Elektromagnetisk stråling fotoner. Bq=1/s. Aktivitet A = dn/dt = λn. N=N 0 e λt. T ½ λ=ln2. Spesifikk aktivitet. Desintegrasjonskonstanten

Transkript

1 Aktivitet (A) A = d/dt = λ Elektromagnetisk stråling fotoner = 0 e λt T ½ λ=ln2 Bq=1/s Spesifikk aktivitet Desintegrasjonskonstanten (λ) Fotoelektrisk (Z 4 ) Compton (Z) Pardannelse (Z 2 ) Halveringstid T ½ Fysisk t f Biologisk t b Effektiv t eff 1/ t f + 1/ t b = 1/ t eff γ-type Stråledose Absorbert dose Gy 1J/kg Ekvivalent dose Sv w R (strålingsvektfaktor) Elektroner (β) Fotoner (X ray, γ) β-type α-type Effektiv dose Sv w R, w O (organvektfaktor) α partikkel tyngre ladde kjerner

2 Co 59+n Co 60 Halveringstida til Co 60 er 5,3 år Det bestråles med nøytroner til Co 60 aktiviteten er 1 Ci. Hvor mange atomer Co 60 er det da i prøven? Vi veit at aktiviteten til en radioaktiv kilde er gitt ved Vi skal finne ; og setter = A / λ A = λ Vi har fått oppgitt aktiviteten: A =3, Bq (1Ci) og trenger kun å finne λ før vi kan beregne. Ettersom vi har oppgitt halveringstida (t 1/2 = 5,3 år) beregner vi desintegrasjonskonstanten λ på standard måte: ln2 = λ t 1/2 λ = ln2 / t 1/2 ln2 / 5,3 ( ) = ln2 / (5,3 år 3, sek/år ) = ln2 / 1, sek = 0,693 / 1, sek = 4, s 1 MERK: må gjøre om tida til sekunder etter som aktiviteten i Bq inngår i uttrykket! Har nå både λ og A og kan følgelig finne fra formelen = A / λ. Antall atomer Co 60 iprøven: = A / λ = 3, Bq / 4, s 1 =

3 I løpet av et år mottar en arbeider følgende stråling: 5 mgy fra α-partikler til lungene 100 mgy fra β-partikler til skjoldbruskkjertelen 16 mgy i uniform helkropsdose fra ekstern gamma kilde. Hva er den totale effektive dosen? Effektiv dose = D w R w o Tabell s.41 i boka: w o lunge = 0,12 w o skjoldbruskkjertel = 0,05 w R = 1 for β og γ w R = 20 for α Total effektiv dose = 5 mgy 20 0, mgy 1 0, mgy 1 1 = 33 msv

4 Ladd-PARTIKKEL STRÅLIG Myke prosesser Harde prosesser Track Spur Sekundærelektroner Blob Delta stråler

5 Build up Totaldose skyldes primær ionisasjon + sekundær elektroner Protonterapi lav dose foran målvolum lav dose bak målvolum

6 LET / Bethe Block LET π mv e ln rel. effekter 2 e de 4 ( ze ) Z = = + dx m v I Energiavsetning for ladde partikler de/dx ze v Z Z I LET ladningen til innkommende partikkel hastigheten til innkommende partikkel effektive atomnummeret til mediet antall elektroner pr volum til mediet midlet ionisasjonspotensial/eksitasjonenergi for mediet. øker med Z. øker med (ze 2 ) 2 øker inverst med hastigheten v, går gjennom et maksimum når hastigheten v 0 Rekkvidden, x LET 2 de ze = ρe dx v 2

7 Måling av stråling Aktivitet Spesifikk aktivitet Stråletype Strålingens energi Dose Følsomt volum hvor strålingen induserer en målbar forandring Ionekammer Geiger Müller teller (GM teller) Film TLD Scintillasjonstellere (ai) Halvledertellere Gassvolum i elektrisk felt mellom to elektroder. Stråling ioner. Antall ioner er proporsjonalt med avsatt strålingsenergi. èn puls for hver ionisasjon Svertingsgrad av filmen er proporsjonal med strålingsdose Termo Luminescence Dosimeter. Stråling elektroner fanges i gitteret. Oppvarming elektroner og hull rekombinere under utsendelse av lys. Lysutsendelse når ai treffes av stråling. Ionisering lysglimt fotomultiplikator spenningspuls prop. med energien elektrisk ladning frigjøres ved ionisasjon gir nøyaktig mål for avsatt energi Kjemisk dosimetri Strålingsinduserte kjemiske forandringer. Frikke oksydasjon av Fe 2+ til Fe 3+ EPR dosimetri mengden av strålingsinduserte fri radikaler er proporsjonalt med stråledosen

8 Kosmisk stråling 0,4 msv Intern stråling 0,4 msv (C 14 og K 40 ++) Ekstern γ 0,3 msv (jord og berggrunn) Radon 2 3mSv (α) Medisinskbruk 1,1 msv (ikke terapi) TOTALT 3 5mSvprår + Tsjernobyl (1986) + 0,1 msv pr år

9 Biologiske effekter av ioniserende stråling for mennesker ingen sikre funn ved doser under msv. Genetiske effekter hos mennesker ikke observert uannsett dosestørrelse! LD 50 dose for mennesker, ca 5Sv. Helkropsbestråling ved beinmargstransplantasjon: typisk 10 Sv. Lokale terapidoser ved strålebehandling: typisk 80 Gy (gitt i flere fraksjoner). Stor dose > 1 Gy Midlere dose 0,1 1 Gy Liten dose < 0,1 Gy ørliten dose 0,005 Gy 5 mgy Dosegrenser (tillegg til naturlig stråling) Yrkesutøvere (stråleutsatte) 100 msv/5år (snitt 20 msv/år) Befolkingen generelt 1 msv/år

10 Medisin Terapi Kurativ (høye doser; typisk Gy i fraksjoner på 5 10 Gy) Inter og Ekstern Palativ (lavere fraksjoner) Diagnostikk Lave doser ca doser: Body CT (10 msv), Hode CT (2,5 msv), Mammografi (0,5 msv), Tannrøntgen (0,01 msv) Industri Sterilisering av embalasje og medisinsk utstyr (kgy MGy) Bestråling av mat primært for å drepe bakterier som f.eks salmonella (kgy) Sveiseskjøter studere kvaliteten; at de er tette etc Prosess styring nivåvakter i silo Papirindustri måle papirtykkelse fra absorbert stråling og redusert intensitet Oljeindustri undersøke formasjoner på havbunnen nøytonrefleksjon ifm oljeleting. Røykvarslere ionekammere hvor røykpartikler vil senke strømmen Selvlysende skilt eller klokker Radioaktivt stoff blandes med fosfor som lyser. Tidligere ble det brukt radium som er γ emitter, nå brukes det β emittere. Forskning X diffraksjon Tracerteknikk +++ strukturbestemmelse biologiske molekyler radioaktiv merking Hersey Chase

11

12 Hershey Chase eksperimentet i 1952 Hvordan angriper et virus en celle? Hva er den virulente delen av et virus? Martha Cowles Chase /Epstei ( ) Alfred Day Hershey ( )

13 DA strålingsfysikk Indirekte effekt Radikaler dannet i omgivelsene angriper DA OH Direkte effekt Ionisering og energideponering finner sted direkte i DA hv, ±e

14 DA strålingsfysikk I cellekjernen Indirekte vs. direkte effekt: ca 50 : 50 Ionisering 50% på basene 50% på sukker-fosfat Hull (underskudd av elektroner) - på sukker-fosfat og på basene Overskudd av elektroner - primært på basene

15 Strålingsforløpets temporale stadier. Fysiske s energien absorberes ionisasjon, eksitasjon radikaldannelse vibrasjon, relaksasjon, de eksitasjon Fysisk/kjemiske s protonering deprotonering Kjemiske s radikalreaksjoner kjemiske endringer på molekyler (proteiner DA cellestruktur) Biologiske/ 10 6 s år mutasjoner Medisinske genetiske effekter celledød reparasjon kreft

16 Absorbsjon av strålingsenergi i vann Ionisasjon HO HO + e hν HO H OH e + H2O H+ OH eller H O H O H O hν * var me/ relaksasjon HO HO hν 2 2 Eksitasjon ** ** HO 2 H+ OH e + xh O e 2 aq + H + OH H O 2 H OH og e aq

17 Skade som funksjon av dose Overlevelse som funksjon av dose ( D) = e α D 0 D = stråledose 0 = bestrålte targets (celler, DA, enzym el.l) (D) = er uskadde targets etter dosen D α = konstant som angir strålefølsomheten Overlevelsen er redusert til 0,37 (dvs 37%) når αd= 1 (α=1/d 37 ) / 0 = e 1 =1/e = 1/ 2,718 = 0,368 = e αd(37) dvs, αd 37 = 1

18 TARGET TEORI Strålevirkningen stokastisk; antall treff følger Poisson statistikk, hver event er uavhengig av alle andre eventer hver event overfører en diskret mengde energi Pn ( ) = n ( α D) ie n! αd Dersom en skade opptrer etter n treff n 1 n α D D ( ) ( α D) ie 0 = n= 0 n! (D)/ 0 =overlevelse. for n=1 en treff teorien (rett linje i semilogaritmisk plott) for n>1 fler treff teorier (sigmoide kurver, dvs skulder kurver ) Antar at ett treff og ett target er tilstrekkelig for skade De som skades ( ikke overlever ): + =1 (D) + 0 α D = 1 e = 1 e + = e 0 D D37 (1 ) ( D) e α D = = e 0 D D 37 D D 37 Rekkeutvikler for små doser lineær sammenheng mellom effekt og dose + D = D 0 37 D + 0 = 37 D Yield ' antall dannede produkter ' G = '100 ev absorbert energi '

19 Yield av vannradikaler varierer med ph

20 Vannradikaler Radikal-yield (G) varierer med ph 1) : MH + H M H i 2) : MH + OH M HOH i 2 3) : MH + H M + H i i 4) : MH + OH M + H O i 5) : MH + etrapped MH i i 6) : MH + e + H O M+ H + OH trapped i i i i i H-addisjon OH-addisjon typisk baser H-abstraksjon typisk sukker H-abstraksjon (homolyttisk brudd) elektroninnfanging H-abstraksjon Indirekte effekt i tørre stoffer i i hν ** MH MH M+ H supereksitasjon + homolyttisk bindingsbrudd

21 Eksempel på endring i effekt ved endring i vanninnhold

22 Oksygeneffekt D37 aerob D37 (1 / ) ( ) OER = = (1 / D ) ( ) med oksygen uten oksygen anaerob uten oksygen med oksygen 37 anaerob D37 aerob Oksygen er et biradikal + i i i hν MH MH, M, H, e + MH + e MH i i i M + H MH O 2 har høy affinitet for e, H og M. OER < 1 >1 =1 avhemger av mekanisme og system ca 2 i levende celler

23 Oksygen påvirker strålefølsomheten Strålefølsomheten til Trypsin OER < 1 2 O 2 (1 / D ) ( D ) OER = = (1 / D ) ( ) med oksygen uten oksygen 37 aerob 37 anaerob uten oksygen med oksygen 37 anaerob D37 aerob

24 DA strålingsfysikk Ionisering 50% på basene 50% på sukker-fosfat + Ladningstransport gir ujevn fordeling av radikalprodukter Ionisasjons Potensial: G<A<T<C<SP Guanin Kation Elektronene vil primært fanges inn på basene Elektron Affinitet: C T>A>G>SP O + + H H H drib + Endelige radikalfordeling: % på basene (primært G og C) % på sukker-fosfat (primært hull ) drib H H O Cytosin anion e

25 Department of Physics University of Oslo The unique impact of ionizing radiation is due to clustering of damage. Since the degree of clustering is altered by electron and hole migration, early electron transfer processes are important

26 O H H + + H H drib drib O H Guanins Kation Cytosin anion

27 R.B. Setlow og R.W. Hart, 1975 Lys aktivert reparasjon av pyrimidin dimer Elkind og Sutton, 1959 Total stråleskade er mindre ved fraksjonert bestråling, pga reparasjon

28 Adaptiv effekt -liten trigger dose reduserer effekten av påflgende større dose - trigger reperasjon Hypersensitivitet - ekstra høy strålefølsomhet ved lave doser Surviving fraction IR -m odel LQ-model Dose (Gy) Hormetisk effekt positiv effekt ved lave doser, negativ effekt ved høye doser

29 Okysgeneffekt en utfordring i stråleterapi Typisk OER for friske celler 2 (1 / D ) ( D ) OER = = (1 / D ) ( ) med oksygen uten oksygen 37 aerob 37 anaerob uten oksygen med oksygen 37 anaerob D37 aerob Friske celler er normalt litt mindre strålefølsomme enn kreftceller Hypoxi: Underskudd på oksygen i cellene grunnet manglende blodtilførsel ormalt beskytter hypoxi mot strålingsindusert celledød. Hypoxi i kreftsvult gjør svulsten mer resisten mot stråling. Hypoxi er en viktig grunn til fraksjonerte bestråling ved kreft terapi. y forskning: Ved lave doserater synes cellene å stimuleres til økt oksygenforbruk dette medfører strålingsindusert celledød grunnet for streng hypoxi

30 Primed with 0.3 Gy at high dose rate (40 Gy/h), low dose hyperradiosensitivity is transiently removed Primed with 0.3 Gy at low dose rate (0.3 Gy/h), low dose hyperradiosensitivity seems to be permanently removed Surviving fraction Surviving fraction T-47D, acute, IR-model T-47D, acute, LQ-model HDR-priming, 6 h HDR-priming, 24 h Dose (Gy) 5 weeks weeks 6 months 8 months 14 months Dose (Gy) T-47D humane brystkreftceller

31 Cellesyklus Strålefølsomheten er størst i mitosen

32 Aktiviteten til C 14 i levende materiale tilsvarer ca 15,4 desintergrasjoner pr. minutt pr. gram reint karbon. Halveringstiden for C 14 er 5730 år. oen arkeologer finner en trebit de lurer på om kan stamme fra et vikingskip. De benytter vanlig C 14 analyse. Trebiten som veide 2 g hadde en aktivitet på 11,8 desintegrasjoner pr. minutt. Karboninnholdet i trebiten var 44 %. Hvor gammel var trebiten? I en avstand på 1,0 m fra en Cs 137 kilde med aktivitet 1,5 MBq vil doseraten være 0,117 μgy pr. time. Halveringstiden for Cs 137 er 30 år. a) Beregn hvor lang tid det tar før aktiviteten til en kilde på 1,5 MBq er redusert til 0,5 MBq. b) Hvorfor kan en for Cs 137 skrive 1 Gy = 1 Sv c) Hvor lenge må en oppholde seg i en avstand på 0,75 m fra en Cs 137 kilde med en konstant aktivitet på 1,0 MBq for å motta en dose på 1,0 msv. En av de viktigste isotopen som ble sluppet ut ved Tsjernobylulykken var Cs 137. Den har en halveringstid på 30 år. Målinger gjort rett etter ulykken viste at det totale nedfallet i orge av Cs 137 var 2, Bq. Hvor mange kilo Cs 137 falt ned over orge? Alle mennesker har noe radioaktivitet i kroppen. I denne oppgaven skal du (igjen) konsentrere deg om den naturlige isotopen C 14. Så lenge vi lever er mengden av C 14 konstant, Bq pr. kg. år vi dør avtar dette med en halveringstid på 5730 år. C 14 sender ut en β partikkel med maksimal energi på 156 kev. 1 ev = 1, J. a) Hvordan kommer C 14 inn i kroppen? b) Hvilken årlig effektiv stråledose gir C 14, hvis du antar er aktivitet på 30 Bq/kg? c) Hvor mange C 14 atomer er det pr. kg kroppsmasse? d) For omlag 10 år sia ble det funnet en mann i Alpene som en mente hadde ligget der i ca 5000 år. Hvilken aktivitet av C 14 burde en vente å finne hos denne mannen? e) Hvordan kan det ha seg at konsentrasjon av C 14 i naturen er omtrent den samme i dag som for mange millioner av år siden når halveringstiden er så kort som 5730 år?