1.1.7Vekselvirkning af stråling med stof
Vekselvirkningen af stråling med stof er overførelsen af energi fra strålingen (foton eller partikel) til stoffets atomer.
Selve vekselvirkningsprocessen afhænger af strålingstypen, strålingens energi, og også af i hvilket materiale vekselvirkningen foregår. På vor afdeling arbejder vi mest med isotoper der udsender gammastråling (-fotoner), derfor er følgende en kort oversigt over de vigtigste vekselvirkningsprocessor for fotoner. Der findes andre vekselvirkningsprocesser for ladede partikler (protoner, elektroner), og også for neutroner, men disse er vil ikke blive ontalt her. For beta-stråling, som er udsendelsen af en elektron eller dens anti-partikel, positron, resulterer vekselvirkningen med et stofs atomer i udsendelsen af flere fotoner, eller
elektroner. Derfor er den totale overførelse af energi fra den oprindelige partikel beskrevet som en serie af individuelle vekselvirkningsprocessor.
For fotoner er der mindst ni forskellige processer hvorved energi kan afsættes i stof. Hvilken af disse processer der dominerer afhænger af fotonens energi – fra lav energi fotoner (E få keV) til høj energi fotoner (E > 200 MeV), og af stoffets egenskaber (antal protoner i kerner). Fotonerne der bruges indenfor nuklearmedicin har normalt en energi, E 100 - 500 keV (typisk 140keV), og vi er interesseret i hvordan de vekselvirker med væv. For vor formål er der faktisk kun tre vigtige måder en foton vekselvirker: fotoelektrisk effekt; compton spredning og parproduktion. Derudover er der en vigtig proces hvor en elektron kan miste energi ved at udsende fotoner: brehmsstrahlung. Disse fysiske principper forklares kort i det følgende.
1.1.7.1Vekselvirknings processor
Fotoelektrisk effekt
Hvis en foton der bevæger sig i et materiale vekselvirker med et atom gennem den fotoelektriske effekt, vil den forsvinde, og i stedet for bliver der udsendt en fotoelektron og en karakteristisk røntgenstråling. Processen kan deles op i to trin: a) absorption af den indkommende foton og udsendelse af en fotoelektron, og b) udsendelse af røntgenstråling (foton).
Den fotoelektriske effekt er en proces der sker mellem en foton og elektronerne i et atoms elektronskaller. Elektronerne er forbundet til atomet med en bindingsenergi EBE. Hvis en foton, der har en energi E, der er lidt stører end bindingsenergien, absorberes af atomet, dvs. den opgiver al sin energi til en elektron, vil den oprindelige foton forsvinde, og en elektron blive udsendt fra atomet med en bevægelsesenergi der svarer til forskellen i fotonens energi og elektronens binding energi. Den største sandsynlighed for en vekselvirkning, er når fotonen har en energi der er lidt højere end en elektrons binding energi. Vekslevirkninger opstå mest for elektronerne i et atoms indre skal.
Efter udsendelsen af fotoelektronen, er der et hul tilbage i én af atomets elektronskaller, og derfor sker der en omorganisering af atomets andre elektroner – en fra en ydre skal ”falder” ned for at fylde den tomme plads. Når hullet fyldes af en anden elektron, udsendes forskellen i energi mellem de to elektronskaller som en foton der har energi Ex = Eydre skal – Eindre skal. Denne foton kan efterfølgende forsage andre vekselvirkninger i materialet.
Figur 1 6: Fotoelektrisk effekt: vekselvirkning af en foton med en elektron i atomets skal. Fotonen forsvinder og der udsendes (a) en fotoelektron og (b) en anden foton med lavere energi end den første pga. omorganisering af elektronerne i atomet. Ec er fotonens energi, EBE, EKE er fotoelektronens bindings og kinetik energi, og , ’ er den indkommende og udgående fotoners frekvenser henholdsvis. h er en fysik konstant som hedder ”Planck’s konstant”.
Compton spredning
En indkommende foton af energi E = h, vekselvirker med atomets yderste elektroner, og overfører noget af dens energi til en elektron. De yderste elektroner er løst bundet til atomet (har lav bindings energi), og kan få energi nok til at bliver udsendt fra atomet med en energi Ee. Den udsendte elektron hedder en ”rekyl elektron”. Den oprindelige foton har nu mistet lidt energi til rekyl elektronen, derfor fortsætter den med en ny lavere energi (h’) og i an anden retning. Vi siger at fotonen blev spredt af elektronen.
Efter en compton vekselvirkning er der to ”nye” partikler (elektron og foton) plus atomet tilbage. Både rekyl elektronen og fotonen kan undergå videre vekselvirkningsbegivenheder. Elektronen kan miste energi ved at udsende bremsstrahlung fotoner, og fotonen kan fortsætte med at overføre energi til stoffet gennem videre compton eller fotoelektriske vekselvirkninger.
Figur 1 7: Compton spredning: den indkommende gammafoton med energi E spredes af elektronerne i atomet. Lidt af fotonens energi gives til en ydre elektron, og der bliver udsendt en rekyl-elektron. Fotonen fortsætter med lavere energi (h’) og i en anden retning (vinkel c).
Parproduktion
For fotoner der har energi nok, dvs. dem som har en energi større end en tærskelenergi på 1,02 MeV, er der mulighed for at de vekselvirker gennem processen parproduktion. Effekten er at den indkommende foton bliver fuldstændigt absorberet.
Fotoner der passerer i nærheden af et atoms kerne påvirkes af kernens store ladning, og der er mulighed for at fotonen omdannes til et elektron/positron par9. I denne proces spiller stoffets atomer og kerner passive roller. Sandsynligheden for at en foton forsvinder gennem parproduktion stiger hurtig for fotonenergier højere end 1,02 MeV.
Tilintetgørelse:
Den dannede positron er elektronens anti-partikel, derfor når den kommer i nærheden af en anden elektron i stoffet, vil den annihilere. Resultatet er udsendelsen af to fotoner i modsatte retninger, hvor begge fotoner har en energi på
511 keV (pga. bevarelsen af systemets energi – 1.02MeV). Derfor er tegnet på en parproduktions begivenhed: forsvinden af den oprindelige foton og dannelsen af en elektron plus to fotoner. Disse partikler kan undergå flere vekselvirkninger med resultatet at endnu mere energi bliver overført til stoffet.
Figur 1 8: En foton med en energi > 1,02MeV omdannes til en elektron/positron par i nærheden af en kerne. Positronen annihilerer med en elektron i materialet med udsendelsen af to 511 keV fotoner.
For isotoper der henfalder ved at usende -stråling (positroner), er annihillerings vekselvirkningsprocesser meget vigtige. Faktisk er Positron Emission Tomografi (PET) baseret på denne fysike proces. Derimod er traditionelle nuklearmedicinske undersøgelser der udnytter et gammakamera for at detektere enkelte gammafotoner udsendt fra radioaktive isotoper for at danne et billede af aktivitetens fordeling i kroppen, f.eks. gammafotoner fra 99mTc henfald for planar eller SPECT10 billeder, udnytter et PET-kamera princippet af samtidigt opdagelse af to 511 keV gammafotoner lige overfor hinanden i detektoren fra annihilationen af en positron. På denne måde danner PET undersøgelser tilsvarende billeder for fordelingen af isotoper der udsender stråling i kroppen. 18-flour (18F) er et eksempel på en isotop der anvendes til PET. Normalt er den forbundet til et glukose molekyle (FGD) der indegår i kroppens glukose stofskifte processer. Kun isotoper der udsender stråling kan anvendes til PET. I begge tilfælde, SPECT eller PET, er isotopens fordeling styret af kroppens stofskifte og fysiologi, og ikke anatomi.
Brehmsstrahlung
En høj energi elektron vil overføre energi til stoffet gennem forskellige processer, men i nærheden af en kerne er det meget sandsynligt at den mister energi gennem processen brehmsstrahlung. Navnet stammer fra det tyske ord for ”bremse stråling”, som lige præcis beskriver fysikken bag vekselvirkningen – stråling der opstår når elektronen opbremses.
Når en høj energi ladet partikel kommer i nærheden af et atoms kerne, føler den en stærk coulomb-kraft11 der afbøjer den indkommende partikels retning - vi siger at partiklen accelererer12. På grund af atomets store masse sammenlignet med den indkommende partikel, er dets tilsvarende acceleration ubetydelig. Det er som kun den indkommende (mindre) partikel er påvirket. Fysiske regler siger, at en ladet partikel der accelereres, udstråler elektromagnetisk stråling, dvs. fotoner bliver udsendt. En foton vil have energi E = h, og den oprindelige partikel vil have mistet den tilsvarende energi.
Den indkommende partikels energitab er meget afhængigt af a) dens egen masse, og b) egenskaberne af stoffet den vekselvirker med. Partikler med mindre masse udsender mere stråling13, dvs. en elektron vil tabe mere energi gennem bremsstrahlungs processen end en tungere proton, og der sker flere vekselvirknings begivenheder i stof hvor atomer har et højt antal protoner i kernen.
Når elektroner bliver udsendt fra andre vekselvirknings processer, f.eks. fotoelektroner fra fotoelektrisk effekt og rekylelektroner fra compton processer, mister disse elektroner energi i stoffet ved at udsende bremsstrahlungs fotoner, som kan undergå videre vekselvirkninger med andre atomer i stoffet.
Figur 1 9: Bremsstrahlung: en elektron, der passerer i nærheden af en kerne, accelererer og udsendelser en foton.
Energi tab i et materiale: - hvilke vekselvirknings processer?
Betragt en foton der bevæger sig i et materiale. Fotonen vil starte med en energi E og en bestemt retning i rummet. Materialet er opbygget af atomer der har et bestemt antal protoner (Z) i kernerne. Når fotonen bevæger sig i materialet påvirkes den af kræfter fra atomernes elektroner og kerner, og derfor undergår den vekselvirkninger. Vekselvirkningen afhænger af fotonens energi og materialets Z-værdi. Fotonen vil vekselvirke enten gennem fotoelektrisk effekt eller compton spredning (antage at E < 1,02MeV og den ikke undergå parproduktion). Efter vekselvirkningen bliver der udsendt en elektron (foto-, eller rekyl-), og den oprindelige foton vil enten have en lavere energi og forskellig retning hvis den var compton spredt, eller forsvinde under en fotoelektrisk vekselvirkning. Elektronen kan nu undergå videre vekselvirknings processer – den kan miste energi ved at udsende bremsstrahlungs fotoner, og disse fotoner kan have videre vekselvirkninger der kan resultere i flere elektroner eller fotoner med lavere energi indtil enten al energi fra den oprindelige foton er afgivet til materialet, eller fotonen undslipper materialet med det resultat, at den vil have en lavere energi og bevæge sig i en anden retning end før den gik ind i materialet.
V
Figur 1 10: vekselvirknings processer for fotoner for forskelligeafhængigt af energi områder og for stoffer med forskellig Z værdier (fra [Ref 9], se Figur 3-1).
ekselvirkningen af fotoner med stof er derfor et samspil mellem de forskellige processer, og det har vigtige konsekvenser for nuklearmedicin: a) energien afsat i materialet bidrager til dosisen til materialet, dvs. til personale/patienterne, hvis fotonerne vekselvirker med væv, og b) fotoner der er compton spredt bevæger sig i den ”forkerte” retning. Hvis disse fotoner er dem som skal detekteres til undersøgelsen af en patient, bliver de detekteret som fotoner med den forkerte energi og med den forkerte retning – de vil forværre billedkvaliteten. De kan også bidrage til dosis, pga. at fotoner med lavere energi har større sandsynlighed for at miste al deres energi gennem en fotoelektrisk proces før de kan trænge gennem stoffet (f.eks. en patient).
Figur 1-10 viser energiområderne hvor de vigtigste vekselvirknings processer for fotoner er dominerende, også for forskellige absorberende materialer (forskellige atomnummer, Z) . De fleste medicinske nuklider udsender fotoner med energier 100 - 500keV, og for vekselvirkninger i materialer med lav Z (for væv er Z=7,5 og for knogler er Z= 13), kan vi se, at compton spredning er den dominerende vekselvirknings proces. Det kan godt være et problem for undersøgelsens billedkvalitet. Det betyder også, at der kommer mange spredte fotoner ud af patienten, som kan give strålehygiejniske problemer for personalet.
1.1.7.2Gennemtrængning og afskærmning
Når en foton trænger igennem stof, vil der muligvis forekomme en vekselvirkning imellem fotonen og materialets atomer. Vekselvikningens sandsynlighed og type (compton, fotoelektrisk eller par produktion), bestemmes af fotonens energi og materialets Z værdi (se sektion 1.1.7.1). Under vekselvirkningen afgives fotonens energi til stoffet, hvorved den enten mister energi og forsætter med en lavere energi (compton), eller taber hele sin energi og forsvinder (fotoelektrisk). Vi siger at fotonen er attenueret (svækket/dæmpet). På den anden side har materialet absorberet energi - det er en absorber. Derfor, hvis man har et foton beam, er det bekvemt at bruge idéen attenuation for at beskrive hvor mange fotoner bliver tabt fra beamet, når det trænger igennem stof.
Attenuations koefficient: 
Fotoner dæmpes eksponentielt når de bevæger sig i stof. Hvor meget fotonerne dæmpes er beskrevet af , den ”lineære attenuations koefficient”, dvs. svækkelsen per længdeenhed. Den har enheden [cm-1], og er afhængigt af fotonernes energi og absorberens materiale type (Z). Der findes en relateret attenuations koefficient kaldet masse attenuations koefficienten, med enheden [cm2/g]. Den tager hensyn til materialets mængde/komposition og er defineret som , hvor er stoffets densitet. Figur 1-11 viser attenuationen af fotoner: den oprindelige intensitet I0 falder til I når de trænger igennem absorberen af tykkelse x. Nogle fotoner forsvinder fra beamet.
En egentlig beregning af er meget indviklet fordi der skal tages hensyn til alle bidrag til processen - den afhænger af vekselvirkningsprocesserne, produktionen af sekundære partikler, fotonens energi osv. Hvis man har brug for at kende for et bestemt materiale, f.eks. til afskærmningsberegninger, er det mest praktisk at bruge fysiske målinger. Disse findes for forskellige materialer og gammaenergier i tabel form, f.eks. NIST databasen for x-ray masseattenuations koefficienter [Ref 21]. Dér findes koefficienter for både grundstoffer (f.eks. bly) og sammensatte materialer (f.eks. beton, blyglas, knogle, blød-væv osv.).
F
Figur 1 11: dæmpning af fotoner når de passerer igennem en absorber
or de gamma-energier, der findes på NM afdelinger (få 100er keV), er den dominerende vekselvirkningsproces den fotoelektriske effekt (Figur 1-10). Derfor er materialer med høj tæthed, tunge materialer, gode til at absorbere disse fotoner. Derved vil fotonerne afgive al deres energi til materialets atomer under vekselvirkningen. Det er derfor bly (Z = 82), er et godt absorberende materiale for fotoner, og kan bruges til afskærmning.
Lav-energi fotoner har ret høj sandsynlighed for at undergå en fotoelektrisk vekselvirkning, derfor er deres attenuation højere end for højere energi fotoner. Isotoper der udsender lav energi fotoner kan afskærmes af deres beholdere eller med kun lidt ekstra afskærmning, f.eks. 125I der udsender gammaer i energi området 27-35 keV.
For at illustrere attenuationens afhængighed af gamma energien, viser Figur 1-12 attenuations koefficienter for bly og blød væv. Det ses tydeligt at der ikke findes en enkelt sammenhæng mellem attenuation og foton energi, og at der ikke findes samme forhold for forskellige materialer.
 
Figur 1 12: masse svækkelses koefficienter / (cm2/g) for forskellige gamma energier når fotoner trænger igennem bly og blød væv. Data fra NIST Physics Reference Database [Ref 21]: X-ray mass attenuation coefficients.
For lav-energi fotoner, kan man se at attenuationen er høj for både tung (bly) og let (blød-væv) stoffer - værdierne er næsten ens, hvilket betyder at lav-energi fotoner nemt absorberes når de passerer igennem stof. Hvis man derimod betragter det energiområde, vi er interesseret i på NM afdeling, kan man se stor forskel i for forskellige gamma energier og materialer. På figuren er vist værdier for 99mTc (blå), 131I (rød) og 18F (grøn).
-
(Tc,Pb) er større end (Tc,blød-væv), hvilket betyder at flere 140keV-technecium fotoner bliver absorberet når de trænger igennem samme tykkelse af Pb end for blød-væv, dvs. flere fotoner trænger igennem væv end bly.
-
for bly (Pb) er (Tc) større end (I131) og (F18). 99mTc(140keV) udsender lavere energi fotoner end 131I (364keV) og 18F (511keV), derfor afsætter Tc-fotoner mere energi i bly og svækkes mere. Faktisk er absorptionen cirka 18 gange højere for Tc-fotoner i bly end for 511 keV fotoner fra PET-isotopen 18F. Bly er en mere effektiv absorber for lav energi end for høj energi fotoner, dvs. effektiv afskærmning for 131I eller 18F fotoner kræver en tykkere absorber eller tungere materialer end for Tc-fotoner.
-
I blød-væv er (Tc)og (I131) lignende. Dette betyder at der vil være stort set samme foton-absorption i kroppen for både Tc og jod fotoner, dvs. næsten samme antal fotoner trænger igennem kroppen (men lidt flere 131I fotoner) for en intern kilde.
HVL & TVL:
Et vigtig begreb, når man diskuterer afskærmning, er halverings tykkelse (HVL – ”Half Value Layer”). Når fotoner trænger igennem et stof, bliver strålingens intensitet svækket eksponentielt, med dybden i materialet afhængigt a
Figur 1 13: HVL og TVL definitioner
f hvilket stof man har og fotonens energi. Ligesom vi tidligere definerede en isotops fysiske halveringstid som den tid der går før halvdelen af atomerne er henfaldet, kan vi definere den dybde i en absorber fotonen skal bevæge sig før strålingens intensitet er faldet til halvdelen af dens oprindelige intensitet. Tilsvarende kan man definere en tiendedels tykkelse (TVL –”Tenth Value Layer”) som den tykkelse der kræves for at strålingens intensitet reduceres til 1/10 af dens oprindelige intensitet. Disse værdier vises i Figur 1-13.
Tabel 3 viser HVL og TVL værdier for forskellige isotoper og afskærmnings stoffer. Materialer der har en højere Z, dvs. højere densitet, har en mindre HVL (TVL) værdi end materialer med lavere Z. Derfor kræves der tykkere plader af f.eks. beton eller blyglas end for bly for at give samme absorption / afskærmnings egenskaber.. På samme måde trænger strålingen længere ind i blød væv før den vekselvirker med atomerne (f.eks. kroppens væv). Tabellen viser også, at strålingen trænger længere ind i materialet for højere energi fotoner, end for lavere energi fotoner - dvs. der kræves tykkere afskærmning for at absorbere højere energi fotoner.
Tabel 3: værdier (cirka) for HVL, TVL og attenuationskoefficient for de vigtigste isotoper på NM afdeling. Værdierne beregnes fra nutidige målinger (NIST database [Ref 21]). Der er ikke taget hensyn til ”build-up ” faktorer i stofferne.
Nuklid
|
E (keV)
|
HVL (cm)
|
TVL (cm)
3,32xHVL
|
(cm-1)
0,693/HVL
|
materiale
|
57-Co
|
122
(86%)
|
0,02
|
0,05
|
45
|
bly
|
4
|
14
|
0,17
|
blød væv
|
99m-Tc
|
140
(89%)
|
0,02
|
0,1
|
30
|
bly
|
0,05
|
0,2
|
13
|
blyglas
|
2
|
7
|
0,34
|
beton
|
4,5
|
14
|
0,16
|
b lød væv
|
123-I
|
159
(83%)
|
0,03
|
0,1
|
21
|
bly
|
4,5
|
15
|
0,16
|
blød væv
|
51-Cr
|
320
(9,8%)
|
0,2
|
0,5
|
4,2
|
bly
|
6
|
19
|
0,12
|
blød væv
|
131-I
|
364
(82%)
|
0,2
|
0,7
|
3,3
|
bly
|
6
|
20
|
0,12
|
blød væv
|
18-F
|
511
(194%)
|
0,4
|
1,3
|
1,8
|
bly
|
0,8
|
2,6
|
8,7
|
blyglas
|
3,4
|
11
|
0,2
|
beton
|
7
|
23
|
0,1
|
b lød væv
|
137-Cs
|
662
|
0,4
|
1,4
|
1,7
|
bly
|
(85%)
|
7,7
|
25
|
0,1
|
blød væv
|
Overstående diskussionen gælder for fotoners vekselvirkning og afskærmnings egenskaber. For tykke absorberer og tungt stof bliver mange fotoner absorberet, men aldrig helt – der vil altid være lidt gamma stråling der trænger hele vejen igennem en skærm (måske kun en tusinddel eller mindre, afhængigt af hvor mange HVLs skærmen svarer til).
Ladede partikler:
Ladede partikler vekselvirker også når de trænger igennem stof. Radioaktiv stråling, som alfa og beta partikler, undergår også vekselvirkninger, og ligesom gamma fotoner, afsætter de energi i materialet. Men pga. deres større masse opgiver de mere energi under vekselvirkninger, og afsætter energien lokalt til vekselvirkningsstedet. Dette betyder, at de godt kan stoppes totalt når de trænger igennem afskærmningsmateriale14. Dette betyder, at det ikke er nødvendigt at have så tykt afskærmningsmateriale for tunge partikler som for fotoner. F.eks. kan alfa-partikler, der er tunge helium kerner, stoppes af et tykt stykke papir eller hud, mens beta-partikler, der er lettere og har mindre masse, er mere gennemtrængende – de kan stoppes af cirka 5cm aluminium. Dette betyder at ekstern bestråling fra en alfa-kilde ikke er særlig farlig, fordi, alfa-partikler ikke har en stor rækkevidde, og ikke kan trænge ind i kroppen. Vi beskyttes af kroppens hud. Derimod får man en større intern dosis fra beta-stråling der kan trænge længere ind i kroppen før energien bliver afsat. Modsat, for en intern strålingskilde, vil en alfa partikel afsætte meget energi lokalt i kroppen, fordi partiklerne ikke kan trænge ud af kroppen - man får en høj intern stråledosis. Beta-partikler, der kan trænge lidt længere ud fra kildens lokalitet, før de afsætter deres energi, giver også en høj strålingsdosis. Denne proces, hvori en eller -partikel afsætter en stor mængde energi i et meget lokaliseret område, bruges til strålebehandling af cancer. Modsat kan en gamma foton, der er den mest gennemtrængende strålingstype, godt trænge igennem kroppen og ud. Det er denne egenskab, vi er interesseret i, når vi injicerer en radioaktiv gammakilde i en patient, og tager et billede af isotopens fordeling i kroppen – vi detekter fotonerne der trænger igennem patientens krop og ind i vores detektor (gammakamera).
1.1.7.3Biologiske virkninger
Strålings vekselvirkning med biologiske væv kan medføre ændringer i vævet. Disse ændringer kan være enten skadelige eller godartede, og kan enten ses med det samme, kort tid efter bestrålingen, eller først ses mange år senere. Desuden kan ioniserende strålings virkninger beskrives på forskellige niveauer: celle, væv, organ /system niveau eller til en hel bestrålet befolkning. Sandsynligheden for en ændrings forekomst, type og strenghed afhæner af mange parametre: både af strålingens fysiske egenskaber (energi, masse, type osv,) og af arten af det biologiske system selv. Derfor er beregning af strålingsskade på et biologisk niveau meget vanselig.
Biologiske virkninger opstår på grund af overførelsen af energi fra den indkommende stråling til vævet. Denne energiafsættelse kan bryde vævets kemiske forbindelser og ændre vævet, som kan medføre diverse skadelige effekter, fra relativt milde skader, der kan repareres af vævets celler selv, til celledød.
Strålingsskade
Når en celle bestråles, kan skader opstå gennem 3 processer:
-
Strålingens vekselvirkning kan ionisere cellens atomer, der fører til uønskede ændringer i cellens kemiske egenskaber.
-
Cellens kromosomer, der indeholder vævets genetiske information som DNA kæder, kan skades. Skaden kan forårsages gennem direkte eller indirekte metoder, og afhænger af strålingens type. Cellens genetiske kode, og derfor koden for hele organismen, findes som en sekvens af nukleotider der indeholder par-baser. Disse baser kan slettes eller erstattes, eller der kan opstå brud i DNA-kæden når cellen er bestrålet af ioniserende stråling (se Figur 1-14). Afhængigt af skadens art (slettelse, enkelt, dobbelt eller multibel brud), skadens hastighed, og i hvilken face cellen er på i sin cyklus (mitose, interfase, syntase fase), er der mulighed for at skaden kan repareres – dvs. strålingens biologiske virkninger kan begrænses. For eksempel kan simple ændringer, f.eks et enkelt brud i DNA-kæden, repareres relativt nemt af cellens enzymer, hvis skadens hastighed er lav nok at reparationen kan nås før den næste begivenhed. Cellerne er mindst følsomme (har lav radiosensitivitet) overfor skader under syntase-fasen, dvs. under DNA kopiering, muligvis pga. det høje antal reparations enzymer der findes på dette tidspunkt. Derimod har celler høj radiosensitivitet (meget sårbar overfor stråling) under mitose fasen, dvs. under kernedeling15. Hvis skaden opstår under cellens kopieringsfase, kan ændringer kopieres i nye celler. Derfor kan strålingens DNA skader have en dybtegående virkning på levende væv.
-
Strålingen vekselvirker med vand molekyler og frie-radikaler dannes16. Frie-radikaler har ingen elektrisk ladning, derfor pga. deres elektron konfiguration, er de meget kemisk aktive. Normalt rekombinerer de for at danne stabile elektronkonfigurationer, men hvis der bliver produceret radikaler nok, kan de forbinde til spidserne på brudte DNA-kæder. Når det sker, er der mindre sandsynlighed for reparation af disse DNA skadede spidser.
Figur 1 14: DNA skade fra ioniserende stråling: (a) intakt DNA som en dobbelt-helix stige. Stigens sider er sammensæt af to nukleotidkæder (fosfat og desoxyribose), som er snoet om hinanden. Kæderne holdes sammen af fire forskellige nitrogenbaser (A (adenin), G (guanin), T (thymin) og C (cytosin)), og er komplementære til hinanden, fordi baserne altid bindes i parer: AT og GC; (b) to skadestyper til DNA: i) direkte skade fra høj LET stråling – ioniserende stråling forårsager direkte enkelt eller flere brude i DNA kæden, og ii) indirekte skade fra lav LET stråling. Fri-radikaler produceret under vekselvirkning af lav-LET stråling med vand molekyler, binder sig til brudt DNA kædens ender. Disse forbindelser forhindrer DNA’ets reparation; (c) en enkel DNA brud; (d) dobbelt (eller flere) brude i DNA kæden.
LET – ”Linear Energy Transfer”
LET er defineret for ladede partikler17 i et stof som det gennemsnitlige energitab langs partiklens spor i stoffet. Eller, lidt mere formelt: for en ladet partikel, der har en bestemt energi E og tilbagelægger vejlængden dl i stoffet, er LET den lokalt afsatte gennemsnitlige energi dEL. Matematisk skrives det: LET = dEL/dl.
Figur 1 15: Representation for LET. Lav LET stråling undergår få vekselvirkninger og afsætter relativ lille mængde energi, mens høj LET partikler undergår mange vekselvirkninger og afsætter meget energi i stoffet
LET er beslægtet med den ioniserende partikels sportykkelse i stoffet, som er betydende for hvor meget skade partiklen kan frembringe. Typisk klassificerer man stråling efter dens LET værdi. Partikler, der har en lav LET (f.eks. , e-), efterlader tyndere spor og giver mindre skade end tungere partikler med høj LET (f.eks. ). Disse efterlader tykkere spor pga. større vekselvirkning med stoffets atomer, dvs. de producerer større skade langs deres spor.
Hvordan opstår biologisk skade?
Skader kan opstå på to måder: direkte eller indirekte. Direkte skader opstår når høj LET stråling bombarderer DNA-molekyler direkte. Dette gælder mest for partikel stråling, , n og p, og også for hurtige elektroner fra -vekselvirkninger. Indirekte skader opstår når den indkommende stråling producerer frie-radiakaler, som efterfølgende vekselvirker med DNA’en. Dette er hovedkilden til skader fra lav LET stråling, f.eks. fra -stråling.
Skadens opståen og udvikling kan opdeles i 4 trin:
-
Bestråling af vævet og afsættelsen af energi – mængden af afsat energi afhænger af den indkommende strålings energi og type.
-
Overførsel af den afsatte energi til nabo molekyler (intermolekylar), eller indvendig (intramolekylar). Denne proces fører til dannelsen af forskellige kortlivede og kemisk aktive frie-radikaler.
-
Disse frie-radikaler kan enten reagere indbyrdes, eller danne genetiske ændringer i biomolekylerne.
-
Skadens resultat: processens sidste trin afgør strålingsskadens effekt. Eventuelle skader kan ses eftter en kort periode (akutte skader), eller de kan ses forsinket i mange år eller generationer (sene skader), afhængigt af den ændring der er opstået.
På en nuklearmedicinsk afdeling er vi, for det meste, interesserede i fotoner, dvs. lav LET stråling. Derfor opstår der indirekte DNA skader via produktion af frie-radikaler. Figur 1-16 giver en oversigt over dannelse af biologiske skader fra væv bestrålet med - eller røntgen stråling.
Hvilke faktorer påvirker biologisk skade?
Biologiske skaders type og seriøsitet afhænger af mange faktorer:
-
Dosis: biologiske virkninger er stærkt afhænge af strålingsdosis – generelt medfører højere dosis flere og alvorligere skader end lavere dosis.
-
Dosis hastighed: et biologisk systems respons bliver forskelligt afhængigt af den administrerede dosis’ hastighed; dvs. for samme dosis bliver der en forskel i virkningen hvis den administreres over en kort tidsperiode (høj dosis hastighed), eller over en længere tidsperiode (lav dosis hastighed). Generelt er højere dosis hastigheder mere skadelige.
-
LET (strålings type): partikler med høj LET (, p, n) producerer generelt værre skade i et biologisk system end lav LET partikler (, ). For lav LET stråling med lav dosis hastighed har cellen mulighed for at reparere enkelt brud i DNA-kæder, hvorimod for højere dosis hastigheder, opstår der multiple brud og cellen har mindre tid at lave reparationer før det næste brud sker; dvs. vævet er mere radiosensitivt overfor lav LET stråling med en høj dosishastighed, end for lav LET stråling med lav dosishastighed. På den anden side, for høj LET stråling er der en større hyppighed for multiple DNA brud som er vanskelligere at reparere. Reparation kan være ubetydeligt, afhængigt af dosishastigheden.
-
Bestrålet vævs mængde: et biologisk systems skade afhænger også af hvor meget væv bliver bestrålet. Generelt kan et menneske tåle højere dosis til en lokaliseret del af kroppen, end en helkrops dosis. Dette forhold bruges til strålingsbehandling, hvor høje doser gives lokalt for at dræbe kræftceller i en tumor.
-
Væv type: forskellige slags væv har forskellige radiosenstiviteter, afhængigt af en celles mitotic hastighed og hvor meget cellen er differentieret. Celler der har høj mitosefrekvens, og er meget differentieret (specialiseret), tenderer imod høj radiofølsomhed. Tabel 4 viser radiosensitiviteterne for forskellige væv typer.
-
Biologiske forskelle: selv om væv fra forskellige mennesker bestråles ens, med samme strålings type, energi, bestrålings tid osv., kan vævets biologiske respons være helt anderledes (også for nære slægtninge) – dosis toleransen for én person kan godt være dødelig til en anden.
Figur 1 16: Produktionen af biologiske skader i væv af ioniserende fotoner (fra kursus materiale: Bioanalytiker isotopkursus, Århus. [Ref 23] – lecture title)
-
Kemisk modifikation: et biologisk systems respons overfor stråling kan modificeres af visse kemikalier, ved at ændre indirekte skaders virkninger. Nogle kemikalier, radioprotektorer, fører til et system som er mindre følsom over for stråling, pga. at de kombinerer med frie-radikaler (dvs. risikoen for lav LET strålings skade nedsættes). Derimod gør radiosensitizerer et system mere følsom overfor strålingsskade. Et eksempel på en radiosensitizer er ilt, som forhindrer reparationen af DNA skader ved at danne stabile radikaler på DNA-bruds stykker. Denne kemiske modifikation kan være hjælpsom, når vi gerne vil dræbe kræftceller i en tumor.
Tabel 4: Radiofølsomhed for forskellige celletyper, væv og systemer [Ref 11].
Følsom
|
Celle type
|
Væv
|
System
|
Høj
|
Spermatogoner
|
|
|
|
Erytroblaster
|
|
reproduktivt
|
|
Lymfocytter
|
epithelium (overhudens basale
|
|
relativ høj
|
epidermis’ basale celler
|
membran)
|
skelet / knoglemarv
|
|
tarm krypt celler
|
|
hud
|
|
Myelocyter
|
|
|
Mellem
|
Osteoblaster
|
Knogle
|
|
|
Spermatocytter
|
|
gastrointestinal
|
|
Chondroblaster
|
|
|
relativ modstand
|
lever celler
|
|
|
|
Spermatozoa
|
|
|
|
Granulocytter
|
|
|
|
Erytocytter
|
|
|
|
Ostecytter
|
|
|
høj modstand
|
nerve celler
|
nerve
|
CNS
|
|
muskel celler
|
muskel
|
|
* data er baseret på teksten i sektion ”Cellular radiation biology”. Se også [Ref 9], ”The effects of radiation on living organisms”.
Strålingsskade virkninger
Biologisk væv udsat for ioniserende stråling, kan medføre forskellige ugunstige virkninger, inklusiv vævskade, død, udvikling af kræft og arvelig genetisk skade. Disse virkninger kan opstå enten som akutte skader, ved forskellige strengheds grader – normalt viser effekterne sig relativ snart efter bestrålingen, eller senskader – der kan gå flere år, endog generationer, før virkninger viser sig.
Risikoen for at udvikle en ugunstig biologisk effekt klassificeres som én af to måder:
Stokastiske effekter:
Disse virkninger opstår tilfældigt, og effektens strenghed er uafhængigt af dosisens størrelse, dvs. ”alt eller ingenting”. Det antages at der ikke eksisterer en tærskelsdosis for effekten. Det betyder at selv for lave doser, er der stadig en finit (lille) risiko for at virkningen opstår, hvor risikofaktorer baseres på sandsynligheder. Man antager at der eksisterer en lineær sammenhæng mellem dosisens størrelse og virkningens sandsynlighed, dvs. risikoen for at der sker et eller andet stiger når dosisen stiger, f.eks. kræft, mutationer, død (pga. virkningen). Stokastiske effekter er normalt senskader. Der findes bevis for en stigning i antallet af nogle kræft former, f.eks, leukemia, hoved, hals, pharangyl, thyroidea, bryst og lunge kræft, efter bestråling.
Deterministiske effekter:
Der er en direkte sammenhæng mellem disse virkninger og dosisens størrelse, og effektens strenghed bliver langt værre når dosisen stiger. Typisk findes der en tærskel dosis, hvor virkningen ikke opstår hvis ikke dosisen er højere end tærskelen, f.eks. strålingssyge, strålingssår, død (pga. dosisen). Deterministiske skader er akutte effekter, der klassificeres afhængigt af hvor meget dosis man bliver udsat for.
En gruppes, eller organismes, følsomhed til stråling gives tit som ”50% lethal dose (LD50/30)”, (50% dødelig dosis). Den er en måling af den behøvede dosis for at dræbe 50% af befolkningen (dvs. gruppen der bliver bestrålet), indenfor 30 dage, og bruges til sammenligning af forskellige befolkningers følsomhed over for stråling. For eksempel er LD50/30 for mennesker 2,5 - 4,5 Gy, helkrops dosis.
Strålingsskades manifestation
Lave strålingsdoser medfører normalt senere, stokastiske effekter, der er meget svært at forudse, f.eks. kræft eller gråstær. På den anden side, afhænger akutte effekter direkte af bestrålingens dosis, og sygdommens manifestation på grund af denne bestråling opdeles i 4 trin:
-
syndrom: høj dosis bestråling kan føre til symptomer anoreksi, kvalme, opkastning og træthed. Jo højere dosis jo kortere er trinnets varighed og symptomerne bliver værre. Hvis dosisen er højere end den dødelige dosistærskel, ses der straks diarré, feber, hovedpine og hypertension.
-
latent: få eller ingen eksterne symptomer ses. Under denne periode fortsætter skadevirkninger på interne organer.
-
sygdoms manifestation: symptomer, der afhænger af det påvirkede organsystem, ses. Forskellige organer bliver påvirket, afhængigt af dosisstørrelsen. Tabel 5 viser tærskelsdoser for forskellige organers skade.
-
”bedring” periode: under det sidste trin vil patienten enten bliver rask eller dø.
Varigheden af hvert trin afhænger af bestrålingsdosis.
Det viser sig, at en helkrops bestrålings niveau < 1Gy meget sjældent er dødelig, mens en bestråling > 6Gy næsten altid fører til dødsfald.
Tabel 5: skadelige doser for helkrops og organ bestråling [Ref 11].
Dosis (Gy)
|
Skade
|
Tidsramme
|
Behandling
|
Helkrops bestråling:
|
> 500
|
molekylærdød – molekylens inaktivation
|
øjeblikkelig
|
kun for støtte
ingen overlevelses chance
|
10-500
|
nervesystem død
|
inden et par dage
|
få – 10
|
intestinal død (tarmsystem)
|
inden 14 dage
|
få
|
knoglemarv (fører til sekundær skader fra infektion)
|
30-60 dage
|
for infektion
erstatter væske
knoglemarv transplant
|
< 1-2
|
let sygdom
|
bedring ~100% sikker
|
< 100 mGy
|
mindst helkrops dosis for at se biologiske effekter
|
|
|
Høj dosis bestråling til helkroppen er ikke særlig relevant til strålingsbeskyttelse – kun ved uheld gælder bestrålingsgrænser.
|
Der findes andre bestrålingsniveauer der føre til skader i bestemte organer.
|
20-50
|
Hud skader – erytem, permanent hårtab …
|
|
|
6
|
permanent kvindelig sterilitet
|
|
|
5
|
permanent mandlig sterilitet
|
|
|
2
|
okular linse (grå/sort stær)
|
op til 8 år efter bestråling
|
0,5-2,5
|
midlertidig sterilitet
|
1-2 år (højere dosis)
|
* data er baseret på teksten i sektion: ”Human radiation effects”.
Strålings virkning på et foster
Diskussionen ovenfor om biologisk skade fra stråling, gælder for et ”standard” menneske (voksen). Men, hvis et foster bestråles, er det mere følsom overfor strålingen end en voksen. Derfor sker der forskellige biologiske skader på et foster for forskellige dosisniveauer, afhængigt af hvor fostret befinder sig under sin udvikling. Det gælder også for lav dosis bestråling. Bivirkninger kan inkludere død, føre til kræft, eller medføre abnormiteter i fostret. Tabel 6 giver en oversigt over de mest følsomme perioder for fostrets bestråling, og forskellige virkninger.
På grund af fostrets høje følsomhed overfor ioniserende stråling må man overveje grundigt at bestråle en gravid kvinde – fostret kan jo ikke fjernes under diagnostiske undersøgelser, eller strålingsbehandling, og vil få en del af moderens dosis. For en procedure, hvor en gravid kvinde bliver udsat for stråling, skal man derfor i særlig grad tage hensyn til fordelen vs. risikoen, før proceduren udføres. Det er muligvis bedst at udføre en anden type undersøgelse (f.eks. ultralyd), hvor moderen ikke bliver udsat for ioniserende stråling, eller udsætte behandlingen.
Der findes ikke bevis for forøget kraft-risiko eller forøget risiko for fostrets misdannelse, hvis forældrenes kønsorganer bliver bestrålet før undfangelsen.
Tabel 6: fosterets radiofølsomhed [Ref 9].
Trimester
|
Periode (uger)
|
Egenskaber
|
Dosis niveau / effekt
|
1
højeste risiko
|
0-2
|
lille antal celler
uspecificeret celletype
|
”Alt eller ingenting”
-
fosteret implanteres ikke eller døden er uopdaget
ikke høj risiko for død eller misdannelse
|
3-6
|
vigtige organer dannelse
|
muligheden for organ misdannelse hvis dosis
> 100-200 mGy (højere end doser fra fleste diagnostiske procedurer).
lille risiko, men forøgede risiko med højere doser
|
|
6
|
andre organer dannelse
|
mindre vigtigt organ misdannelse – f.eks. øjne, skelet, kønsorganer
|
8-25
|
dannelse / vækst af hjerne-nerve system
[8-15 uger mest følsom ]
[16-25 uger mindre følsom]
[25 modstandsdygtig ]
|
muligheden for at barnet være mental-retarderet: afhængigt af hvornår bestrålingen ske
>100 mGy: nedsat IK
~1Gy: alvorlig mental-retardation
|
2
|
13-24
|
|
mindre risiko end i 1. trimester
|
3
|
25-36
|
|
mindst risiko under 3. trimester
|
* data fra sektionen: ”The effects of radiation on living organisms”.
For en god grundlæggende introduktion til stråling og dens biologiske virkninger, se [Ref 9, Kapitel 10], der handler om strålingsbiologi. For en mere dyberegående beskrivelse, se [Ref 11]. Nutidige forskningsresultater, der indeholder det mest opdaterede information om strålings vekselvirkninger med væv, og de tilsvarende risikoer, findes i [Ref 7]. Bemærk, disse referencer er på engelsk.
|
