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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Wechselwirkungen ionisierender Strahlungen mit Materie

Zusammenfassung
Für die Medizin verwendete Photonenstrahlung umfaßt den Bereich nieder- und hochenergetischer Röntgenstrahlung aus Röntgenröhren und Beschleunigern (10 keV – 50 MeV) und die von radioaktiven Atomkernen ausgesendete Gammastrahlung mit Energien zwischen wenigen Kiloelektronenvolt und mehreren Megaelektronenvolt. Bei der Wechselwirkung dieser Strahlungen mit Materie kann es zur vollständigen oder teilweisen Absorption der Energie und zur Streuung (Richtungsänderung) der Photonen kommen. Dabei entstehen freie, elektrisch geladene Sekundärteilchen wie Elektronen und Positronen. Diese können ihrerseits die sie umgebende Materie anregen und ionisieren und dabei Energie an die durchstrahlte Materie abgegeben. Da die Ionisation überwiegend indirekt über die Sekundärteilchen und nicht unmittelbar von den Photonen verursacht wird, zählt man Photonenstrahlung zu den indirekt ionisierenden Strahlungsarten.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

2. Physikalisch-technische Grundlagen der Strahlentherapie

Zusammenfassung
Die drei klassischen Disziplinen zur Behandlung von Tumorerkrankungen sind die Chirurgie, die Radioonkologie und die Chemotherapie. Die Radioonkologie verwendet ionisierende Strahlungen zur Zerstörung oder Volumenverminderung von Tumoren. Wegen der mit jeder Strahlenbehandlung verbundenen unvermeidbaren Schädigung des von der Strahlung ebenfalls getroffenen gesunden Gewebes (vgl. Abschnitt 3.3) ist die Strahlentherapie im allgemeinen auf die Behandlung lokaler Zielvolumina beschränkt. Strahlungsquellen für die Radioonkologie müssen deshalb eine räumliche Eingrenzung der Bestrahlungswirkung ermöglichen. Je nach Abstand der Strahlungsquelle vom Patienten unterscheidet man
  • Teletherapie (Ferntherapie),
  • Brachytherapie (Kurzdistanztherapie) und
  • Kontakttherapiemethoden.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

3. Klinische Dosimetrie

Zusammenfassung
Unter klinischer Dosimetrie versteht man die Anwendung quantitativer Dosismeßverfahren im Zusammenhang mit der medizinischen Nutzung ionisierender Strahlungen. Sie befaßt sich neben den dosimetrischen Untersuchungen an therapeutischen Strahlungsquellen wie Elektronenbeschleunigern, Kobalt bestrahlungsanlagen, Röntgentherapie- und Afterloadinganlagen auch mit Messungen an offenen, nuklearmedizinischen Radionukliden für Diagnostik und Therapie sowie mit Messungen zum Strahlenschutz in der Röntgendiagnostik. Klinische Dosimetrie dient der zuverlässigen und vergleichbaren Anwendung ionisierender Strahlungen in der Medizin und ist ein wichtiger Beitrag zur physikalischen Qualitätssicherung. Deshalb sind bzw. werden die Dosimetrieverfahren im nationalen (DIN) wie internationalen Bereich (z. B. ICRU) heute weitgehend standardisiert. Im Bereich der radioonkologischen Anwendungen ionisierender Strahlungen werden in der Bundesrepublik sogar die getrennten Verantwortlichkeiten für den medizinischen und den physikalischen Bereich explizit vom Gesetzgeber geregelt (s. Richtlinie Strahlenschutz in der Medizin).
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

4. Grundlagen der Ionisationsdosimetrie

Zusammenfassung
Eine der Aufgaben der klinischen Dosimetrie ist die Bestimmung der Energiedosis oder Energiedosisleistung im Patienten oder in geeigneten Ersatzsubstanzen (Phantomen) für die in der perkutanen Strahlentherapie verwendeten Strahlungsarten und Strahlungsqualitäten. Die experimentelle Bestimmung wird am besten mit Ionisationsdosimetern (Ionisationskammer und Anzeigegerät) durchgeführt, die im Routinebetrieb leicht und zuverläsig zu handhaben sind. Bei Einstrahlung von Photonen erfolgt die Erzeugung einer Energiedosis oder Energiedosisleistung in Materie in zwei Stufen. Zunächst wird über die elementaren Wechselwirkungen (Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung, s. Abschnitt 1.1) ein Fluß an geladenen Sekundärteilchen erzeugt. Die zu dieser ersten Wechselwirkungsstufe gehörige Meßgröße ist die Kerma. Die Sekundärteilchen (Elektronen, Positronen) geben in einem zweiten Schritt in einer Vielzahl von Wechselwirkungen (Stöße, Anregung, Bremsstrahlungserzeugung, chemische Prozesse) ihre Bewegungsenergie an das umgebende Medium ab. Dabei erzeugen sie auch weitere Elektronen (δ-Elektronen), die den größten Teil der Bewegungsenergie der Sekundärteilchen übernehmen. Durch die mit wachsender Energie der Primärstrahlung zunehmend bevorzugte Vorwärtsbewegung der Sekundärteilchen und δ-Elektronen und die Entstehung der in Strahlrichtung emittierten Bremsstrahlung wird die Abgabe der Bewegungsenergie an das umgebende Medium im Mittel in Vorwärtsrichtung des Sekundärteilchenflusses verlagert. Entstehungsort der Sekundär- und δ-Teilchen und Übergabeort ihrer Bewegungsenergie sind deshalb nicht identisch (vgl. dazu Abschnitt 1.1.8). Die zur zweiten Stufe gehörigen Meßgrößen sind die Ionendosis und die Energiedosis, von denen letztere auch ein Maß für die biologischen Wirkungen der Strahlung im Gewebe ist. Ihre räumliche Verteilung unterscheidet sich vor allem bei höheren Photonenenergien wegen der „Energiewanderung“ von der der Kerma. Bei Elektronenstrahlung entfällt die erste Wechselwirkungsstufe, die Energiedosis ist deshalb auch für Elektronen die korrekte Meßgröße zur Beschreibung der Energieabgabe der Elektronen an das umgebende Medium.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

5. Thermolumineszenzdosimetrie

Zusammenfassung
Eine Reihe von natürlichen oder künstlich erzeugten kristallinen Substanzen speichert die bei einer Bestrahlung mit ionisierender Strahlung auf den Kristall übertragene Energie in langlebigen Zuständen (metastabilen Energieniveaus) von Kristallelektronen, die ohne äußere Energiezufuhr nicht mehr aus diesen Zuständen befreit werden können. Durch Erhitzen kann die gespeicherte Energie in Form von Lichtquanten wieder freigesetzt werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Thermolumineszenz, die Substanzen, die Thermolumineszenz zeigen, als Phosphore oder Thermolumineszenz-Detektoren (TLD). Das beim Erhitzen freigesetzte Licht wird mit Photomultipliern in lichtdichten Auswertegeräten nachgewiesen. Der Lichtstrom bzw. die über die Zeit integrierte Lichtmenge ist ein Maß für die im Kristall gespeicherte Dosis. Die für die Strahlungsmeßtechnik wichtigsten Verbindungen sind Lithiumfluorid, Kalziumfluorid, Kalziumsulfat und Lithiumborat, die mit verschiedenen Fremdatomen wie Mn, Mg, Ti u. ä. gezielt verunreinigt (dotiert) sind (s. z. B. Tab. 5.1). Diese Dotierungen dienen der Erzeugung von Fehlstellen im Kristall, in denen die bei der Bestrahlung im Kristall freigesetzten Elektronen eingefangen werden.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

6. Dosisleistungen therapeutischer Strahlungsquellen

Zusammenfassung
Sollen Strahlungsquellen für therapeutische Zwecke eingesetzt werden, so muß ihre „Quell-stärke“ bzw. Dosisleistung an jedem Raumpunkt innerhalb und außerhalb des Phantoms oder Patienten bekannt sein. Mit Hilfe dieser Informationen können Bestrahlungszeiten oder Monitoreinheiten (bei Beschleunigern) und die Dosis- oder Dosisleistungsverteilungen im Patienten berechnet werden. Die Quellstärke kann bei radioaktiven Strahlern im Prinzip über deren Aktivität charakterisiert werden, bei künstlich erzeugter Strahlung verwendet man besser eine typische Dosisleistungsgröße, die sogenannte Kenndosisleistung. Dosisleistungen perkutaner Strahler werden von drei wesentlichen Größen beeinflußt: Der Intensität der Strahlungsquelle, ihrem Abstand vom Aufpunkt und von der Größe des Strahlenkegels (Feldgröße). Die Abstandsabhängigkeit kann bei vielen Strahlern näherungsweise mit dem Abstandsquadratgesetz beschrieben werden (s. Abschnitt 6.1.3). Die Gültigkeitsgrenzen dieses Gesetzes für die Dosisleistungen realer perkutaner medizinischer Strahlungsquellen werden ausführlich in Abschnitt (6.1.3), für die Dosisverteilungen in durchstrahlten Medien in den Kapiteln (7) und (8), die Abhängigkeit der Dosisleistung von der Feldgröße und die Einflüsse auf die Feldgrößenabhängigkeiten in Abschnitt (6.1.2) diskutiert.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

7. Dosisverteilungen von Photonenstrahlung in Materie

Zusammenfassung
Für die Strahlentherapie wird Photonenstrahlung mit Energien zwischen etwa 10 keV und 50 MeV verwendet. Die Strahlungsquellen sind entweder Röntgenröhren, Beschleuniger oder radioaktive Gammastrahler. Je nach Strahlungsqualität und bestrahltem Medium spielen deshalb verschiedene Wechselwirkungsprozesse für Photonen die dominierende Rolle für die Entstehung der Dosisverteilungen in Materie. Der im menschlichen Gewebe wichtigste Wechselwirkungsprozess ist der Comptoneffekt (s. Abschnitt 1.1.2) mit der dabei entstehenden Streuung der primären Photonen und der Freisetzung von Comptonelektronen. Wie bereits früher ausführlich begründet, sind die bei den primären Wechselwirkungen (Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung) entstehenden elektrisch geladenen Sekundärteilchen (Elektronen, Positronen) für die „Feinstruktur“ der Energieübertragung verantwortlich, während die Strahldivergenz und die von der Strahlungsqualität der Photonen abhängige Schwächung des Photonenstrahlenbündels durch Absorption und Streuung zusammen den Photonen-Energiefluß und damit die „Grobstruktur“ der Energiedosisverteilung bestimmen.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

8. Dosisverteilungen perkutaner Elektronenstrahlung

Zusammenfassung
Dosisverteilungen von Elektronenstrahlung unterscheiden sich wegen der typischen Wechselwirkungen von Elektronen mit Materie grundsätzlich von denen der Photonenstrahlung. Der augenfälligste Unterschied ist die endliche Reichweite der Elektronen und der damit verbundene scharfe Abfall der Tiefendosiskurven jenseits des Dosismaximums (s. Fig. 8.3). Die Reichweite der Elektronen in Materie und damit die therapeutische Tiefe lassen sich besser als bei Photonenstrahlung durch geeignete Wahl der Anfangsenergie steuern, was die besondere Eignung der Elektronenstrahlung für die Strahlentherapie ausmacht. Elektronen unterliegen beim Durchgang durch Materie vielfachen Streuprozessen, die neben der Elektronenenergie den wichtigsten Einfluß auf die Dosisverteilungen darstellen. Dosisverteilungen von Elektronenstrahlung beschreibt man in Analogie zu den Photonenverteilungen eindimensional durch Tiefendosisverteilungen und Querprofile sowie zweidimensional durch Isodosenlinien in ausgesuchten Ebenen.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

9. Hinweise und Beispiele zur praktischen klinischen Dosimetrie

Zusammenfassung
Radioonkologische Behandlungen stellen rechtlich eine schädigende Maßnahme im Sinne einer Körperverletzung dar. Sie bedürfen deshalb der Einwilligung der Patienten und müssen sorgfältig, d. h. unter Vermeidung unnötiger Nebenwirkungen und nach dem Stand von Wissenschaft und Technik durchgeführt werden. Die diesbezüglichen Verantwortlichkeiten unterscheiden sich je nach Aufgabe der beteiligten Mitarbeiter. Während der Arzt für den medizinischen Bereich der Strahlentherapie verantwortlich ist, haben die Medizinphysiker eine eigene, unabhängige Verantwortung für den physikalisch-technischen Bereich wahrzunehmen. Diese Aufteilung der Verantwortlichkeiten ist in der Richtlinie für den Strahlenschutz in der Medizin geregelt und Bestandteil der Genehmigung des therapeutischen Betriebes von medizinischen Bestrahlungsanlagen durch die Aufsichtsbehörden. Für den Medizinphysiker wichtige nationale gesetzliche Regelungen sind die Strahlenschutzverordnung (StrSchV), die Röntgenverordnung (RöV) und die zugehörigen Richtlinien, vor allem die bereits erwähnte Richtlinie Strahlenschutz in der Medizin. Die Einhaltung des Standes von Wissenschaft und Technik wird ausdrücklich in § 31 StrSchV gefordert und in der Regel durch nationale Normen (in der Bundesrepublik also die Normen des DIN) vorgeschrieben. Für medizinisch verwendete Dosimeter besteht eine gesetzliche Eichpflicht, die im Eichgesetz (Eich) und den zugehörigen Verordnungen (EichV) geregelt ist.
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

10. Tabellenanhang

Zusammenfassung
Die Tabelle enthält theoretisch berechnete Massenschwächungskoeffizienten für monoenergetische Photonenstrahlung zur Verwendung in den Gleichungen (1.12) und (1.15) für dosimetrisch wichtige Elemente, Substanzen und Stoffgemische ohne den Kernphotokoeffizienten. Dessen Anteil beträgt je nach Nuklid bis maximal 5% für Energien zwischen 10 und 30 MeV (Bereich der Riesenresonanz). Die Tabellenwerte sind in Exponentialschreibweise dargestellt (2.3456–1 bedeutet 2.3456 10−1 = 0.23456).
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

11. Literatur

Ohne Zusammenfassung
Hanno Krieger, Wolfgang Petzold

Backmatter

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