Dosisgrößen zur Charakterisierung der Strahlenexposition

Zu den physikalischen Dosisgrößen gehören die Ionendosis J und die Energiedo-sis D. Die Ionendosis J ist der Betrag der elektrischen Ladung dQ der Ionen eines Vorzeichens, die in Luft in einem Volumenelement dV durch ionisierende Strahlung unmittelbar (z. B. bei Elektronenstrahlung) oder mittelbar (bei Photonenstrahlung ü-ber die Sekundärelektronen) gebildet werden, geteilt durch die Masse der Luft dma (a

= air) mit der Dichte ρa in diesem Volumenelement dV entsprechend

dV

Die SI-Einheit der Ionendosis ist der Quotient aus Coulomb und Kilogramm (C / kg).

Die historische Einheit war das Röntgen (R), wobei die Beziehung 1 R = 2,56 × 10^-4 C / kg gilt.

Zur Umrechnung der Ionendosis in die Photonen-Äquivalentdosis wird ein Umrech-nungsfaktor C1 zur Hilfe genommen. Es gilt entsprechend

01

Die Energiedosis D ist die fundamentale physikalische Dosisgröße. Sie beschreibt die pro Massenelement absorbierte Energie. D ist die mittlere Energie dE, die durch ionisierende Strahlung auf das Material in einem Volumenelement dV übertragen wird, dividiert durch die Masse des Massenelemtents dm mit der Dichte ρ in diesem Volumenelement entsprechend

Die SI-Einheit der Energiedosis ist das Gray als Quotient aus Joule und Kilogramm (1 J / kg = 1 Gy). Die alte Einheit der Energiedosis war das Rad (radiation absorbed dose). Es gilt die Beziehung 100 rd = 1 Gy bzw. 1 rd = 0,01 Gy (REICH 1990).

2.1.4.2 Strahlenschutzrelevante Dosisgrößen

In diesem Kapitel werden Dosisbegriffe vorgestellt, die für den Strahlenschutz benö-tigt werden. Sie basieren auf der Energiedosis, sind aber im strengen Sinn keine physikalischen Dosisgrößen. Im Strahlenschutz müssen Dosisgrößen die verschie-denen Wirkungen ionisierender Strahlung beschreiben. In diesen Dosisgrößen muss die Strahlungsart, die Strahlungsenergie sowie die Strahlenempfindlichkeit der betrof-fenen Organe oder Körperteile berücksichtigt werden.

Im praktischen Strahlenschutz werden zwei Kategorien von Dosisgrößen unterschie-den. Die operativen Dosisgrößen, die so genannten Dosismessgrößen, sind für die Orts- und Personendosimetrie geeignet und gehören zur ersten Kategorie. Die Kör-perdosisgrößen stellen den Zusammenhang mit den biologischen Strahlenwirkungen her und gehören zur zweiten Kategorie. Alle Dosisgrößen haben die SI-Einheit „Joule pro Kilogramm“, wobei zwecks Abgrenzung zur rein physikalischen Dosisgröße E-nergiedosis die biologisch bewerteten Dosisgrößen in der Einheit Sievert (Sv) ange-geben werden. Zur besseren Übersicht sind die nachfolgend beschriebenen Dosis-größen in der Tabelle 2 zusammengefasst.

Tab. 2: Dosisgrößen im Strahlenschutz (nach KRIEGER 2002).

Kategorie Bezeichnung Kurzzeichen Bemerkung

mit Qualitätsfaktor Q multiplizierte Energiedosis

Die grundlegende biologisch bewertete Dosisgröße ist die Äquivalentdosis H, die als Produkt aus der Weichteilenergiedosis D und einem Wichtungsfaktor für die Strahlenqualität berechnet wird. Der Gesetzgeber definiert die Äquivalentdosis als Produkt aus Energiedosis (absorbierte Dosis) im ICRU-Weichteilgewebe und dem Qualitätsfaktor Q des Berichts Nr. 51 der International Commission on Radiation U-nits and Measurements (ICRU report 51). Beim Vorliegen mehrerer Strahlungsarten und –energien ist die gesamte Äquivalentdosis die Summe ihrer Einzelbeiträge (RöV 2003). Für Röntgen- und Gammastrahlung gilt definitionsgemäß Q = 1. Die histori-sche Einheit der Äquivalentdosis war das rem (radiation equivalent men), wobei die Umrechnung 1 Sv = 1 J / kg = 100 rem gilt.

Nach RöV (2003) versteht man unter der Ortsdosis die Äquivalentdosis, gemessen an einem bestimmten Ort. Zur Messung der Ortsdosis dienen zwei Dosisgrößen, die Umgebungs-Äquivalentdosis H*(d) und die Richtungs-Äquivalentdosis H’(d, Ω

r

). Der Parameter d steht dabei für die Messtiefe im Phantom in Millimetern, und der Para-meter Ω

r

steht für den Richtungsvektor des Strahlungseinfalls. Als Phantom kommt

die gewebeäquivalente ICRU-Kugel zum Einsatz. Ihre Zusammensetzung ist nähe-rungsweise muskeläquivalent (76,2 % Sauerstoff, 11,1 % Kohlenstoff, 10,1 % Was-serstoff und 2,6 % Stickstoff). Für durchdringende Strahlung, wie z. B. hochenergeti-sche Photonen, wird die Messung der Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) empfoh-len. Die Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) am interessierenden Punkt im tatsächli-chen Strahlungsfeld ist die Äquivalentdosis, die im zugehörigen ausgerichteten und aufgeweiteten Strahlungsfeld in 10 Millimeter Tiefe in der ICRU-Kugel auf dem der Einfallsrichtung der Strahlung entgegengesetzt orientierten Radius erzeugt würde (RöV 2003). Sie ist die für hochenergetische Photonen-, Neutronen oder Elektronen-strahlung anzugebende Ortsdosisgröße. Bei den Strahlungsarten mit geringer Ein-dringtiefe wie Beta-, Alpha- und niederenergetischer Röntgenstrahlung soll die Rich-tungs-Äquivalentdosis H’(0,07, Ω

r

) angegeben werden. Diese Dosisgröße ist laut RöV (2003) die Äquivalentdosis am interessierenden Punkt im tatsächlichen Strah-lungsfeld, die im zugehörigen aufgeweiteten Strahlungsfeld in 0,07 mm Tiefe auf ei-nem in festgelegter Richtung Ω

r

orientierter Radius der ICRU-Kugel erzeugt würde.

Ein aufgeweitetes Strahlungsfeld ist ein idealisiertes Strahlungsfeld, in dem die Teil-chenflussdichte und die Energie- und Richtungsverteilung der Strahlung an allen Punkten eines ausreichend großen Volumens die gleichen Werte aufweist wie das tatsächliche Strahlungsfeld am interessierenden Punkt (RöV 2003). Weist das Strah-lungsfeld zusätzlich eine einheitliche Richtung auf, handelt es sich um ein ausgerich-tetes und aufgeweiausgerich-tetes Strahlungsfeld.

Die dritte Dosismessgröße ist die Personendosis. Bei durchdringender Strahlung gibt die Personendosis Hp(10) die Äquivalentdosis in ICRU-Weichteilgewebe in 10 mm Tiefe im Körper an der Tragestelle des Personendosimeters an. Im Fall von Strahlung geringer Eindringtiefe entspricht die Personendosis Hp(0,07) der Äquiva-lentdosis in ICRU-Weichteilgewebe in 0,07 mm Tiefe im Körper an der Tragestelle des Personendosimeters. Die Hp(10) dient der Abschätzung von effektiver Dosis und Organdosen. Die Hp(0,07) dient zur Abschätzung der Hautdosis auf der Trageseite des Dosimeters. Im Gegensatz zu den Ortsdosisgrößen sind die Personendosisgrö-ßen im tatsächlichen Strahlenfeld definiert. Die Messung findet am Körper der strah-lenexponierten Person statt. Zur Kalibrierung der Dosimeter kommen hier drei

Phan-tome zum Einsatz: Quaderphantom (Rumpf), Säulenphantom (Unterarm, Unter-schenkel) und Stabphantom (Finger) (KRIEGER 2002).

Die Körperdosis ist ein Sammelbegriff für die Organdosis und die effektive Dosis (RöV 2003). Die Organdosis HT ist als Produkt aus der mittleren Energiedosis DT

der jeweils bestrahlten Körperpartie und einem Strahlungs-Wichtungsfaktor wR für die vorliegende Strahlungsqualität R entsprechend

T R

T w D

H = ⋅ ₍₅₎

definiert. Der Index T steht für ein bestimmtes Organ, Gewebe oder Körperteil. Die Strahlungs-Wichtungsfaktoren werden von der ICRP vorgeschlagen. Dieser Faktor ordnet der jeweiligen Strahlungsart einen Zahlenwert zu, abhängig von der Art und Qualität des durch die Strahlungsart entstehenden Strahlungsfeldes. Für Röntgen- und Elektronenstrahlung entspricht dieser Faktor wR = 1.

Die am schwierigsten fassbare Dosisgröße ist die effektive Dosis E. Diese Dosis-größe bezieht sich auf den ganzen Körper und dient als Maß für das mit einer Strah-lenexposition verbundene stochastische Strahlenrisiko. Sie ist als Summe der mit den zugehörigen Gewebe-Wichtungsfaktoren wT multiplizierten Organdosen HT in zwölf relevanten Organen und Geweben und in fünf weiteren Geweben entspre-chend

∑

=

T

T

T H

w E

(6) definiert. Nach den Empfehlungen der ICRP werden im deutschen Strahlenschutz-recht seit dem Jahr 2001 die in Tabelle 3 zusammengestellten Gewebe-Wichtungsfaktoren verwendet.

Tab. 3: Gewebe-Wichtungsfaktoren wT nach ICRP 60 (1991).

Gewebeart, Organ wT-Faktor

Keimdrüsen 0,20

Brust 0,05

Rotes Knochenmark 0,12

Lunge 0,12

Schilddrüse 0,05

Knochenoberfläche 0,01

Kolon 0,12

Magen 0,12

Blase 0,05

Leber 0,05

Oesophagus 0,05

Haut 0,01

Rest total: 0,05

2.2 Dosimetrische Messverfahren