg m-2) = 3,210-14 (J per kg m-2) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 17

Dosimetrie bronconstante voor  -straling bolschil met straal R (m) rondom puntbron met activiteit A (Bq) fluentietempo d / dt = 3600  A / (4R2) (m-2 h-1) geabsorbeerde energie E = d / dt  4R2  (S / )  ( x) = 1,1510-10 A  x (J h-1) massa bolschil M =   4R2 x (kg) dosistempo dD / dt = E / M = 9,210-12 A / R2 = k A / R2 (Gy h-1) bronconstante k = 9,210-12 (Gy m2 Bq-1 h-1) = 9,2 (µGy m2 MBq-1 h-1) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 18

Dosimetrie bronconstante voor -straling energieoverdrachtscoëfficiënt µen /  = 0,003 (m2 kg-1) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 19

Dosimetrie bronconstante voor -straling bolschil met straal R (m) rondom puntbron met activiteit A (Bq) fluentietempo d / dt = 3600  A / (4R2) (m-2 h-1) geabsorbeerde energie E = d / dt  4R2  E  (µen / )  1,610-13  ( x) = 1,710-12 A E  x (J h-1) massa bolschil M =   4R2 x (kg) dosistempo dD / dt = E / M = 0,1410-12 E A / R2 = k A / R2 (Gy h-1) bronconstante k = 0,1410-12 E (Gy m2 Bq-1 h-1) = E / 7 (µGy m2 MBq-1 h-1) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 20

Dosimetrie overzicht bronconstanten straling k (µGy m2 MBq-1 h-1)  5000 (M  9, E  5 MeV)  9  E / 7 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 21

Dosimetrie indeling fysische dosisgrootheden fluentie en flux exposie, geabsorbeerde dosis en kerma grensvlakken principe van Bragg-Gray bronconstanten voor -, - en -straling limiterende dosisgrootheden stralingsweegfactor en equivalente dosis weefselweegfactor en effectieve dosis operationele dosisgrootheden ICRU-bol omgevings-, richtings- en persoonsdosisequivalent 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 22

Dosimetrie limiterende dosisgrootheden voor twee dosisgrootheden heeft de overheid jaarlimieten vastgesteld de equivalente dosis op ooglens, huid en en extremiteiten de effectieve dosis deze grootheden heten daarom limiterende dosisgrootheden 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 23

Dosimetrie stralingsweegfactor (ICRP-60) gerelateerde grootheden zijn Q, RBE, LET en S fotonen 1 (ICRP-26 Q = 1) elektronen 1 (ICRP-26 Q = 1) neutronen (ICRP-26 Q = 2 - 11) < 10 keV 5 10 - 100 keV 10 0,1 - 2 MeV 20 2 - 20 MeV 10 > 20 MeV 5 protonen 5 (ICRP-26 Q = 10) -deeltjes 20 (ICRP-26 Q = 20) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 24

Dosimetrie equivalente dosis definitie van equivalente dosis (H) product van stralingsweegfactor en geabsorbeerde dosis H = wR × D eenheid is de sievert voor enkele organen is een wettelijke jaarlimiet vastgesteld definitie van sievert (Sv) 1 Sv = 1 J kg-1 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 25

Dosimetrie weefselweegfactor (ICRP-60) afgeleid uit de relatieve bijdrage aan het totale detriment gonaden 0,20 (ICRP-26 wT = 0,25) beenmerg (rood) 0,12 (ICRP-26 wT = 0,12) dikke darm (onder) 0,12 longen 0,12 (ICRP-26 wT = 0,12) maag 0,12 blaas 0,05 borstweefsel 0,05 (ICRP-26 wT = 0,15) lever 0,05 slokdarm 0,05 schildklier 0,05 (ICRP-26 wT = 0,03) huid 0,01 botoppervlak 0,01 (ICRP-26 wT = 0,03) overige organen 0,05 (ICRP-26 wT = 0,30) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 26

Dosimetrie overige organen ICRP-26 ICRP-60 ICRP-67 ICRP-68 5 organen 10 organen 9 organen 10 organen elk wT = 0,06  wT = 0,05  wT = 0,05  wT = 0,05 bijnieren bijnieren bijnieren hersenen hersenen hersenen dikke darm (boven) ET dunne darm dunne darm dunne darm nieren nieren nieren spieren spieren spieren alvleesklier alvleesklier alvleesklier milt milt milt zwezerik zwezerik zwezerik baarmoeder baarmoeder baarmoeder 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 27

Dosimetrie overige organen weegfactor van de overige organen wrest = 0,05 Hrest = T (mT  HT) / T mT als de equivalente dosis van orgaan T * uit de restgroep groter is dan die van enig orgaan met een aparte weegfactor, dan geldt: Hrest = 0,5  T  T * [HT  mT / T mT] + 0,5  HT * deelbestraling van een orgaan als een deel van orgaan T inwendig of uitwendig bestraald is, wordt de gedeponeerde energie uitgesmeerd over de hele orgaanmassa mT 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 28

Dosimetrie effectieve dosis definitie van effectieve dosis (E) gewogen som van equivalente orgaandoses E = T wT × HT T wT = 1 eenheid is de sievert voor de effectieve dosis is een wettelijke jaarlimiet vastgesteld definitie van sievert (Sv) 1 Sv = 1 J kg-1 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 29

Dosimetrie effectieve dosis vermijd slordig taalgebruik … een dosis van 2 Sv op de schildklier … wat wordt er bedoeld: een geabsorbeerde dosis van 2 Gy op de schildklier? een equivalente dosis van 2 Sv op de schildklier? een effectieve dosis van 2 Sv tengevolge van een bestraling van de schildklier? in geval 1 is de equivalente schildklierdosis HT = 2 Sv in geval 2 is de effectieve dosis E = 0,05  2 = 0,10 Sv in geval 3 is de equivalente schildklierdosis HT = 2 / 0,05 = 40 Sv 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 30

Dosimetrie effectieve dosis ordes van grootte gemiddele jaardosis van de Nederlandse bevolking 2 mSv jaarlimiet voor gewone werknemers 1 mSv jaarlimiet voor blootgestelde werknemers 20 mSv lethale dosis > 10 Gy 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 31

Dosimetrie indeling fysische dosisgrootheden fluentie en flux exposie, geabsorbeerde dosis en kerma grensvlakken principe van Bragg-Gray bronconstanten voor -, - en -straling limiterende dosisgrootheden stralingsweegfactor en equivalente dosis weefselweegfactor en effectieve dosis operationele dosisgrootheden ICRU-bol omgevings-, richtings- en persoonsdosisequivalent 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 32

Dosimetrie operationele dosisgrootheden voor de equivalente dosis HT in ooglens, huid en extremiteiten, en de effectieve dosis E gelden wettelijke limieten, maar deze kunnen niet rechtstreeks worden gemeten men heeft daarom een aantal operationele dosisgrootheden gedefinieerd, die wel (toetsbaar) kunnen worden gemeten met simulatieberekeningen kan worden aangetoond dat deze operationele dosisgrootheden goede schatters zijn van HT en E 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 33

Dosimetrie ICRU-bol fysische grootheden , E S, µtr, µen fysische dosisgrootheden K, D operationele dosisgrootheden H*(d), H(d,), Hp(d) limiterende dosisgrootheden HT, E, E50 ICRU-bol diameter = 30 cm weefsel-equivalent 10,1 gew.% H 76,2 gew.% O 11,1 gew.% C 2,6 gew.% N meetpunt P aan voorkant op diepte d mm P 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 34

Dosimetrie omgevingsdosisequivalent definitie van omgevingsdosisequivalent H*(d) het stralingsveld in punt P wordt denkbeeldig uitgebreid over een dusdanig gebied dat daar de gehele ICRU-bol in past (uitgebreid veld), en vervolgens wordt alle straling in punt P geacht van de voorkant te komen (uitgericht veld) H*(d) is het dosisequivalent dat op een diepte van d mm in de ICRU-bol zou zijn gemeten in het uitgebreide en uitgerichte veld eenheid is de sievert (Sv) het omgevingsdosisequivalent is een schatter van de effectieve dosis E 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 35

Dosimetrie richtingsdosisequivalent definitie van richtingsdosisequivalent H(d,) het stralingsveld in punt P wordt denkbeeldig uitgebreid over een dusdanig gebied dat daar de gehele ICRU-bol in past (uitgebreid veld) H(d,) is het dosisequivalent dat op een diepte van d mm in de ICRU-bol zou zijn gemeten als het stralingsveld in punt P wel wordt uitgebreid, maar niet uitgericht (alle straling komt uit richting ) eenheid is de sievert (Sv) H(d,0°) = H*(d) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 36

Dosimetrie persoonsdosisequivalent definitie van persoonsdosisequivalent Hp(d) Hp(d) is het dosisequivalent dat op een diepte van d mm in zacht weefsel (niet ICRU-bol) onder een geschikt punt op het lichaam zou zijn gemeten voor berekening wordt ICRU-bol of ICRU-slab gebruikt zo berekende waarden worden aangeduid met Hp,sphere en Hp,slab persoonsdosisequivalent Hp(10) ooglensdosisequivalent Hp(3) huiddosisequivalent Hp(0,07) eenheid is de sievert (Sv) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 37

Dosimetrie operationele dosisgrootheden RLAT LLAT ISO ROT PA AP AP = anterior-posterior ROT = rotatiesymmetrisch LLAT = links-lateraal PA = posterior-anterior ISO = isotroop RLAT= rechts-lateraal 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 38

Dosimetrie operationele dosisgrootheden alle waarden (in Sv) zijn ten opzichte van kerma in lucht (in Gy) 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 39

Dosimetrie operationele dosisgrootheden de fotonenfluentie op 1 cm diepte in de ICRU-bol is zoiets als: stel µ = µ’, kies C = 7 en integreer tot oneindig; dit levert: 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 40

Dosimetrie operationele dosisgrootheden 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 41

Dosimetrie oude dosiseenheden definitie van “radiation absorbed dose” (rad) 1 rad = 0,01 Gy definitie van “röntgen equivalent man” (rem) 1 rem = 0,01 Sv 1 rad = 100 erg g-1 eenheid van energie = 1 erg = 10-7 J 1 rad = 100 erg g-1  10-7 J erg-1  103 g kg-1 = 0,01 J kg-1 = 0,01 Gy 1 R = 2,5810-4 C kg-1 / 1,60210-19 C = 1,6101016 ionen per kg  1,6101015 ionen per kg  34,0 eV per ion  1,60210-19 J eV-1 = 0,0088 J kg-1  0,01 Gy = 1 rad 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 42

Dosimetrie nieuwe ontwikkeling - stralingsweegfactor ICRP-60 ICRP-103 foton, elektron 1 1 neutron < 10 keV 5 2,5 10 - 100 keV 10 7,5 0,1 - 2 MeV 20 20 2 - 20 MeV 10 10 > 20 MeV 5 5 proton 5 2 -deeltje 20 20 H = wR  D krijgt de nieuwe naam “radiation weighted dose” er komt misschien een nieuwe eenheid voor H 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 43

Dosimetrie nieuwe ontwikkeling - weefselweegfactor ICRP-68 ICRP-103 gonaden 0,20 gonaden 0,08 beenmerg (rood) 0,12 beenmerg (rood) 0,12 dikke darm 0,12 dikke darm 0,12 longen 0,12 longen 0,12 maag 0,12 maag 0,12 blaas 0,05 blaas 0,04 borstweefsel 0,05 borstweefsel 0,12 lever 0,05 lever 0,04 slokdarm 0,05 slokdarm 0,04 schildklier 0,05 schildklier 0,04 huid 0,01 huid 0,01 botoppervlak 0,01 botoppervlak 0,01 hersenen 0,01 speekselklieren 0,01 10 overige organen 0,05 13 overige organen 0,12 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 44

Dosimetrie nieuwe ontwikkeling - overige organen ICRP-68 ICRP-103 10 organen 13 organen  wT = 0,05  wT = 0,12 bijnieren bijnieren galblaas hersenen hart ET ET lymfeknopen dunne darm dunne darm mondslijmvlies nieren nieren spieren spieren alvleesklier alvleesklier milt milt zwezerik zwezerik baarmoeder baarmoeder / prostaat 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 45

Dosimetrie nieuwe ontwikkeling ICRP 103 de somregel voor de overige organen wordt vereenvoudigd → Hrest = T HT / 13 er komen misschien weefselweegfactoren voor directe effecten de limiet voor de equivalente dosis op de ooglens wordt misschien verlaagd naar Hooglens = 20 mSv per jaar 16/04/2017 dosimetrie niveau 3 46