Die Erkenntnis, daß Röntgenstrahlen in biologischen Geweben
Wirkungen erzielen, ist beinahe so alt wie das Wissen um die Röntgenstrahlen
selbst: 1895 entdeckte W.C.Röntgen eine bis dahin unbekannte Form
von Strahlung ("X-Strahlen"), fertigte ein Röntgenbild der
Hand an und veröffentlichte diese Erkenntnisse im Dezember 1895.
1896 zeigte eine Röntgenaufnahme eines gebrochenen Unterarms die
diagnostische Einsatzmöglichkeit der Röntgen-Strahlen. Bereits
im gleichen Jahr aber wurden neben dieser rein darstellenden Anwendung
die zwei weiteren Aspekte der Strahlen entdeckt: der therapeutische und
der schädigende.
Es erschien ein Bericht über einen erstmaligen
Behandlungsversuch an einem Naevus pilosus und im gleichen Jahr ein Bericht
über die Strahlenschädigung an einer Hand mit Haarausfall und
Hautveränderungen.
Parallel zu den technischen Weiterentwicklungen des Einsatzes von Röntgenstrahlen
erweiterten sich auch die Kenntnisse über die Eigenschaften und Wirkungen
der Strahlen: so wurde
1903 ein Bericht über die unterschiedliche
Strahlensensibilität einzelner Gewebe veröffentlicht,
1908 wurde
über die krebserrregende Wirkung berichtet und
1911 darüber,
daß die Zellkerne weit strahlensensibler sind als das Zytoplasma.
Die Mechanismen strahlenschädigender Wirkungen sind seither weitestgehend
erforscht worden.
Der Schaden, den ionisierende Strahlung an biolgischem
Gewebe verursacht, wird in der Strahlentherapie ausgenutzt, um Tumorzellen
zu zerstören.
Im Rahmen diagnostischer Maßnahmen aber sind die
ionisierenden Einflüsse unerwünscht. Sie machen es notwendig,
die Anwendung von Röntgenstrahlen genauestens durch gesetzliche Bestimmungen
zu regulieren.
Im folgenden sollen einige Wirkungen ionisierender Strahlung
aufgezeigt werden, die wichtigsten gebräuchlichen Dosiswerte erläutert
und Grundlagen des Strahlenschutzes angesprochen werden.
Die möglichen schädigenden Einflüsse der Röntgenstrahlen
bedingen die Notwendigkeit von Strahlenschutzmaßnahmen. Diese sind
gesetzlich festgelegt für die Betreibung von Einrichtungen im Rahmen
radiologischer Diagnostik durch die
"Verordnung über den Schutz vor Schäden durch
Röntgenstrahlen, Röntgenverordnung - RÖV (1987)".
Die gesetzlichen Bestimmungen für den Umgang mit radioaktiven Stoffen
in der Nuklearmedizin und den Einsatz höherenergetischer Strahlung,
insbesondere in der Strahlentherapie wurden festgelegt in der sog.
"Strahlenschutzverordnung".
STRAHLENEWIRKUNG AUF BIOLOGISCHE GEWEBE
Die Strahlenwirkung ionisierender Strahlung auf biologische Gewebe
beruht darauf, daß sie beim Durchtritt durch Materie einen Teil der
Energie durch Absorption verliert.
Hierbei spielen Anregung und Ionisation im durchstrahlten Material die
entscheidende Rolle. Wirksam werden kann nur die absorbierte Strahlung.
Die Wahrscheinlichkeit und das Ausmaß biologischer Strahlenwirkung
hängt von der absorbierten Strahlenenergie unter Berücksichtigung
der Strahlenart ab (Röntgenstrahlung, Alphateilchen und Neutronen
unterscheiden sich in ihrem schädigenden Einfluß).
Für die Strahlenwirkung in lebenden Zellen ist das Eiweiß
am wichtigsten. Sie läuft in vier Stufen ab. Man unterscheidet:
- Physikalische Phase (Energieabsorption => Ionisation, Molekülanregung,
Wärme)
- Physikalisch-Chemische Phase (Direkte oder indirekte Wirkung
an der Zelle, s.u.)
- Biochemische Phase (Veränderung organischer Moleküle
z.B. durch Hydroxylierung)
- Biologische Phase (Störungen der Vitalfunktionen mit Zelltod,
Schäden evtl. mit Zelltod oder Mutationen).
Man unterscheidet direkte und indirekte Strahlenwirkungen:
Direkte Strahlenwirkung ("Treffertheorie"):
Herauslösen eines oder mehrerer Bindungselektronen aus einem Molekül
der Zelle durch ionisierende Strahlenwirkung => Verlust der biologischen
Eigenschaften der Moleküle, bei Schäden an lebenswichtigen Zentren
Absterben der Zelle, durch Veränderungen im Genmaterial Mutationen.
Mit der Dosis steigt die Trefferzahl und damit die Wahrscheinlichkeit des
Zelltodes.
Ergebnis von Einzeltreffern:
- Absterben der Zelle
- Mutationen.
Indirekte Strahlenwirkung
Durch die Strahlenwirkung verliert ein Wassermolekül ein Bindungselektron,
wird zum hochreaktiven Radikal und holt sich ein Elektron aus einem organischen
Molekül, meist sind Nukleotidbasen betroffen => Verlust der biologischen
Wirksamkeit z.B. von DNS und RNS.
DOSIS-BEGRIFFE
Um Röntgenstrahlung zu quantifizieren, mißt man ihre Wirkungen:
- Ionisation von Luft (z.B. Stabdosimeterr)
- Lumineszenzwirkung
- Photographische Wirkung (z.B. Filmdosimeter)
- Halbleiter-Effekte (wie Thermolumineszenz und Photoeffekt).
Energiedosis Einheit: Gray (Gy)
Die Energiedosis charakterisiert die in Materie
absorbierte Strahlenmenge.
(1 Gray entspricht der Energie in Joule (J), die von 1 Kilogramm Materie
aus der Strahlung absorbiert wird: 1 Gy = 1 J/kg.)
Ionendosis Einheit: Coulomb/Kilogramm (C/kg)
Die Ionendosis quantifiziert die Strahlenmenge
anhand der durch sie hervorgerufenen Ionisation.
(1 Coulomb/Kilogramm entspricht der Menge elektrischer Ladung, die in
1 kg Materie durch die Strahlung entsteht.)
Äquivalentdosis Einheit: Sievert (Sv)
Die Äquivalentdosis entspricht einer Abschätzung
der Strahlenmenge unter Berücksichtigung ihrer biologischen Wirkung.
Hierzu wird die Energie, die in 1 kg Materie absorbiert wird, mit einem
sog. Wirkungsfaktor ("q") multipliziert. Dieser berücksichtigt
die unterschiedliche biologische Wirksamkeit der verschiedenen Strahlenarten:
für Röntgenstrahlen gilt q = 1, für Neutronen-strahlung
gilt: q = 10.
(1 Sievert entspricht der Energiemenge in Joule (J), die von einem Kilogramm
Materie aus der Strahlung absorbiert wird (also der Energiedosis) multipliziert
mit dem Wirkungsfaktor der vorliegenden Strahlenart: 1 Sv = 1 J/kg).
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Begriff
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Bezug
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SI-Einheit
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alte Einheit
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Energie-Dosis
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auf Materie übertragene Energie
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Gray (Gy) 1 Gy = 1 J/kg
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Rad (rd)
1 rd = 0.01 Gy
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Ionen-Dosis
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in Luft freigesetzte elektrische Ladung
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Coulomb pro Kilogramm (C/kg)
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Roentgen (r)
1r=2.58*104 C/kg
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Äquivalent-Dosis
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biologische Strahlenwirkung
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Sievert (Sv) 1 Sv = 1 J/kg
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Rem (rem)
1 rem = 0.01 Sv
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STRAHLENWIRKUNG AUF MENSCHLICHE GEWEBE
Die beschriebenen biologischen Einflüsse ionisierender Strahlung
auf biologisches Gewebe bedingen den möglichen schädigenden Einfluß
der Röntgenstrahlung auf den menschlichen Organismus. Hierbei müssen
prinzipiell verschiedene Formen von Strahlenschäden unterschieden
werden:
"SOMATISCHE STRAHLENSCHÄDEN": hierunter
versteht man Folgeerscheinungen am Körper des Individuums, das der
Strahlung ausgesetzt war.
"GENETISCHE STRAHLENSCHÄDEN": Diese bezeichnen
solche, die als Veränderungen des Genmaterials sich erst in der Nachkommen-Generation
bemerkbar machen.
Insbesondere ist aber auch die Differentierung nach dem Entstehungsmechanismus
wichtig: man unterscheidet "deterministische" von "stochastischen"
Strahlenschäden.
"DETERMINISTISCHE STRAHLENSCHÄDEN": Hierunter
versteht man Schäden, die als Summe vieler elementarer Strahlenwirkungsprozesse
auftreten. Sie können erst oberhalb von Dosisschwellenwerten auftreten,
sind also nicht zufallsabhängig: bis zu einer bestimmten Dosis tritt
keine Schädigung auf, ab dem Schwellenwert jedoch regelhaft. Zu den
deterministischen Strahlenschäden gehören z.B. das Hauterythem
und die Trübung der Augenlinse.
"STOCHASTISCHE STRAHLENSCHÄDEN": Stochastische
Schäden entstehen durch die Wirkung eines einzigen Röntgenquants.
Ein Röntgenquant alleine setzt dabei die Schädigung in vollem
Umfang, die Dosis der Strahlung hat keinen Einfluß auf das Ausmaß
des Schadens (Alles-oder-Nichts-Gesetz), sondern nur auf die Wahrscheinlichkeit
für das Auftreten eines solchen. Die stochastischen Schädigungen
sind also den Gesetzmäßigkeiten des Zufalls unterworfen.
Merke:
DETERMINISTISCHE STRAHLENWIRKUNG:
- Ab Dosisschwellenwerten auftretender Schaden
- Schweregrad des Schadens dosisabhängig
- Keine Zufallssabhängigkeit
- Beispiele somatischer, deterministischer Strahlenschäden: Organschäden
wie Hauterythem und Linsentrübungen.
STOCHASTISCHE STRAHLENWIRKUNG:
- Schon bei kleinsten Dosen möglich, kein Dosisschwellenwert
- Schweregrad nicht von der Dosis abhängig
- Auftreten des Schadens zufällig
- Beispiele somatischer, stochastischer Strahlenschäden: Induktion
von Leukämien und Carcinomen.
- Beispiele genetischer, stochastischer Strahlenschäden: Mutationen,
genetische Defekte.
VERSCHIEDENE STRAHLENSENSIBILITÄTEN
Zellkerne sind deutlich strahlensensibler als das Zytoplasma. Sie sind
inbesondere in der Mitosephase besonders sensibel für schädigende
Einflüsse.
Bei Teilkörperbestrahlung können Schäden an einzelnen
Organen auftreten. Entsprechend der Verteilung sich häufig teilender
Zellen und in Abhängigkeit von der Differenzierung ergeben sich Unterschiede
in der Strahlensensibilität. Man unterscheidet Gewebe mit hoher, mittlerer
und niedriger Strahlensensibilität:
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Gewebe mit hoher Strahlensensibilität
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Gewebe mit mittlerer
Strahlensensibiltät
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Gewebe mit niedriger Strahlensensibilität
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Embryo, Foetus, Lymphgewebe, Knochenmark, Gonaden, Dünndarm
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Haut, Schweißdrüsen, Talgdrüsen, Augenlinse,
wachsender Knochen, kindliche Mamma, Gefäße
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Niere, Leber, Lunge, Drüsen, Dickdarm, Knochen, Knorpel,
Muskeln, Bindegewebe
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ERHOLUNG
Vorgeschädigte Zellen können sich durch Reparaturvorgänge
an DNS und RNS erholen. Diese Möglichkeit wird z.B. in der Strahlentherapie
im Rahmen der fraktionierten Bestrahlung ausgenutzt: durch Gabe mehrerer
nicht so hoher Einzeldosen kann sich das gesunde Gewebe, nicht aber die
Tumorzellen von den schädigenden Strahlenwirkungen erholen, so daß
bei gleicher Wirkung am Tumor eine geringere Belastung des gesunden Gewebes
resultiert.
STRAHLENSPÄTSCHÄDEN
Nach dem Zeitpunkt des Auftretens der Strahlenschäden unterscheidet
man zwischen Früh- und Spätschäden. Früh einsetzende
Schäden sind z.B. Schädigungen des Knochenmarks und des peripheren
Blutbildes sowie Schädigungen von Magen- und Darmzellen i.R. der akuten
Strahlenkrankheit nach Ganzkörperbestrahlung.
Strahlenspätschäden entstehen ebenfalls durch direkte Strahlenwirkung.
Zu den Strahlenspätschäden zählen:
- Teratogene Schäden => Entwicklungsanomalien
- Mutagene Schäden => Genetische Defekte
- Cancerogene Schäden => Krebsentstehung
STRAHLENSCHUTZ
Die Bestimmungen für die Betreibung von Einrichtungen im Rahmen
radiologischer Diagnostik sind durch die Röntgenverordnung (RÖV)
festgelegt.
Wichtige Grundsätze des Strahlenschutzes
1. Grundsatz der Notwendigkeit und Rechtfertigung
- Es darf keine Strahlenanwendung ohne einen daraus resultierenden Nettonutzen
für den Patienten geben.
2. Grundsatz der Optimierung
- Alle Strahlenexpositionen müssen so niedrig gehalten werden, wie
es unter Berücksichtigung wirtschaftlicher und soziale Faktoren vernünftigerweise
erreichbar ist.
3. Grundsatz der Überwachung individueller Dosisgrenzwerte
- Die Strahlendosis von Einzelpersonen soll die für die jeweiligen
Bedingungen festgelegten Grenzwerte nicht überschreiten.
Die RÖV schreibt u.a. folgende Maßnahmen vor:
- Abgrenzung und Kennzeichnung von Raumbereichen
- Dosisgrenzwerte
- Benennung von Aufsichtsbehörden
- Genehmungspflicht für Röntgenanlagen
- Technische Qualitätskontrollen in regelmäßigen Abständen
- Messung der Personendosis
- Strahlenschutzbelehrungen
- Vorsorgeuntersuchung beruflich strahlenexponierter Personen
- Aufzeichnungspflicht aller Röntgenuntersuchungen
- Strahlenschutz des Patienten!
Bauliche Maßnahmen (nach RÖV
und Strahlenschutzverordnung)
1. Sperrbereich: (nur nach Strahlenschutzverordnung definiert!)
- Höhere Dosisleistung als 3 mSv pro Stunde
- Zeitlich begrenzter Aufenthalt nur mit Sondergenehmigung (und nur zur
Durchführung gewisser, für diesen Bereich vorgesehener Betriebsvorgänge,
aus zwingenden betrieblichen Gründen)
2. Kontrollbereich: (Röngenverordnung!)
- Möglichkeiten höherer Körperdosen als 15 mSv pro Jahr
- Maximale Körperdosis auf 50 mSv pro Jahr festgelegt
- Das hier arbeitende Personal gehört zu den "beruflich strahlenexponierten
Personen der Kategorie A"
- Schutzkleidung vorgesehen
- Zutritt nur für einen fest umrissenen Personenkreis:
- Patienten zur Untersuchung (bzw. Therapie)
- Personen zur Ausübung ihrer Tätigkeit
- Auszubildende, wenn dies für ihre Ausbildung erforderlich ist
- Schwangere und Personen unter 18 Jahren nur zur Untersuchung oder
Behandlung
- Ausnahme: Auszubildende zwischen 16 und 18 Jahren nur unter Aufsicht
eines Fachkundigen mit Genehmigung der zuständigen Behörde
- Kontrollbereiche sind abzugrenzen und während ihrer Einschaltzeit
und Betriebsbereitschaft zu kennzeichnen.
3. Überwachungsbereich: (Röntgenverordnung!)
- An Kontrollbereiche angrenzende Räumlichkeiten, in denen das Personal
Ganzkörperdosen von 5 bis 15 mSv pro Jahr erhalten kann
- Das hier arbeitende Personal gehört zu den "beruflich strahlenexponierten
Personen der Kategorie B".
SPERRBEREICH
- > 3 mSv / Stunde
- Aufenthalt nur mit Sondergenehmigung
KONTROLLBEREICH
- 15 - 50 mSv / Jahr
- -> Beruflich strahlenexponierte Personen der Kategorie A
ÜBERWACHUNGSBEREICH
- 5 - 15 mSv / Jahr
- -> Beruflich strahlenexponierte Personen der Kategorie B
PERSONENSCHUTZ
Zur Überwachung beruflich strahlenexponierter Personen und zur
Einschätzung von Strahlenexpositionen bei Patienten sind Dosisbestimmungen
erforderlich. Man unterscheidet:
Körperdosis:
- Anteil der Röntgenstrahlung, der vom Körper absorbiert wird;
beinhaltet die effektive Dosis.
Effektive Dosis:
- Summe der gewichteten Äquivalentdosen der einzelnen Organe (biologische
Wirksamkeit, Wichtungsfaktoren für einzelne Organe sind in der RÖV
festgelegt).
Für den Strahlenschutz ist es notwendig, stochastische und deterministische
Strahlenwirkungen in die Überlegung einzubeziehen. Man unterscheidet
daher zwei Strategien des Strahlenschutzes:
1. Zur Minimierung deterministischer Schäden: Festlegung von Dosis-Maximalwerten,
in der Diagnostik nur in Extremfällen ein Problem, da durch die technischen
Möglichkeiten heute die Belastungen im Rahmen diagnostischer Maßnahmen
normalerweise weit unter den Dosisgrenzwerten liegen.
2. Die Reduzierung stochastischer Strahlenschäden ist nur durch
die Verminderung der Wahrscheinlichkeit für ihr Auftreten möglich,
d.h. wenige Aufnahmen - niedrige Dosis!
Letzteres zeigt eines der Hauptprobleme beim Strahlenschutz: Strahlenschutzmaßnahmen
(z.B. niedrige Dosis) stehen häufig in Konflikt mit den Notwendigkeiten
der Diagnostik (z.B. ausreichende Dosis für erforderliche Bildqualität)!
Bei gegensätzlichen Tendenzen von Maßnahmen zur Steigerung der
Bildqualität einerseits und zur Reduzierung der Strahlenexposition
des Patienten andererseits muß ein sinnvoller Kompromiß gefunden
werden.
Die Einschätzung des Risikos durch eine Strahlenexposition beruht
auf Angaben in der Literatur, die aus strahlenbiologischen Erkenntnissen,
experimentellen Untersuchungen, quantitativen Angaben zu medizinischen
Strahlenbehandlungen, Unfällen und Atomwaffenwirkungen zusammengetragen
wurden. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, eine Strahlenbelastung hinsichtlich
ihrer schädigenden Wirkung einzuschätzen, wenn die konkreten
Dosiswerte an risikorelevanten Organen bekannt sind, und die jeweils resultie-renden
Risikowerte für den gesamten Körper summiert werden. Hierbei
lassen sich natürlich nur statistische Aussagen treffen, der wirkliche
Schadenseintritt im individuellen Fall bleibt im statistischen Sinne nach
wie vor ungewiß.
Sinnvoll ist die Einschätzung dieser quantitativen Angaben nur,
wenn sie zu anderen Risiken in Relation gesetzt wird: so z.B. zur natürlichen
bzw. zivilisatorischen Strahlenexposition durch terrestische und kosmische
Strahlung (der Anteil der Strahlenexposition durch medizinische Maßnahmen
bezogen auf die Gesamtbevölkerung beträgt in Mitteleuropa etwa
40%) und zur spontanen Krebsentstehung, z.B. auch zum Risiko der Krebsentstehung
bei bekannten Risikofaktoren.
Zu beachten bleibt letztlich immer das eventuell höhere gesundheitliche
Risiko, das entsteht, wenn notwendige diagnostische Maßnahmen unterbleiben.
Damit bleibt als Grundsatz des Personenschutzes:
1. Sinnvolle Indikationsstellung
Diese ist nur gegeben, wenn die Röntgenaufnahme eine Konsequenz
für die weitere Diagnostik und/oder Therapie hat und keine äquivalente,
nicht oder weniger belastende Untersuchungsmethode zur Verfügung steht.
2. Ist eine Aufnahme medizinisch indiziert, hat sie - unter Berücksichtigung
der Strahlenschutzmaßnahmen - so durchgeführt zu werden, daß
sie die notwendige diagnostische Aussage zuläßt!
(Merke: Eine Aufnahme, die aufgrund verminderter Strahlenexposition
und schlechter Bildqualität etc. an diagnostischer Aussagekraft entscheidend
verliert, ist keine Strahleneinsparung für den Patienten, sondern
im Gegenteil eine unnötige Belastung ohne diagnostischen Nettonutzen!)
Wichtige Einflußfaktoren auf die Strahlenexposition des
Patienten:
- Vermeidung unnötiger Röntgenuntersuchungen!
- Auswahl geeigneter Bilderzeugungssysteme
- Sicherung der optimalen Funktion des Bilderzeugungssystems durch technische
Qualitätskontrollen
- Sicherung optimaler Einstellungs- und Belichtungstechnik, Einblendung!
- Anwendung von Strahlenschutzmitteln (Gonadenschutz).
Maßnahmen zur Reduzierung der Strahlenexposition des Personals:
- Mahnahmen zur Reduzierung der Strahlenexposition des Patienten dienen
gleichzeitig auch dem Strahlenschutz des Personals
- Vermeidung von Manipulation im Nutzstrahlenfeld
- Abschirmung der vom Patienten herrührenden Streustrahlung durch
Bleigummiabdeckungen
- Tragen von Schutzkleidung
- Ausnutzung des Abstandsgesetzes:
Die Dosis fällt mit dem Quadrat
des Abstandes!
Daraus ergeben sich die drei großen "A"
des Strahlenschutzes:
Fachkunde
Dr.
Joachim Menges
