Hidajat, Nico: Bestimmung und Optimierung der Strahlendosis des Patienten bei der Computertomographie - Methoden, Probleme und Lösungsmöglichkeiten -

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Kapitel 2. Der Begriff der Strahlendosis

Der Begriff der Strahlendosis bei der CT wird unterschiedlich verstanden. Der Mediziner und der Strahlenbiologe verbinden die Strahlendosis meist mit der Strahlendosis des Patienten und dem mit der Strahlenexposition einhergehenden Strahlenrisiko. Der interventionelle Radiologe versteht unter der Strahlendosis vor allem auch die Teilkörperdosis, deren vorgeschriebene Grenzwerte er zu beachten hat. Der Sachverständige nach Röntgenverordnung (RöV) gibt bei der Frage nach der Strahlendosis die Dosis in der Systemachse und die Ortsdosis an, die er im Zusammenhang mit der Abnahmeprüfung des CT-Gerätes messen muß. Der Gerätehersteller gibt als Maß für die Strahlendosis die auf Standard-Phantome bezogenen Dosiswerte an, die er gemäß Forderung der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde Food and Drug Administration (FDA) messen muß. Der Patient verbindet die Strahlendosis mit der Frage nach einer möglichen Gefährdung durch die Strahlen. Der CT-Dosimetrist verbindet mit der Strahlendosis die Kerma und Energiedosis im strahlenexponierten Körper, aus der die Dosen des Patienten oder Personals und andere physikalische Dosisgrößen abgeleitet werden können.

2.1 Kerma und Energiedosis

Bei der indirekt ionisierenden Strahlung wie der Röntgenstrahlung wird die Energie in zwei Stufen übertragen. In der ersten Stufe werden durch Wechselwirkung mit den Atomen Sekundärelektronen in Gang gesetzt. In der zweiten Stufe übertragen diese Sekundärteilchen an anderen Orten den Hauptteil ihrer Energie durch Ionisation und Anregung auf das Material.

Als Dosisgröße in Verbindung mit der ersten Stufe der Wechselwirkung wurde die Kerma eingeführt. Die Kerma K ist definiert als


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Dabei ist dE die Summe der Anfangswerte der kinetischen Energien aller geladenen Teilchen, die von indirekt ionisierender Strahlung aus dem Material in einem Volumenelement dV freigesetzt werden, und dm die Masse des Materials mit der Dichte rho in diesem Volumenelement. Das Wort Kerma ist aus den Anfangsbuchstaben der Worte "kinetic energy released per unit mass" abgeleitet (Roesch und Attix 1968).

Als eine Dosisgröße zur zweiten Stufe der Wechselwirkung, die das eigentliche Ziel der Dosimetrie ist, dient die Energiedosis. Die Energiedosis D ist definiert als

Dabei ist dE die mittlere Energie, die durch ionisierende Strahlung auf das Material in einem Volumenelement dV übertragen wird, und dm die Masse des Materials mit der Dichte rho in diesem Volumenelement. Die Energiedosis wurde im Jahre 1950 und 1953 mit der Bezeichnung "absorbierte Dosis" D eingeführt, die heute noch gültig ist. In Deutschland hielt man das Beiwort "absorbiert" für überflüssig, da das Wort Dosis bereits die Absorption einer Energiemenge beinhaltet.

Als Name für die Einheit der Kerma und Energiedosis Joule / Kilogramm (J/kg) wurde das Gray (Gy) gewählt. Die alte Einheit rad (rd) durfte in den Ländern der Europäischen Gemeinschaft nur bis zum 31.12.1985 im amtlichen Verkehr benutzt werden (1 rd = 0,01 Gy). Die Kerma ist hinreichend genau proportional der lokal absorbierten Energie, falls die Reichweite der geladenen Sekundärteilchen klein gegen die Reichweite der Primärteilchen ist. Das gilt für Röntgenstrahlung bis zu einer Röhrenspannung von etwa 400 kV (Reich 1990). Bis zu diesen Grenzen sind Luftkerma und Luft-Energiedosis beziehungsweise Wasserkerma und Wasser-Energiedosis einander praktisch gleich. Bei allen Angaben einer Kerma oder Energiedosis muß das Bezugsmaterial, d.h. das Material von dm, genannt werden, zum Beispiel Luftkerma oder Luft-Energiedosis, Wasserkerma oder Wasser-Energiedosis. Das Dosimeter zur Messung der Kerma oder Energiedosis ist stets für ein bestimmtes Bezugsmaterial kalibriert. Wird es in einem davon verschiedenen Umgebungsmaterial verwendet, so müssen Bezugs- und Umgebungsmaterial genannt werden. Bei der CT wird häufig ein zur Anzeige der Luft-Energiedosis


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kalibriertes Dosimeter verwendet, auch wenn die Dosis innerhalb eines Phantoms, beispielsweise aus Plexiglas, zu messen ist.

Die Energiedosis ist diejenige Größe, auf die die biologischen Wirkungen der ionisierenden Strahlung bezogen werden. Die biologische Wirksamkeit einer Strahlung hängt jedoch nicht nur von der Energiedosis ab, sondern auch von der Strahlenart. Schnelle Neutronen zum Beispiel zeigt eine 10 mal stärkere biologische Wirkung als Röntgenstrahlung bei gleicher Energiedosis. Daher wurde die Äquivalentdosis H eingeführt, die das Produkt aus der Energiedosis D im Gewebe und einem Bewertungsfaktor q (auch Strahlenwichtungsfaktor genannt) darstellt :

H = q x D

Die Einheit der Äquivalentdosis ist das Sievert (Sv). Der Bewertungsfaktor q ist das Produkt aus dem Qualitätsfaktor Q und dem Produkt weiterer modifizierender Faktoren N. Die Werte für Q und N werden durch Vereinbarung festgelegt. Der Qualitätsfaktor Q ist an das lineare Energieübertragungsvermögen geladener Teilchen für unbegrenzte Energieübertragung gebunden und beträgt für Röntgenstrahlung 1 Sv/Gy. N berücksichtigt alle modifizierenden Einflüsse wie Dosisleistung und Fraktionierung und betragen 1 für Bestrahlung von außen. Für Röntgenstrahlung gilt also q = 1 Sv/Gy. Aus der Äquivalentdosis lassen sich mögliche Strahlenwirkungen ableiten. Es werden dabei stochastische und deterministische (nichtstochastische) Strahlenwirkungen unterscheiden. Beide Kategorien von Schadenstypen haben grundsätzlich verschiedene Dosiswirkungsbeziehungen.

Bei den sogenannten stochastischen Effekten wird angenomen, daß keine Schwellendosis existiert und die Wahrscheinlichkeit des Eintretens solcher Effekte mit steigender Strahlendosis zunimmt. Ihr Auftreten unterliegt einer Zufallsverteilung. Werden mehrere Personen gleich exponiert, so kann für die Einzelperson nur die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer stochastischen Strahlenwirkung angegeben werden. In diese Kategorie von Strahlenwirkungen zählen die Induktion von malignen Erkrankungen und schweren vererbbaren Störungen.


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Bei den deterministischen Strahlenwirkungen wird postuliert, daß zunächst eine Schwellendosis überschritten werden muß, bevor die Strahleneffekte induziert werden können. Nach Überschreiten dieser Schwellendosis nimmt die Zahl der Effekte und der Schweregrad des Effektes mit steigender Dosis zu. Es müssen viele Zellen geschädigt sein, um zu einer Manifestation derartiger Effekte zu kommen. Zu diesen Strahlenwirkungen zählen zum Beispiel alle akuten Strahleneffekte, die Entwicklungsanomalien, aber auch Späteffekte wie die Linsentrübung und fibrotische Prozesse. Im Falle einer einmaligen Strahlenexposition liegt die Schwellendosis für die temporäre Sterilität der Hoden bei 150 mSv, für die Linsentrübung und Depression der Hämatopoese bei 500 mSv, für das vorübergehende Hauterythem bei 200 mSv und für die temporäre Epilation bei 7 Sv. Für andere deterministische Strahlenwirkungen liegt diese Schwellendosis über 2,5 Sv. Im Falle einer fraktionierten Strahlenexposition über viele Jahre kann eine Linsentrübung bei einer Dosis von 100 mSv/Jahr und eine Sterilität der Hoden sowie eine Depression der Hämatopoese bei 400 mSv/Jahr auftreten (FDA 1994, ICRP 1991).

2.2 Patientendosis

Die fundamentale physikalische Dosisgröße zur Beschreibung der Patientendosis in der Röntgendiagnostik ist die Energiedosis. Die Energiedosis ist als geeignetes Maß für einen biologischen Effekt empirisch bewiesen und theoretisch erklärbar. Wie die differentielle Schreibweise dE und dm zum Ausdruck bringt, ist die Energiedosis jedoch eine Punktgröße und beschreibt die Strahlenexposition in einem kleinen (infinitesimalen) Volumen um einen Punkt des Strahlenfeldes. Diese Exposition fällt aufgrund unterschiedlicher Abstände zum Brennfleck und Absorption im exponierten Körper an jedem Punkt des Körpers unterschiedlich aus. Daher kann die Strahlenexposition des Patienten nur durch eine Vielzahl von einzelnen Punktwerten ausreichend beschrieben werden. Diese Punktwerte werden dann zu einem Mittelwert zusammengefaßt. Da unterschiedliche Organe des Körpers unterschiedliche Strahlenempfindlichkeiten aufweisen, ist es vernünftig, für jedes Organ eine mittlere Energiedosis zu bestimmen. Bei Berücksichtigung der Strahlenart erhält man die mittlere Organäquivalentdosis, kurz Organdosis.


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Aus der Organdosis läßt sich das Risiko, an einem strahleninduzierten Krebs dieses Organs zu sterben, berechnen. Dies geschieht durch Multiplikation der Organdosis mit der Sterbewahrscheinlichkeit, d.h. der Wahrscheinlichkeit, an einem strahleninduzierten Krebs dieses Organs zu sterben. Die Einschätzung dieser Sterbewahrscheinlichkeiten stützt sich heute auf die Ergebnisse der Datenanalyse von Atombombenüberlebenden in Hiroshima und Nagasaki, die einen Beobachtungszeitraum von 1950 - 1985 umfassen (Shimizu und Mitarb. 1990).

Das gesamte Krebsrisiko G läßt sich ermitteln, indem man für jedes Organ T die Organdosis HT mit der zugehörigen Sterbewahrscheinlichkeit fT multipliziert und dann alle erhaltenen Werte aufsummiert, d.h.

Aus der Sterbewahrscheinlichkeit fT und der Gesamtsterbewahrscheinlichkeit f läßt sich für jedes Organ T ein Wichtungsfaktor wfT bestimmen, d.h.

Die Summe der so gebildeten Wichtungsfaktoren beträgt 1. Die Summe der Produkte aus Wichtungsfaktor wfT und Organdosis HT soll an dieser Stelle mit Ef bezeichnet werden :

Aus Ef läßt sich durch Multiplikation mit der Gesamtsterbewahrscheinlichkeit f das gesamte Krebsrisiko G errechnen, denn


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Eine Röntgenuntersuchung, bei der die Summe der Produkte aus Wichtungsfaktor wfT und Organdosis HT genau Ef beträgt, geht also mit einem gesamten Krebsrisiko GRöntgen von

GRöntgen = Ef x f

einher. Nun geht eine homogene Ganzkörperexposition mit der gleichen Dosis Ef, d.h. jedes Organ besitzt die Organdosis HT = Ef, mit einem gesamten Krebsrisiko GGanzkörper von

einher. Hieraus folgt

GRöntgen = GGanzkörper

d.h., daß die inhomogene Dosisverteilung in verschiedenen Organen bei einer Röntgenuntersuchung bezüglich des gesamten Krebsrisikos einer homogenen Ganzkörperexposition mit der Dosis Ef entspricht.

Die Internationale Kommission für Strahlenschutz ICRP (ICRP 1991) berücksichtigt neben dem Krebsrisiko aber auch das genetische Risiko, d.h. die Wahrscheinlichkeit schwerer vererbbarer Störungen. Die Gonadendosis wird entsprechend gewichtet, wobei die Kommission einen Wichtungsfaktor von 0,2 festlegt. Gleichzeitig wird postuliert, daß die Summe der Wichtungsfaktoren 1 bleibt. So wird die Summe der Wichtungsfaktoren für Krebs auf 0,8 reduziert und jeder einzelne Wichtungsfaktor für Krebs mit 0,8 multipliziert. Die neuen Wichtungsfaktoren werden mit wT bezeichnet und die Summe der gewichteten Organdosen wird mit effektiver Dosis E bezeichnet :


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Die Sterbewahrscheinlichkeiten und organbezogenen Wichtungsfaktoren (Tab.1) sind in den Empfehlungen der Internationalen Kommission für Strahlenschutz ICRP 60 von 1990 enthalten (ICRP 1991). Diese Risikokoeffizienten stellen Mittelwerte dar, die beide Geschlechter und alle Altersgruppen umfassen. Um das individuelle Strahlenrisiko eines exponierten Patienten zu ermitteln, ist zusätzlich zu berücksichtigen, daß die Strahlenexposition im jüngeren Lebensalter mit einem höheren Risiko verbunden ist und das Risiko mit zunehmendem Lebensalter abnimmt. Die Angabe eines auf einen bestimmten Patienten mit einer oder mehreren

Vorerkrankungen bezogenen Strahlenrisikos ist nicht möglich (Drexler und Mitarb. 1993a, Jung 1995). Dennoch eignet sich die effektive Dosis als Vergleichsgröße. Verschiedene Untersuchungen von unterschiedlichen Körperregionen und mit unterschiedlichen Parametern können hinsichtlich des Strahlenrisikos miteinander verglichen werden. Der Vergleich einer Röntgenuntersuchung mit anderen Arten von Strahlenexpositionen wie beispielsweise aus der Natur wird erleichtert und ist zur Interpretation des mit der Untersuchung verbundenen Strahlenrisikos hilfreich.

Tab. 1: Organbezogene Sterbewahrscheinlichkeiten einer Bevölkerung aller
Altersstufen und Wichtungsfaktoren der Organe (ICRP 1991)

Gewebe
oder
Organ

Sterbe-
wahrscheinlichkeit
fT(10-2 Sv-1)

Wichtungs-
faktor
wT

Blase

0,3

0,05

Knochenmark

0,5

0,12

Knochenoberfläche

0,05

0,01

Brust

0,2

0,05

Kolon

0,85

0,12

Leber

0,15

0,05

Lunge

0,85

0,12

Speiseröhre

0,3

0,05

Ovar

0,1

0,2

Haut

0,02

0,01

Magen

1,1

0,12

Schilddrüse

0,08

0,05

Übrige Organe

 

 

und Gewebe *

0,5

0,05

Gesamt

5

1

* Für Berechnungszwecke setzen sich die "übrigen Organe und Gewebe" wie folgt
zusammen : Nebennieren, Gehirn, oberer Dickdarm, Dünndarm, Niere, Muskel,
Pankreas, Milz, Thymusdrüse und Uterus. In den besonderen Fällen, in denen ein
einzelnes Organ oder Gewebe der "Übrigen Organe und Gewebe" eine Äquivalent-
dosis erhält, die über der höchsten Dosis in einem der zwölf Organe liegt, für die ein
Wichtungsfaktor angegeben ist, sollte für dieses Gewebe oder Organ ein Wichtungs-
faktor von 0,025 angewendet werden und ein Wichtungsfaktor von 0,025 für die
mittlere Dosis in den "übrigen Organen und Geweben".


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Die im Patienten auftretenden Energiedosen bei der CT liegen in der Regel in Bereichen weit unter 250 mGy, die zu den Niedrigdosisbereichen gezählt werden (Streffer 1991). Die Patientendosis bei der CT wird daher nur als Organdosis und effektive Dosis angegeben, aus denen das stochastische Risiko rechnerisch ermittelbar ist. Die Oberflächendosis auf der Haut des Patienten bewegt sich in Dosisbereichen, wo ein deterministischer Strahlenschaden wie zum Beispiel Hauterythem nicht zu erwarten ist, und tritt daher, anders als bei interventionellen angiographischen Eingriffen (FDA 1994, Hidajat und Mitarb. 1996a), weit in den Hintergrund. Die Oberflächendosis des Patienten bei der CT ist klinisch nur relevant, wenn sie als Näherung für oberflächlich gelegene Organe wie Linse, Schilddrüse, Brust oder Hoden angenommen wird.


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Wed Sep 18 18:10:11 2002