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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Strahlungsquellen für die medizinische Radiologie

Zusammenfassung
Die drei Bereiche der medizinischen Radiologie sind die Röntgendiagnostik, die Nuklearmedizin und die Strahlentherapie. Während ein medizinischer Radiologe früher alle drei Teildisziplinen beherrschen mußte, haben sich heute wegen der zunehmenden Spezialisierung und Aufgabenerweiterung drei getrennte Bereiche entwickelt. Aus der ursprünglichen Röntgendiagnostik wurde das Fach Radiologie, das sich mit der bildgebenden und interventionellen Radiologie mit Röntgenstrahlung befaßt. Neben der Anfertigung konventioneller Röntgenaufnahmen und der bildgebenden Diagnostik mit Hilfe von Computertomografen geht es also auch um die sogenannte interventionelle Radiologie und um deren invasive Diagnose- und Therapieverfahren. Dabei können — meistens mit Hilfe von Kontrastmitteln und Röntgendurchleuchtungsmethoden — nicht nur Erkrankungen erkannt sondern durch Eingriffe auch beseitigt werden. Ein besonders spektakuläres Verfahren ist die Cardangiografie, die Katheterisierung des Herzens mit eventuellem therapeutischem Eingriff Die Strahlenquelle der Radiologie ist die Röntgenröhre, die 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt und seither zur heutigen Reife und Leistungsfähigkeit weiterentwickelt wurde. Sie ist die historisch erste Strahlungsquelle für künstlich erzeugte ionisierende Strahlung (s. Kap. 1.2).
Hanno Krieger

2. Strahlungsdetektoren

Zusammenfassung
Aufgaben der Strahlungsmeßtechnik umfassen den Bereich von einfachen qualitativen Untersuchungen wie dem Nachweis eines Strahlungsfeldes oder einer Kontamination bis hin zu hochpräzisen energieanalysierenden Messungen an Strahlenbündeln und zur Dosimetrie. Man unterscheidet im einzelnen folgende Aufgaben:
  • Teilchennachweis
  • Spektrometrie
  • Aktivitätsmessungen
  • Dosimetrie
  • Strahlungsfeldanalyse
  • Strahlenschutzmessungen
  • Personendosimetrie
Hanno Krieger

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, Kobaltbestrahlungsanlagen, 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

4. Dosisverteilungen perkutaner Photonenstrahlung

Zusammenfassung
Für die Strahlentherapie wird Photonenstrahlung mit Energien zwischen etwa 10 keV und 25 MeV verwendet. Die Strahlungsquellen sind entweder Röntgenröhren, Beschleuniger oder radioaktive Gammastrahler. Je nach Strahlungsqualität und bestrahltem Medium spielen deshalb unterschiedliche Wechselwirkungsprozesse der Photonen die dominierende Rolle für die Entstehung der Dosisverteilungen in Materie. Der im menschlichen Gewebe wichtigste Wechselwirkungsprozeß ist der Comptoneffekt (s. [Krieger Bd1], Kap. 4) 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

5. Dosisverteilungen perkutaner Elektronenstrahlung

Zusammenfassung
Dosisverteilungen von Elektronenstrahlung unterscheiden sich wegen der typischen Elektronen-Wechselwirkungen 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 (Fig. 5.4). 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 oberflächennaher Tumoren 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 Absolutdosisleistung, Tiefendosisverteilungen und Querprofile sowie zweidimensional durch Isodosenlinien in ausgesuchten Ebenen.
Hanno Krieger

6. Dosisverteilungen um Afterloadingstrahler

Zusammenfassung
Energiedosisverteilungen um Afterloadingquellen werden durch periodische oder nicht periodische Bewegungen eines einzelnen Strahlers, durch Hintereinanderanordnung mehrerer kleinvolumiger Strahler oder durch Linienquellen wie radioaktive Drähte erzeugt (vgl. Abschnitt 1.6). Die Kenntnis der Dosisverteilungen um die ruhenden Afterloadingquellen ist daher die Voraussetzung zur Konstruktion komplexerer Verteilungen für die klinische Anwendung. Die therapeutischen Zielvolumina für die Afterloadingtechniken befinden sich im unmittelbaren Nahbereich um die Quellen. Typische therapeutische Abstände von den Strahlern betragen nur 1 bis 5 Zentimeter. Die Photonenenergien der Afterloadingquellen umfassen den Bereich von etwa 300 keV (bei 192Ir) bis 1.33 MeV (bei 60Co, vgl. dazu Tab. 1.1.1 in Kap. 1). Wegen dieser im Vergleich zur Röntgenstrahlung harten Gammastrahlung und wegen der kleinen Distanzen ist die Bestrahlungsgeometrie dominierend für die Entstehung der Dosisverteilungen. Die Dosisleistungen punktförmiger oder kleiner linienförmiger Strahler im Nahbereich folgen deshalb in erster Näherung dem Abstandsquadratgesetz.
Hanno Krieger

7. Dosisverteilungen perkutaner Neutronen

Zusammenfassung
Die wichtigsten Quellen für schnelle Neutronen in der Medizin sind die Generatorneutronen aus (d,d)- und (d,t)-Reaktionen, die Zyklotronneutronen aus den schon früher beschriebenen (d,Be)- und (p,Be)-Reaktionen sowie die Konverterneutronen aus Kernreaktoren (s. Kap. 1.7). Diese Erzeugungsarten erreichen die für therapeutische Anwendungen erforderlichen hohen Neutronen-Energien bei gleichzeitig ausreichenden Dosisleistungen. Bei der Wechselwirkung schneller Neutronen mit Geweben kommt es zunächst zur Moderation der Neutronen durch Stöße an den Protonen des Wassers. Dadurch verlieren die Neutronen sehr schnell ihre gesamte Bewegungsenergie, die die Rückstoßprotonen übernehmen. Die Neutronen selbst haben dann nur noch thermische Bewegungsenergie (ca. 0.025 eV). Anschließend werden sie mit hoher Wahrscheinlichkeit durch Wasserstoffkerne eingefangen. Die im Absorber entstehenden Einfanggammas (Eγ = 2.225 MeV) mischen sich dem Neutronenfeld bei. Bei der Produktion und Kollimation therapeutischer Neutronenstrahlenbündel kommt es ebenfalls zur Kontamination mit thermischen Neutronen und Photonen aus Einfangprozessen. Die relativen Anteile sind empfindlich abhängig von den individuellen Bedingungen und Konstruktionsmerkmalen der Neutronenquellen wie Targetform, Kollimation und Filterung.
Hanno Krieger

8. Spektrometrie, Aktivitäts- und Strahlenschutzmessungen

Zusammenfassung
Unter Spektrometrie versteht man die Energieanalyse von Strahlungsquanten. Soll die energetische Verteilung der Photonenstrahlung untersucht oder die Bewegungsenergie bei Teilchenstrahlung nachgewiesen werden, müssen die untersuchten Quanten ihre gesamte Energie im Meßvolumen des Detektors deponieren. Detektoren müssen dazu Abmessungen aufweisen, die größer als die Reichweite der Sekundärteilchen der untersuchten Strahlungsart sind. Sie müssen außerdem eine atomare Zusammensetzung haben, die eine ausreichende Wechselwirkungs- und Absorptionsrate gewährleistet. Zur Photonenspektrometrie werden Proportionalzählrohre, Szintillationsdetektoren und Halbleiterdetektoren verwendet. Sie alle erzeugen beim Durchgang eines Photons einen Spannungs- oder Stromimpuls, dessen Höhe proportional zur im Detektor erzeugten Ionisationsladung und bei geeigneter Anordnung auch zur Energie des Photons ist. Aus einer Impulshöhenanalyse kann dann auf die Energie der Strahlungsquanten geschlossen werden. In der Praxis unterscheidet man zwischen Einkanal- und Vielkanalanalysatoren. In einem Einkanalanalysator werden nur Ereignisse gezählt, deren Impulshöhe in einem bestimmten Impulshöhenbereich, dem Impulsfenster, liegen. Da die Impulshöhe mit der Energie korreliert, kann auf diese Weise eine energieanalysierte Quantenzählung durchgeführt werden. Elektronische Anordnungen, bei denen beliebige Impulshöhen simultan registriert werden, heißen Vielkananlanalysatoren. Moderne Vielkanalanalysatoren sind rechnergesteuert und erlauben die simultane Registrierung eines Impulshöhenspektrums in bis zu 8000 Kanälen.
Hanno Krieger

9. Hinweise 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

10. Tabellenanhang

Zusammenfassung
Verhältnisse der Massenenergieabsorptionskoeffizienten dienen zur Umrechnung der Energiedosis in verschiedenen Medien nach den Gleichungen (3.29) und (3.23) und zur Berechnung der Wirkung von Inhomogenitäten bei Photonenstrahlung (Gl. 4.20). Dabei ist zu beachten, daß diese Verhältnisse für monoenergetische Photonen berechnet wurden. Für heterogene Photonenspektren ist daher die mittlere Photonenenergie des Spektrums einzusetzen bzw. die Verhältnisse sind über das Spektrum zu mitteln.
Hanno Krieger

11. Literatur

Zusammenfassung
Von den in diesem Buch zitierten weiterführenden Literaturstellen enthalten insbesondere die Deutschen Normen zur Radiologie (DIN) und die Berichte der International Comission an Radiation Units and Measurements (ICRU) wichtige Ausführungen zur klinischen Dosimetrie. Sie sollten deshalb unbedingt beschafft und für die konkrete medizin-physikalische Arbeit zu Rate gezogen werden.
Hanno Krieger

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