Inwendige besmetting

Cursus
Stralingsbeschermingsdeskundige
Inwendige besmetting
A.S. Keverling Buisman
Inwendige besmetting
Indeling
Verschil externe/intern
Kwalitatief
Model algemeen
Model maagdarmkanaal
Model ademhalingswegen
Speciale gevallen
Handboek Radionucliden
Praktijk
2
Verschil extern en intern
Extern
Intern
Mogelijk
=0
Afstand
Mogelijk
Afscherming =0
Variabel
24h/dag
Tijd
Dosismeter
Dosisbepaling Indirect
Dosisverdeling Inhomogeen Variabel
Geen verschil
Effect
3
Kwalitatief
 Radioactieve stof treedt binnen via
Mond (Ingestie)
Luchtwegen (Inhalatie)
Huid (Injectie, diffusie)
4
Kwalitatief
5
Bronorgaan
 Verblijf in orgaan
 Maag, long, lever, bot,…
 Bronorgaan S
 Activiteit bestraalt orgaan en omliggende
organen!
6
Doelorgaan
 Bestraald orgaan heet doelorgaan T
 Bronorgaan is ook een doelorgaan!
7
Verblijftijd
Activiteit in doelorgaan verdwijnt door
 Radioactief verval (fysische halveringstijd)
 Transport
(biologische halveringstijd)
8
Integratieperiode
 Speciaal geval:
 Lange halveringstijd en langdurig verblijf:
 Dosisberekening tot 50 jaar (volwassen)

tot het 70e levensjaar (kinderen)
Voorbeeld:
239Pu
in bot
9
Equivalente volgdosis
Als alle activiteit weg is (of na 50/70 j) is er een
Totale orgaandosis:
Volgdosis
(Equivalente volgdosis)
Aangeduid als HT(50) of H(τ)
Bijvoorbeeld HLEVER(50) in Sv.
10
Effectieve volgdosis
Elk orgaan heeft zijn eigen weefselweegfactor wT
wT is relatieve gevoeligheid van orgaan T voor
kankerinductie en genetische effecten
Effectieve volgdosis E is
E(50) = ΣT wT HT
met ΣT wT = 1
11
Weefselweegfactoren wT
ICRP-60
Gonaden
ICRP-103
0,20
0,08
Rood beenmerg, long, 0,12
dikke darm, maag
Blaas, borst, lever,
0,05
slokdarm, schildklier
Botoppervlak, huid
0,01
0,12
Overig
0,05
0,12
Som
1
1
0,04
0,01
12
Dosisconversiecoëfficiënt
Effectieve volgdosis bij inname van 1 Bq heet
Dosisconversiecoëfficiënt e(50)
Eenheid: Sv/Bq
e(50) is het eindresultaat van vele parameters!
(halveringstijden, stralingssoort, weegfactoren, ….)
13
Gebruik van e(50)
Bij inname Ain is de effectieve volgdosis te
vinden met:
E(50) = Ain e(50)
Ain in Bq;
e(50) in Sv/Bq;
E(50) in Sv.
14
Dosisconversiecoëfficiënt
Orde van grootte:
Voor βγ stralers: 10-10 tot 10-8 Sv/Bq
Voor alfa-stralers: 10-7 tot 10-5 Sv/Bq
Voor E(50) = 1 mSv is nodig een inname van
1 MBq van een βγ straler of
1 kBq van een alfa-straler.
15
Waar e(50) te vinden?
In Besluit Stralingsbescherming, genaamd e(g)
16
Waar e(50) te vinden?
In Handboek Radionucliden:
Cl-36 gegevens
17
Hoe vind ik inname Ain ?
E(50) = Ain e(50)
Ain
1)
2)
3)
4)
in Bq;
Veronderstelling (stel dat…)
Luchtconcentratie
Meting (Totale lichaam, schildklier, neus)
Meting van excretie
18
Samenvatting van begrippen
•
•
•
•
•
•
•
Bronorgaan (waar activiteit zit)
Doelorgaan (waar dosis wordt ontvangen)
Halveringstijden (fysisch/biologisch)
Integratieperiode (50j/70 j)
(Equivalente) volgdosis H(50) of H(τ)
Effectieve volgdosis E(50) of E(τ)
Dosisconversiecoëfficiënt e(50) of e(τ)
en waar deze te vinden is.
Berekening van e(50)
Wat volgt is de berekeningwijze van de
dosisconversiecoëfficiënt e(50) of e(τ).
20
Verval in bronorgaan
Fysische halveringstijd T1/2,R
met vervalsconstante λR (= ln 2/T1/2,R)
Gemiddelde levensduur is Tm = 1/λR
A(t) = A(0) exp(-λRt) =
A(0) exp(-ln 2 t/T1/2,R) =
A(0) exp(-t/Tm )
21
Biologische halveringstijd
Biologische halveringstijd T1/2,B
met transportconstante λB (= ln 2/T1/2,B)
Gemiddelde verblijftijd is Tm,B = 1/λB
A(t) = A(0) exp(-λBt) =
A(0) exp(-ln 2 t/T1/2,B) =
A(0) exp(-t/Tm,B )
22
Effectieve halveringstijd
Effectieve verwijdering (ra+biol)
A(t) = A(0) exp(- [λR+ λB ]t)
Dus
λeff = λR+ λB
1/Tm,eff = 1/Tm,R + 1/Tm,B
1/T1/2,eff = 1/T1/2,R + 1/T1/2,B
23
Voorbeelden
Schildklier T1/2,B = 90 d (geldt voor element I)
131I : T
1/2,R = 8 d
1/T1/2,eff = 1/8 + 1/90 = 0,136 d-1
T1/2, eff = 7,35 d.
129I: T
7
1/2,R = 1,6x10 j ; T1/2, eff = 90 d.
124I: T
T1/2, eff = 4,0 d
1/2,R = 4,2 d ;
123I: T
T1/2, eff = 0,55 d
1/2,R = 0,55 d ;
24
Extreme gevallen
1) T1/2,R << T1/2,B : T1/2,eff = T1/2,R
2) T1/2,B << T1/2,R : T1/2,eff = T1/2,B
De kortste halveringstijd is bepalend!
25
Recapitulatie
Voor fysisch, biologisch en effectief:
Tm = 1/λ
of
λ = 1/Tm
T1/2 = /λ
of
λ = ln 2/T1/2
Tm = T1/2 /ln2
Tm = 1,44 T1/2
26
β- en e- -straling
Dracht van β’s en andere elektronen:
ρR ≤ ½ E
Voor lichaam geldt ρ ≈ 1 g/cm3
Energie van β’s en e- : E ≤ 2 MeV
Dus dracht R ≤1 cm
Alle uitgezonden energie wordt ter plaatse
geabsorbeerd: Eabs = Euitgezonden
27
Dosistempoformule
voor β-straling
Dosistempo in bronorgaan = doelorgaan =
geabsorbeerde energie per seconde/massa
.
D = A Ē / m (Gy/s)
Ē = Egemiddeld !
28
Dosisformule
voor β-straling
Volgdosis in doelorgaan =
geabsorbeerde energie/massa
DT = US E/ m (Gy)
50 j
US =∫A(t) dt
0
29
Dosisformule
voor β-straling
Equivalente volgdosis HT = wR DT
HT = wR US Ē/ mT
(Sv)
Voor alle
elektronen:
WR =1
30
Dosisformule
voor β- en e- -straling
HT = US Ē/ mT
(Sv)
US aantal desintegraties in Bq.s =
50 j
US =∫A(t) dt
0
Ē = gemiddelde energie per
desintegratie in J/(Bq.s)
m in kg
31
Dosisformule
voor α-straling
Dracht van alfa’s ≤ 0,1 mm, dus
HT = wR US Eα / mT
(Sv)
Voor alfa’s:
WR = 20 !
32
Voor γ-straling
Een deel van de γ-straling ontsnapt, er blijft
een fractie AF over:
HT = wR US E AF (S→T)/ mT
Geabsorbeerde
fractie AF (S→T)
WR =1
33
Voor γ-straling
Geabsorbeerde
fractie AF (S→T)
ook voor ander
orgaan
Doelorgaan T
Bronorgaan S
34
Algemene formule
Voor alle soorten straling geldt
HT = wR US E AF (S→T)/ mT
Voor α en β straling
AF = 1 voor T=S
AF= 0 voor T≠S
35
Algemene formule
Sommeren over alle uitgezonden deeltjes i
HT = US
Σi [yiEi wRi AF i(S→T)]/mT
Sommeren over alle bronorganen S
HT =
Σs US Σ [yiEi wRi AF i(S→T)]/mT
i
36
Algemene formule
Voor de berekening van effectieve volgdosis E(50)
sommeren over alle doelorganen T met
weefselweegfactor wT
E(50) = ΣT wT HT (50)
37
Formule
e(50)   wT  U S (50) wR ,i
T
Effectieve
volgdosis
per Bq
Bestraald
orgaan T
S
Weefselweegfactor
i
yi Ei AFi ( ST )
mT
Stralings
weegfactor
Geabsorbeerde
fractie
Aantal desintegraties
Massa bestraald
in bronorgaan S per
orgaan T
ingenomen Bq
Uitgezonden
energie per
desintegratie
38
Welke gegevens zijn nodig
voor dosisberekening?
•
•
•
•
•
•
Energie van uitgezonden deeltjes: Ei
Aantal uitgezonden deeltjes per desintegratie: yi
Aantal desintegraties in bronorgaan: US
Stralingsweegfactor wR (1 voor βγ, 20 voor α)
Geabsorbeerde fracties AF (S→T)
Massa van doelorgaan mT
39
Uitgezonden energie Ei per
desintegratie yi
Uit ICRP-38 en Handboek Radionucliden:
Voorbeeld 131I
40
Geabsorbeerde fractie AF
AF(S→T) voor alfa’s en elektronen:
AF = 1 als S=T en AF = 0 als S≠T
Voor fotonen: berekening via Monte Carlo-methode.
(met computer en mens-model)
AF vinden uit tabel
Bronorgaan: hele lichaam
Doelorgaan: hele lichaam
Fotonenergie
0,01 0,05 0,20 1,00 4,00 MeV
0,99 0,57 0,35 0,33 0,24
Bv. voor 1 MeV-fotonen wordt 33%
geabsorbeerd.
Massa van organen mT
Massa’s voor referentiemens van 70 kg
Gemiddeld mens met twee geslachtorganen
In de nabije toekomst
Massa man en massa vrouw (Adam/Eva)
Voxelmodel
HT = ½ [Hman + Hvrouw ]
43
Massa van organen mT
voor referentiemens
Orgaan/weefsel
Longen
Nieren (2)
Lever
Spier
Vet
Rood beenmerg
Huid
++
Massa (kg)
1,00
0,31
1,80
28,0
15,0
1,5
2,6
++
Som
70
44
Welke gegevens waren ook
al weer nodig?
•
•
•
•
•
Energie van uitgezonden deeltjes: Ei
Aantal uitgezonden deeltjes per desintegratie: yi
Stralingsweegfactor wR (1 voor βγ, 20 voor α)
Geabsorbeerde fracties AF (S→T)
Massa van doelorgaan mT
• Aantal desintegraties in bronorgaan: US
45
Aantal desintegraties US
B,C
in
A
A,B
B
B,D
C
D
B,E
E
c
D
E
Figuur 10.5.1 Compartimentenmodel
 = 1/Tgem of
 = ln 2/T1/2
46
Aantal desintegraties US
A(0
)
Compartiment A
Compartiment B
Compartiment C
0
Tijd 
Figuur 10.5.2 Activiteit in opeenvolgende organen (niet op schaal)
47
Aantal desintegraties US
Effectieve verwijderingsconstante:
eff = R + A,B
Aantal desintegraties in eerste orgaan:
50 j
US 

0
A(0)
A(0)
A(0) exp( A, B t  R t )dt 

 A(0)Tm
 A, B  R eff
48
Aantal desintegraties US
Differentiaal vergelijking voor AB in
volgende organen:
dAB
   A,B AA  ( B ,C  B ,D  B ,E  R ) AB
dt
Aantal desintegraties in orgaan B:
UB 
 A,B
 B ,C   B,D   B,E   R
UA 
in
UA
uit
49
Aantal desintegraties US
Integratie van de differentiaalvergelijking
50 j

0
dAB
dt    A, B
dt
50 j
 A dt  (
A
50 j
B ,C
 B , D  B , E  R )  AB dt
0
0
AB (50 j )  AB (0)    A,BU A  (B ,C  B ,D  B ,E  R )U B  0
Als AB=0 na 50 j:
UB 
 A,B
B,C   B,D  B,E
in
UA 
UA
 R
uit
50
Aantal desintegraties US
Bijzonder geval! (komt toch vaak voor)
Voor radionucliden met lange halveringstijd (tov
biologische) geldt:
US = AS Tm
Met AS activiteit die orgaan S bereikt
Tm gemiddelde verblijftijd in orgaan S
(biologisch natuurlijk, want T1/2,R is lang).
51
Hele lichaam
Het hele lichaam is óók een bron /doelorgaan
met weefselweegfactor wT = 1
52
Retentiefunctie
Soms meer dan één biologische halveringstijd:
Retentiefunctie (alleen biologisch natuurlijk)
R(t) = a1 exp(-ln2 t/T1 ) +a2 exp(-ln2 t/T2 )
Cs 20% T1/2 = 2 d; 80% T1/2 = 110 d
R(t) = 0,2 exp(-ln2 t/2 ) +0,8 exp(-ln2 t/110 )
53
Voorbeelden US berekening
Voorbeeld: 1MBq
99mTc
in maag
Gemiddelde verblijftijd maag: Tm = 1 uur
Fysische halveringstijd: T1/2 = 6 uur
Umaag = Ain * Tm,eff (eerste orgaan)
1/Tm, eff = 1/1 + ln2/6 = 1,12
uur-1
Tm,eff = 0,9 uur = 3230 s = 3,23x103 s
UMAAG = 1x106 Bq x 3,23x103 s =
UMAAG = 3,23 X109 Bq.s
54
Voorbeelden US berekening
Voorbeeld:
36Cl
(T1/2,R = 300.000 j)
Inhalatie van 100 Bq
75% komt in hele lichaam, T1/2,B = 44 d
US = AS Tm = 75 Bq x 44 d/ln 2 =
= 75 x 44 x 24 x 3600/0,693= 4,1 x 108 Bq.s
Einde algemeen deel
• Alle parameters te vinden:
•
•
•
•
•
•
Energie van uitgezonden deeltjes: Ei
Aantal uitgezonden deeltjes per desintegratie: yi
Stralingsweegfactor wR (1 voor βγ, 20 voor α)
Geabsorbeerde fracties AF (S→T)
Massa van doelorgaan mT
Aantal desintegraties in bronorgaan: US
56
Besmettingsroute
57
Maagdarm modellen
Geldt voor ingestie
(maar indirect ook na inhalatie)
58
Model voor
Maagdarmkanaal
Er zijn twee modellen:
Huidig model: 4 compartimenten
Nieuw model:
Human Alimentary Tract Model (HATM)
met 7 compartimenten
59
Huidig model
Maagdarmkanaal
TC
f1
ST
maag
SI
dunne darm
ULI
LLI
dikke darm
bovenste deel
dikke darm,
onderste deel
Figuur 10.6.1 Model van het maagdarmkanaal
TC - transfercompartiment = bloed
60
Maagdarmkanaal
Verblijftijden (h)
Maag
Dunne darm
Dikke darm (ULI)
Dikke darm (LLI)
1
4(1-f1)
13
24
61
Maagdarmkanaal
US voor langlevend nuclide met f1 en
Ain = 1 Bq
Volgens Us = AS Tm (in Bq.s)
Umaag = 1 Bq.Tm = 3600 Bqs ( = 1 Bq  verblijftijd 1 u = 3600 s)
USI = (1-f1) Tm = (1-f1) 1,44104 Bqs
UULI = (1-f1) Tm = (1-f1) 4,67104 Bqs
ULLI = (1-f1) Tm = (1-f1) 8,64104 Bqs.
62
Spijsverteringskanaal,
HATM model
Speekselklier
Speeksel
klieren
Stembanden
Slokdarm
Maagmond
Maag
Maag
Alvleesklier
Alvleesklier
Lever
Galblaas
Twaalfvingerige darm
Rechter dikke darm
Linker dikke darm
Colon transversum
Colon ascendens
Blinde darm
Wormvormig aanhangsel
Kronkeldarm
S-bocht
Colon descendens
Nuchtere darm
Colon sigmoideum
Endeldarm
63
Spijsverteringskanaal,
HATM model
Mond
Slokdarm
Maag
fA
Dunne darm
Rechter colon
Linker colon
Rectosigmoid
64
HATM
Verblijftijden
Deel
van
het
spijsverteringskanaal
Mondholte
Slokdarm
Maag
Dunne darm
Linker dikke darm
Rechter dikke darm
Endeldarm
Verblijftijd voor > 1 jaar
Man
Vrouw
12 s
7 s (90%); 40 s (10%)
70 min
95 min
4 uur
12 uur
16 uur
12 uur
16 uur
12 uur
16 uur
65
Holle organen
Bestaand model
HATM
Gevoelige cellen
Wand
Inhoud
Inhoud
66
Wanddosis tgv inhoud
Bestaand model
Voor elektronen (β, e)
Hwand = ½ Hinhoud
HATM
Voor elektronen (β, e)
Hwand = U/mgc ∫y(E)E AF (E) dE
Voor alfa’s
Hwand = 1/200 Hinhoud
Voor alfa’s
Hwand = 0
Voor foton i
Hwand = Uinh /mw Yi Ei AFi
Voor foton i
Hwand = Uinh /mgc Yi Ei AFi
67
Einde maagdarmmodel
Begrippen:
Compartimenten met verblijftijden
Opname in bloed f1 of fA
Speciale berekeningswijze voor holle organen
68
Longmodellen
Indeling
Depositie
Zuivering
Dampen
Gassen
69
Anatomie
HRTM
Human
Respiratory
Tract
Model
70
Ademhalingswegen
ET (Extra-thoracaal = neus/keel/mond)
BB (Bronchiën = grote luchtpijpen)
bb (Bronchiolen = kleine luchtpijpjes)
AI (Alveolair interstitium = longblaasjes)
71
Aërosolen
 Kleine deeltjes in lucht
 Afmetingen 0,01-100 µm
 Lognormale verdeling: mediaan van belang
 AMAD = mediane aërodynamische diameter
1
2
3
4
5
6
7
8
72
Depositie
1,0
0,8
Totaal
0,6
AI
Depositie
0,4
ET
bb
0,2
BB
0
0,005
0,1
1
AMAD (m)
10
100
73
Default diameter
Werkers (5 m)






ET1
ET2
BB
bb
AI
Som
Depositie
0,34
0,40
0,012
0,007
0,053
0,81
Bevolking (1 m)
Depositie
0,14
0,18
0,006
0,011
0,12
0,46
74
Longzuivering (mechanisch,
verblijftijden)
1d
ET1
LNET
700 d
ETs
BBs
70 d
bb1
ET2 10 min
20 d
BB2
20 d
bb2
LNTH
7000 d
lang
AI3
100 min
BB1
8h
bb1
35 d
AI2
AI1
75
Longzuivering (chemisch)
Deeltje
Tussenstadium
Bloed
Overal in de ademhalingswegen,
behalve ET1
76
Longzuivering (chemisch)
Indeling:
Klasse F (Fast)
Klasse M (Moderate)
Klasse S (Slow)
77
Longzuivering (chemisch)
Klasse
Klasse F
Klasse M
Klasse S
Fractie
1
0,1
0,9
0,001
0,999
Verblijftijd
10 min
10 min
140 d
10 min
7000 d
78
Oplossen in bloed
Klasse
Klasse F
Klasse M
Klasse S
Opname in bloed na 1-7 d
0,27+0,2 f1
0,027+ 0,02f1
0,00027+0,0002f1
79
Referentiemens
Inhalatievolumetempo:
Lichte werkzaamheden
1,2 m3 /h
Slaap
Per dag
0,54 m3 /h
23 m3 /d
80
Inname bij inhalatie
Bij activiteitsconcentratie C (Bq/m3)
Inname = C (Bq/m3 ) x V (1,2 m3 /h) x t (h)
81
Recapitulatie aerosolen
Compartimenten (ET, BB, bb, AI)
Depositie afh. van AMAD
Longzuivering door transport en oplossen
Klasse-indeling voor zuivering: F, M, S
Fractie van inhalatie in bloed afh. van FMS.
82
Voorbeelden
Inhalatie van 32P
Ingestie: alle verbindingen f1 = 0,8
Inhalatie
Fosfaten (Zn, Sn, Mg, Fe, Bi) f1=0,8 Klasse M
Overige verbindingen
f1=0,8 Klasse F
Ing
F
M
e(50) (Sv/Bq) 2,410-9
1,110-9
2,910-9
ARe (Bq)
4,2108
9,1108
3,4108
Bevolking:
e(50) (Sv/Bq) 2,410-9
8,010-10
3,210-9
ARe (Bq)
4,2108
1,3109
3,1108
83
Dampen, gassen
Depositie afhankelijk van
Oplosbaarheid (Solubility) S
Reactiviteit (Reactivity) R
Indeling in SR-klasse
SR-0: niet oplosbaar, niet reactief
SR-1: Matig oplosbaar, reactief
SR-2: goed oplosbaar, sterk reactief
84
SR-2-dampen
Oplosbaar: H2O,CO, CO2
Reactief: SO2, HF, UF6
Depositie alleen in ET2!
85
SR-1-dampen
Zwaveldamp H2S
Nikkelcarbonyl Ni(CO)4
Kwikdamp Hg
Jodiumdampen I2, CH3I
RuO4, Tc2O7
Depositie: 30% ET, 30% BB/bb, 40% AI
Gedrag als klasse F
86
SR-0-gassen
Edelgassen
Alleen submersie!
Dosisconversiecoëfficiënt e in
Sv/h per Bq/m3 (effectieve dosis)
Aparte berekeningswijze volgt later
87
Botmodel
Sommige stoffen zijn botzoekers
Voorbeelden:
Aardalkalimetalen Ca, Ba, Sr, Ra
Fosforverbindingen P
Transuranen
Np, Pu, Am, Cf
88
Botmodel
Twee soorten bot:
Compact bot
Sponsachtig bot
Rood beenmerg in
sponsachtig bot!
89
Referentiemens
Compact bot
Sponsachtig bot
Massa Oppervlak
4 kg
6 m2
1 kg
6 m2
Botoppervlak (12 m2 ) x 10 µm x 1
g/cm3 = 120 g; wT = 0,01
Roodbeenmerg 1,5 kg wT = 0,12
Alléén in sponsachtig bot!
90
Botmodel
Twee soorten botzoekers:
• Oppervlaktezoekers
Verdeeld over oppervlak, dus ½ in
compact bot, ½ in sponsachtig bot.
• Volumezoekers
Verdeeld over volume, dus 4/5 in compact
bot, 1/5 in sponsachtig bot
91
Samenvatting
Dosisconversiecoëfficiënt e(50) of e(τ)
wordt bepaald door:
• Referentiemens (massa, afmetingen)
•
•
•
•
•
•
•
Stralingsweegfactoren
Weefselweegfactoren
Uitgezonden energie
Geabsorbeerde energie
Modellen (HATM, HRTM)
Opname in bloed
Keuze AMAD bij inhalatie
92
Samenvatting
Basis berekening effectieve volgdosis
E = Ain e(50)
1) Waar vind ik e(50)?
2) Hoe groot is de inname Ain?
93