1. Inleiding: Basisprincipes, meetapparatuur en
principes van radioprotectie
1.1. Basisprincipes
Nucleaire geneeskunde: moleculaire beeldvorming
zeer sensitief: voor structurele/anatomische veranderingen en symptomen
Radioactiviteit: instabiele kern (neutronen en protonen) heeft te veel E deel uitzenden ovv straling
Doel: in beeld brengen van specifieke moleculaire processen in menselijk lichaam dmv radiofarmaca
Radiofarmacon = (moleculaire) substantie, gekoppeld aan radionuclide dat gamma of beta-plus
(positron) straling uitzendt (uitwendig detecteerbaar)
Vetormolecule: specifieke moleculaire interactie met doelwit
Radionuclide therapie(RNT) = “metabole therapie”
Radionucliden kunnen E op korte afstand afgeven, zoals bèta-min (elektron) en alfa stralers
o Bepaalt techniek die gebruikt moet worden voor uitlezing (PET of SPECT)
Aanmaken van radionucliden:
1. Aangeleverd na productie in kernreactor of industriele versneller
2. Ter plaatse via deeltjesversneller (klinisch cyclotron) of via generator
o Good manufracturing-practice (GMP) zuiverheid en steriliteit
o Vb cyclotron reacties
Radioactief label van deze stoffen om die buiten lichaam te detecteren = “radiofarmaca”
Bepaalt welke fysiologische functie gemeten wordt
Basisprincipe van beeldvorming in nucleaire geneeskunde: “tracerprincipe”
1. Zeer lage concentraties tracer: zeer hoge specifieke activiteit (activiteit/massa drager)
2. Detectie van fysiologisch proces ZONDER verstoring ervan
Optimaal tijdsvenster voor beeldvorming bepalen en waargenomen patroon interpreteren
Kinetiek van opname, distributie, specifieke binding, en uitscheiding
NOOIT 100% specifieke opname in orgaan
X-stralen, CT-scan, MRI, echografie: hoog ruimtelijk detail van anatomische veranderingen
Nucleaire beeldvorming meet kwantitatieve verdeling van radiofarmacon in lichaam
Radioctiviteitsdistributie
Volledig kwantitatief
,Vb: ziekte van Parkinson: bindingspotentiaal voor dopaminetransporters meten met scan in 10 min
1.2. Radiofarmaca
Deeltjesstraling:
- alfa-straling (heliumkern: 2p + 2n): tegengehouden door blad papier THERAPIE
- bèta-min-straling (elektron) THERAPIE
- bèta-plus straling (positron): DIAGNOSTIEK
o Bèta plus verval: 2 positrons uitgezonden dat met elektron botst gamma-straling
Hoge lineaire energie transfer (LET)
o Lokaal veel E op korte afstand afzetten(hoge dosis)
o RNT-toepassingen (radionuclide therapie): veel celschade; uitwendig niet detecteerbaar
Elektromagnetische straling: beta plus gamma-straling
Enkel voor beeldvorming gebruikt: DIAGNOSTIEK
Gammastralers: lage LET, weinig interactie weefsel (weinig schade); uitwendig detecteerbaar
Meest gebruikte gammastraler: “technetium-99m”
Halfleven = 6,02 uur (tijd nodig om radioactiviteit op helft te laten terugvallen)
Stralingsenergie
o Hoog genoeg om niet te veel door lichaam geabsorbeerd te worden en uitwendige
camera te bereiken
o Niet te hoog zodat straling door meettoestel kan gestopt worden voor detectie
Molecule 20e eeuw: 18F-FDG
Normaal: glucose wordt door hexokinsase glucose 6P glycolyse of glycogeen
18
F-FDG: zelfde reactie, maar niet herkenbaar door moleculen van Krebscyclus dus geen opstapeling
Diagnostiek: radionuclide moet max info geven in combinatie met min stralingsbelasting
Kort halfleven
Generator : 99Mo – 99mTc
- Kolomchromatografie: molybdaat geïmmobiliseerd op Al
o Passage zoutoplossing doorheen kolom verwijdert 99mTc (elueren) als NaTcO4
o Gebruiksduur : enkele dagen (T1/2 99Mo : 66 u)
- PET: 68Ge-68Ga generator
o Gebruiksduur : maanden (T68Ge : 271 d)
Halfleven van meest gebruikte positronstralers is vrij kort
1.3. Gammacamera, SPECT, PET, hybride beeldvorming
Wetmatigheden van radioactief verval:
- Poission willekeurig proces P(Dt) = constante
- Radioactiviteit: A = dN/dt = -lN
- Exponentieel verval: A(t) = A0 e-lt
o A0= beginactiviteit (Bq); l = vervalconstante (s-1) = ln(2)/ T1/2
Maat voor hoeveelheid radioactiviteit aantal desintegraties per seconde
1 Bq (Becquerel) = 1 desintegratie per seconde <> 1 Ci (Curie) = 37 GBq
Basisprincipe beeldvorming met isotopen: beeldkwaliteit afhankelijk van
- Aantal gedetecteerde deeltjes (fotonen)
- Gevoeligheid detector (% uitgezonden straling gedetecteerd)
,Gammacamera: 1 foton wordt uitgestuurd dat naar alle kanten gaat
Gammastraling wordt in alle richtingen random uitgezonden
Enkel loodrecht invallende straling wordt doorgelaten dmv collimator
o Lodenplaat met uitgebreid gaatjespatroon
Invallende gammastraling wordt omgezet in lichtflitsen via scintillatiekristal
Stralen worden geabsorbeerd: elektron in geëxciteerde toestand
Terugvallen naar grondtoestand: lichtflits
Lichtflitsen dmv lichtversterkers elektrische signalen
Beeld = 2D weergave (pixels)
Nadeel: noodzaak van collimator: maar kleine fractie uitgezonden stralen gebruikt voor beeldvorming
Beeld opgenomen met gammacamera met scintillator kristal = “scintigrafie”
Planaire scintigrafie: deel van lichaam door camera opgenomen
- Whole-body scan: ganse pt langs camera geschoven in 10 min vb. 99mTc-HDP skelet
- Dynamisch vb. 99mTc-MAG3 nier
SPECT-scan (single-photon emission computed tomography)
Tomografische 3D-scan opnemen door camera rond pt te laten draaien
Camera in verschillende stappen of continu volledig rond pt draaien
Iteratieve reconstructie
2-kops SPECT (+CT) of specifieke designs (cardio)
Getriggerde studies (gating): cardiologie camera gestuurd door ECG van pt
Doorbloeding van hart: cyclus van hart onderverdelen
o Voorspellen of er defecten zijn in bepaalde delen van cycli
Dynamische onderzoek om zo stukken van dat beeld te nemen
PET (positron emission tomography): 2 fotonen uitgezonden bij tracers na annihilatieproces
PET-scan: detectie van positron uitsturende radiofarmaca (beta+ straling)
Volledige massa van elektron en positron omgezet in E: 2 fotonen van 511 keV
PET detectie: ring met scintillatiekristallen die 2 uitgezonden stralen snel kunnen detecteren
Gebeuren “in coïncidentie”
PET camera’s veel gevoeliger dan gammacamera’s: geen collimator (coincidentieprincipe)
Hybride beeldvorming:
Verhogen van accuraatheid van diagnostische procedures: combinatie structurele en functionele info
,Hybride toestellen: in “one-stop” zowel structurele als moleculaire info
PET-CT: CT geeft betere zichtbaarheid van karakterisatie van letsel
Hoge specificiteit en goede ruimtelijke resolutie
Simultane PET-MR beeldvorming:
- MR: veel accurater en veelzijdiger
- Nadeel: hoge kostprijs bij aankoop en claustrofobie
1.4. Stralingsbelasting en elementen van radioprotectie
Stralingsrisico
Nucleaire GK radioactief gemerkte moleculen tvv kleine stralingsbelasting voor pt
= minimaal en geen meetbare gevaren verbonden (net zoals bij CT- of RX-onderzoeken)
Groen = natuur (achtergrondstraling)
Rood = rampen (! letaal)
Belang van grootte-orden Donkerblauw = medisch medische blootstelling: brede range
Stochastische biologische effecten: ernst van effect neemt NIET toe met hogere stralingen
Deterministische biologische effecten: ernst van effect neemt toe met dosis
Geabsorbeerde dosis D= maat voor hvh E van stralingsveld afgezet in eenheidsmassa absorberend
materiaal
Voor alle types straling
- D = E/m in Joule/kg = gray (Gy)
Equivalente dosis H: H= wrxD in J/kg = Sievert (Sv)
Effectieve dosis E: globaal effect niet-homogene dosisdistributie
~ maat voor gemiddelde stralingsrisico van gehele lichaamsbestraling
- E = ∑ w T H T in Sv
S wT = 1
T
- Evaluatie risico late effecten (radioprotectie) = globaal risico ivglm unifome totaal-
lichaamsbestraling
- Houdt rekening met:
o E die straling afzet in lichaam (D)
o Type straling (via stralingswegingsfactoren, H)
o Gevoeligheid van organen via weefselwegingsfactoren die gewogen opgeteld worden
over meest stralingsgevoelige organen
Referentiekader: natuurlijke omgevingsstraling in België is 2-3 mSv op jaarbasis
, Lineair verondersteld effect (LNT: linear-no-threshold hypothesis):
Hoe meer straling hoe hoger risico op ontwikkeling van tumoren, ongeacht hoe klein de blootstelling
Effect van hormesis (stimulatie van reparatiemechanismen door lage hvh toxische blootstelling)
Lage hoeveelheden straling zijn niet schadelijk
12 ss breuken/d = 1 extra ds breuk/j
Fatale kankerrisico-coëfficiënt = manier om stralingdsdosis in perspectief te plaatsen
- Converteren naar absoluut risico
- Vergelijken met andere risico’s uit normaal leven
- Te consecratief
Gemiddelde levenslang risico voor kanker en leukemie: p fat = 50.10-6 per mSv = 0.05 per Sv
Conventionele risico’s en LLE (loss of life expectancy)
Stochastisch risico van 1 blootstelling van 10 mSv = gemiddelde verkorting van 2 d
Roken van pakje sigaretten per dag = verkorting van levensverwachting van 2441 d
Radioprotectie bij radionucliden beschermen tegen uitwendige en inwendige bestraling
1. Afstand tot stralingsbron (kwadratisch afnemend met afstand)
2. Duur van blootstelling
3. Afscherming tg straling
Minimis principe: geen benedengrens (bij LNT hypothese)
Stralingsbelasting nucleair technoloog/VPK
Grootste deel EXTERN
- Grote fractie door patiëntendosis; afhankelijk werkbelasting en type contact
- Gewogen gemiddelde Europa : 1.5 microSv per procedure
PET procedures : licht hogere blootstelling
- Max. 17 tot 50 microSv per procedure
Maximale toegestane stralingsbelasting (gepaard ‘redelijk’ aangenomen risico gepaard) = 20mSv per
12 opeenvolgende maanden
! Steeds het ALARA-principe toepassen
principes van radioprotectie
1.1. Basisprincipes
Nucleaire geneeskunde: moleculaire beeldvorming
zeer sensitief: voor structurele/anatomische veranderingen en symptomen
Radioactiviteit: instabiele kern (neutronen en protonen) heeft te veel E deel uitzenden ovv straling
Doel: in beeld brengen van specifieke moleculaire processen in menselijk lichaam dmv radiofarmaca
Radiofarmacon = (moleculaire) substantie, gekoppeld aan radionuclide dat gamma of beta-plus
(positron) straling uitzendt (uitwendig detecteerbaar)
Vetormolecule: specifieke moleculaire interactie met doelwit
Radionuclide therapie(RNT) = “metabole therapie”
Radionucliden kunnen E op korte afstand afgeven, zoals bèta-min (elektron) en alfa stralers
o Bepaalt techniek die gebruikt moet worden voor uitlezing (PET of SPECT)
Aanmaken van radionucliden:
1. Aangeleverd na productie in kernreactor of industriele versneller
2. Ter plaatse via deeltjesversneller (klinisch cyclotron) of via generator
o Good manufracturing-practice (GMP) zuiverheid en steriliteit
o Vb cyclotron reacties
Radioactief label van deze stoffen om die buiten lichaam te detecteren = “radiofarmaca”
Bepaalt welke fysiologische functie gemeten wordt
Basisprincipe van beeldvorming in nucleaire geneeskunde: “tracerprincipe”
1. Zeer lage concentraties tracer: zeer hoge specifieke activiteit (activiteit/massa drager)
2. Detectie van fysiologisch proces ZONDER verstoring ervan
Optimaal tijdsvenster voor beeldvorming bepalen en waargenomen patroon interpreteren
Kinetiek van opname, distributie, specifieke binding, en uitscheiding
NOOIT 100% specifieke opname in orgaan
X-stralen, CT-scan, MRI, echografie: hoog ruimtelijk detail van anatomische veranderingen
Nucleaire beeldvorming meet kwantitatieve verdeling van radiofarmacon in lichaam
Radioctiviteitsdistributie
Volledig kwantitatief
,Vb: ziekte van Parkinson: bindingspotentiaal voor dopaminetransporters meten met scan in 10 min
1.2. Radiofarmaca
Deeltjesstraling:
- alfa-straling (heliumkern: 2p + 2n): tegengehouden door blad papier THERAPIE
- bèta-min-straling (elektron) THERAPIE
- bèta-plus straling (positron): DIAGNOSTIEK
o Bèta plus verval: 2 positrons uitgezonden dat met elektron botst gamma-straling
Hoge lineaire energie transfer (LET)
o Lokaal veel E op korte afstand afzetten(hoge dosis)
o RNT-toepassingen (radionuclide therapie): veel celschade; uitwendig niet detecteerbaar
Elektromagnetische straling: beta plus gamma-straling
Enkel voor beeldvorming gebruikt: DIAGNOSTIEK
Gammastralers: lage LET, weinig interactie weefsel (weinig schade); uitwendig detecteerbaar
Meest gebruikte gammastraler: “technetium-99m”
Halfleven = 6,02 uur (tijd nodig om radioactiviteit op helft te laten terugvallen)
Stralingsenergie
o Hoog genoeg om niet te veel door lichaam geabsorbeerd te worden en uitwendige
camera te bereiken
o Niet te hoog zodat straling door meettoestel kan gestopt worden voor detectie
Molecule 20e eeuw: 18F-FDG
Normaal: glucose wordt door hexokinsase glucose 6P glycolyse of glycogeen
18
F-FDG: zelfde reactie, maar niet herkenbaar door moleculen van Krebscyclus dus geen opstapeling
Diagnostiek: radionuclide moet max info geven in combinatie met min stralingsbelasting
Kort halfleven
Generator : 99Mo – 99mTc
- Kolomchromatografie: molybdaat geïmmobiliseerd op Al
o Passage zoutoplossing doorheen kolom verwijdert 99mTc (elueren) als NaTcO4
o Gebruiksduur : enkele dagen (T1/2 99Mo : 66 u)
- PET: 68Ge-68Ga generator
o Gebruiksduur : maanden (T68Ge : 271 d)
Halfleven van meest gebruikte positronstralers is vrij kort
1.3. Gammacamera, SPECT, PET, hybride beeldvorming
Wetmatigheden van radioactief verval:
- Poission willekeurig proces P(Dt) = constante
- Radioactiviteit: A = dN/dt = -lN
- Exponentieel verval: A(t) = A0 e-lt
o A0= beginactiviteit (Bq); l = vervalconstante (s-1) = ln(2)/ T1/2
Maat voor hoeveelheid radioactiviteit aantal desintegraties per seconde
1 Bq (Becquerel) = 1 desintegratie per seconde <> 1 Ci (Curie) = 37 GBq
Basisprincipe beeldvorming met isotopen: beeldkwaliteit afhankelijk van
- Aantal gedetecteerde deeltjes (fotonen)
- Gevoeligheid detector (% uitgezonden straling gedetecteerd)
,Gammacamera: 1 foton wordt uitgestuurd dat naar alle kanten gaat
Gammastraling wordt in alle richtingen random uitgezonden
Enkel loodrecht invallende straling wordt doorgelaten dmv collimator
o Lodenplaat met uitgebreid gaatjespatroon
Invallende gammastraling wordt omgezet in lichtflitsen via scintillatiekristal
Stralen worden geabsorbeerd: elektron in geëxciteerde toestand
Terugvallen naar grondtoestand: lichtflits
Lichtflitsen dmv lichtversterkers elektrische signalen
Beeld = 2D weergave (pixels)
Nadeel: noodzaak van collimator: maar kleine fractie uitgezonden stralen gebruikt voor beeldvorming
Beeld opgenomen met gammacamera met scintillator kristal = “scintigrafie”
Planaire scintigrafie: deel van lichaam door camera opgenomen
- Whole-body scan: ganse pt langs camera geschoven in 10 min vb. 99mTc-HDP skelet
- Dynamisch vb. 99mTc-MAG3 nier
SPECT-scan (single-photon emission computed tomography)
Tomografische 3D-scan opnemen door camera rond pt te laten draaien
Camera in verschillende stappen of continu volledig rond pt draaien
Iteratieve reconstructie
2-kops SPECT (+CT) of specifieke designs (cardio)
Getriggerde studies (gating): cardiologie camera gestuurd door ECG van pt
Doorbloeding van hart: cyclus van hart onderverdelen
o Voorspellen of er defecten zijn in bepaalde delen van cycli
Dynamische onderzoek om zo stukken van dat beeld te nemen
PET (positron emission tomography): 2 fotonen uitgezonden bij tracers na annihilatieproces
PET-scan: detectie van positron uitsturende radiofarmaca (beta+ straling)
Volledige massa van elektron en positron omgezet in E: 2 fotonen van 511 keV
PET detectie: ring met scintillatiekristallen die 2 uitgezonden stralen snel kunnen detecteren
Gebeuren “in coïncidentie”
PET camera’s veel gevoeliger dan gammacamera’s: geen collimator (coincidentieprincipe)
Hybride beeldvorming:
Verhogen van accuraatheid van diagnostische procedures: combinatie structurele en functionele info
,Hybride toestellen: in “one-stop” zowel structurele als moleculaire info
PET-CT: CT geeft betere zichtbaarheid van karakterisatie van letsel
Hoge specificiteit en goede ruimtelijke resolutie
Simultane PET-MR beeldvorming:
- MR: veel accurater en veelzijdiger
- Nadeel: hoge kostprijs bij aankoop en claustrofobie
1.4. Stralingsbelasting en elementen van radioprotectie
Stralingsrisico
Nucleaire GK radioactief gemerkte moleculen tvv kleine stralingsbelasting voor pt
= minimaal en geen meetbare gevaren verbonden (net zoals bij CT- of RX-onderzoeken)
Groen = natuur (achtergrondstraling)
Rood = rampen (! letaal)
Belang van grootte-orden Donkerblauw = medisch medische blootstelling: brede range
Stochastische biologische effecten: ernst van effect neemt NIET toe met hogere stralingen
Deterministische biologische effecten: ernst van effect neemt toe met dosis
Geabsorbeerde dosis D= maat voor hvh E van stralingsveld afgezet in eenheidsmassa absorberend
materiaal
Voor alle types straling
- D = E/m in Joule/kg = gray (Gy)
Equivalente dosis H: H= wrxD in J/kg = Sievert (Sv)
Effectieve dosis E: globaal effect niet-homogene dosisdistributie
~ maat voor gemiddelde stralingsrisico van gehele lichaamsbestraling
- E = ∑ w T H T in Sv
S wT = 1
T
- Evaluatie risico late effecten (radioprotectie) = globaal risico ivglm unifome totaal-
lichaamsbestraling
- Houdt rekening met:
o E die straling afzet in lichaam (D)
o Type straling (via stralingswegingsfactoren, H)
o Gevoeligheid van organen via weefselwegingsfactoren die gewogen opgeteld worden
over meest stralingsgevoelige organen
Referentiekader: natuurlijke omgevingsstraling in België is 2-3 mSv op jaarbasis
, Lineair verondersteld effect (LNT: linear-no-threshold hypothesis):
Hoe meer straling hoe hoger risico op ontwikkeling van tumoren, ongeacht hoe klein de blootstelling
Effect van hormesis (stimulatie van reparatiemechanismen door lage hvh toxische blootstelling)
Lage hoeveelheden straling zijn niet schadelijk
12 ss breuken/d = 1 extra ds breuk/j
Fatale kankerrisico-coëfficiënt = manier om stralingdsdosis in perspectief te plaatsen
- Converteren naar absoluut risico
- Vergelijken met andere risico’s uit normaal leven
- Te consecratief
Gemiddelde levenslang risico voor kanker en leukemie: p fat = 50.10-6 per mSv = 0.05 per Sv
Conventionele risico’s en LLE (loss of life expectancy)
Stochastisch risico van 1 blootstelling van 10 mSv = gemiddelde verkorting van 2 d
Roken van pakje sigaretten per dag = verkorting van levensverwachting van 2441 d
Radioprotectie bij radionucliden beschermen tegen uitwendige en inwendige bestraling
1. Afstand tot stralingsbron (kwadratisch afnemend met afstand)
2. Duur van blootstelling
3. Afscherming tg straling
Minimis principe: geen benedengrens (bij LNT hypothese)
Stralingsbelasting nucleair technoloog/VPK
Grootste deel EXTERN
- Grote fractie door patiëntendosis; afhankelijk werkbelasting en type contact
- Gewogen gemiddelde Europa : 1.5 microSv per procedure
PET procedures : licht hogere blootstelling
- Max. 17 tot 50 microSv per procedure
Maximale toegestane stralingsbelasting (gepaard ‘redelijk’ aangenomen risico gepaard) = 20mSv per
12 opeenvolgende maanden
! Steeds het ALARA-principe toepassen
