Ιατρική Φυσική. Π. Παπαγιάννης Επίκ. Καθηγητής, Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής, Ιατρική Σχολή Αθηνών Γραφείο

Transcript

1 Ιατρική Φυσική Π. Παπαγιάννης Επίκ. Καθηγητής, Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής, Ιατρική Σχολή Αθηνών Γραφείο PHYS215

2 Ιατρική Φυσική: Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας Βιολογικές επιδράσεις Ακτινοπροστασία Βιβλιογραφία: κεφ. 2-5 από το σύγγραμμά σας Προτεινόμενα ξενόγλωσσα συγγράμματα: F. H. Attix, Introduction to radiological physics & radiation dosimetry P. Mayles, A. Nahum, J.C. Rosenwald, Handbook of Radiotherapy Physics

3 Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας 1. εισαγωγή / μεγέθη για την περιγραφή του πεδίου ακτινοβολίας 2. αλλ/δραση φωτονίων-ύλης: δοσιμετρικά μεγέθη 3. αλλ/δραση φορτισμένων σωματιδίων-ύλης: δοσιμετρικά μεγέθη 4. υπολογιστική δοσιμετρία 5. πειραματική δοσιμετρία 6. βιολογικές επιδράσεις 7. ακτινοπροστασία

4 Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας ιοντίζουσα ακτινοβολία? Η συζήτηση θα εστιαστεί στις συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες για ιατρικούς σκοπούς ακτινοβολίες (κυρίως φωτόνια & ηλεκτρόνια) Ιοντίζουσα Ακτινοβολία: ακτινοβολία ενέργειας επαρκούς για την πρόκληση ιονισμού σε βιολογικούς ιστούς Δεν υπάρχει αυστηρός ορισμός! φωτόνια συχνότητας μεγαλύτερης του υπεριώδους και ηλεκτρόνια ενέργειας πλέον των 13,6 ev μπορούν να προκαλέσουν ιονισμό σε βιολογικούς ιστούς Πρακτικά αναφερόμαστε σε ενέργειες της τάξης των kev E φ : kv: «μαλακές» ακτίνες x ή ακτινοβολία Grentz kv: περιοχή διαγνωστικών ενεργειών kv: orthovoltage 300kV-1MV: supervoltage >1MV: megavoltage (E φ =hf=hc/λ=1,24/λ [kev/nm], 1keV=1.6*10-19 J)

5 Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας Δοσιμετρία? Η μετρολογία της δόσης. Ο όρος χρησιμοποιείται και για υπολογιστικές τεχνικές. Σύμφωνα με το λεξικό: δόση, η [δósi]: 1α. ορισμένη ποσότητα φαρμάκου που πρέπει να πάρει κάποιος ασθενής β. η ακριβής ποσότητα κάθε υλικού που χρειάζεται για να γίνει κτ. 2. καθένα από τα ποσά στα οποία έχει μοιραστεί μια συνολική οφειλή και τα οποία πρέπει να εξοφλούνται σε τακτά διαστήματα 3. (οικ.) α. για κτ. που γίνεται ή δίνεται σταδιακά, τμηματικά β. καθεμιά από τις ομάδες ατόμων ενός συνόλου (έκφρ.) μια ~, για να δηλώσουμε το μικρό βαθμό, τη μικρή ένταση

6 Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας Δοσιμετρία? Η δόση είναι αυστηρά ορισμένο, φυσικό μέγεθος (βλ. και ICRU report στα βιβλιογραφικά συμπληρώματα στο eclass του μαθήματος)

7 Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας γιατί χρήζει ιδιαίτερης συζήτησης? το βιολογικό αποτέλεσμα συναρτάται της δόσης. Συνεπώς η δοσιμετρία είναι σημαντική από απόψεως βελτιστοποίησης θεραπευτικών και διαγνωστικών εφαρμογών η ακριβής δοσιμετρία δυσχεραίνεται από: το στοχαστικό χαρακτήρα του πεδίου ακτινοβολίας και της μετάδοσης ενέργειας από ιοντίζουσα ακτινοβολία (και απορρόφησής της από την ύλη) το περιορισμένο ποσό Ε που μεταδίδεται ακόμα και για «μεγάλες» δόσεις

8 Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας γιατί χρήζει ιδιαίτερης συζήτησης? τα στοχαστικά μεγέθη: λαμβάνουν τυχαίες τιμές που δεν μπορούν να προβλεφθούν παρότι η σχετική κατανομή πιθανότητας μπορεί να είναι γνωστή ορίζονται σε πεπερασμένες περιοχές, οι τιμές τους μεταβάλλονται ασυνεχώς χωρικά και χρονικά, και δεν ορίζεται ο ρυθμός μεταβολής τους η αναμενόμενη τιμή τους είναι η μέση τιμή επαναλαμβανόμενων ανεξάρτητων μετρήσεών τους, n, καθώς n (Ν. μεγάλων αριθμών)! η αναμενόμενη τιμή στοχαστικού μεγέθους είναι μη-στοχαστικό μέγεθος!

9 D=ε/Δm Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας γιατί χρήζει ιδιαίτερης συζήτησης? η μεταδιδόμενη ενέργεια (ε) είναι στοχαστικό μέγεθος τόσο για έμμεσα (μη φορτισμένα σωματίδια) όσο και για άμεσα ιοντίζουσα ακτινοβολία (φορτισμένα σωματίδια) ο αναλυτικός υπολογισμός της δόσης είναι αδύνατος (δεν υπάρχει επιλύσιμη εξίσωση που να συνδέει το πεδίο της ακτινοβολίας με τη D) η δόση πρέπει να μετρηθεί σε μια πεπερασμένη μάζα Δm (κεντρικό οριακό θεώρημα) χωρίς να διαταραχθεί το πεδίο της ακτινοβολίας (με ενδιαφέρει η δόση στο σημείο απουσία του μετρητή) Δm<< Περιοχή δοσιμετρίας Δm>>

10 Δοσιμετρία Ιοντίζουσας Ακτινοβολίας γιατί χρήζει ιδιαίτερης συζήτησης? ποιά είναι η τάξη μεγέθους της ενέργειας που μεταδίδεται στην ύλη και απορροφάται από αυτή κατά την έκθεση σε ιοντίζουσα ακτινοβολία; στην ακτινοθεραπεία χορηγούνται, τοπικά, δόσεις της τάξης των 60 Gy L.D. 50/60 =4Gy για ολοσωματική έκθεση (1cal=4.18 J και 1Cal=1000 cal)!! Το βιολογικό αποτέλεσμα δεν οφείλεται στο ποσό της Ε που απορροφάται αλλά στον τρόπο με τον οποίο απορροφάται!! Η μέτρηση δόσης βάσει του ορισμού της (καλοριμετρία) είναι τεχνικά δύσκολη και πρέπει να καταφύγουμε σε άλλες πειραματικές τεχνικές (ή υπολογιστικές μεθόδους)

11 Περιγραφή πεδίου ακτινοβολίας ορίζεται (βλ. και ICRU report στα βιβλιογραφικά συμπληρώματα στο eclass του μαθήματος) ο αριθμός σωματιδίων, Ν, και η ακτινοβολούμενη ενέργεια, R

12 Περιγραφή πεδίου ακτινοβολίας Για λόγους που προαναφέρθηκαν, θέλουμε να περιγράψουμε το πεδίο της ακτινοβολίας με μη στοχαστικές ποσότητες ορίζεται η Ροή και η Ενεργειακή ροή

13 Περιγραφή πεδίου ακτινοβολίας η ροή μπορεί επίσης να οριστεί γενικότερα για οποιοδήποτε στοιχειώδη όγκο μέσω του «μήκους τροχιάς» των σωματιδίων

14 σε δεδομένο t, τυχόν σωματίδιο προσδιορίζεται (πέρα από είδος, φορτίο, κτλ) από τη θέση, την κατεύθυνση και την ενέργειά του τα μεγέθη που περιγράφουν το πεδίο είναι συνεπώς συναρτήσεις τουλάχιστον 7 συνεχών ανεξάρτητων μεταβλητών (που καθορίζουν ένα πολυδιάστατο φασικό χώρο): θέση (x,y,z) κατεύθυνση (θ,β) ενέργεια (Ε) xρόνος, t Περιγραφή πεδίου ακτινοβολίας πλήρης γνώση του πεδίου σημαίνει γνώση της διαφορικής ροής ως προς κάθε μεταβλητή 7 ' d ( x, y, z,,, E, t) d( x, y, z,,, E, t) ' d (.) (.) d(.) d. d(.) d dt

15 Περιγραφή πεδίου ακτινοβολίας τα περισσότερα μεγέθη περιγραφής του πεδίου που έχουν οριστεί δεν είναι παρά μερικές παράγωγοι ως προς κάποια(ες) από τις μεταβλητές με τις κατάλληλες μονάδες:

16 Περιγραφή πεδίου ακτινοβολίας συχνά χρησιμοποιείται η στερεά γωνία :