Rozwój i zastosowanie metod pomiarowych i obliczeniowych na potrzeby ochrony radiologicznej personelu w medycynie

Abstract

Koniec XIX i początek XX wieku to okres przełomowych odkryć w dziedzinie promieniowania jonizującego i promieniotwórczości. W listopadzie 1895 roku niemiecki uczony Wilhelm Rentgen dokonał odkrycia przenikliwego promieniowania X [Röntgen, 1895], nazywanego również na jego cześć rentgenowskim. Po raz pierwszy promieniowanie rentgenowskie zostało wykorzystane w celach medycznych już w styczniu 1896 roku. Rentgenodiagnostyka do dziś stanowi główną i najpowszechniej stosowaną dziedzinę wykorzystania promieniowania jonizującego w medycynie. W oparciu o wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego działają lampy rentgenowskie, które znalazły zastosowanie w radiografii ogólnej (konwencjonalnej), radiologii interwencyjnej i tomografii komputerowej. Jednocześnie wciąż rozwija się nowe techniki obrazowania. Konsekwencją odkrycia promieniowania X było rozpoczęcie przez Henri Bequerela prac nad promieniotwórczością. W końcu 1897 roku do systematycznych badań nad promieniowaniem uranu dołączyła w ramach swojej rozprawy doktorskiej Maria Skłodowska-Curie [Skłodowska-Curie, 1904]. To właśnie przez nią został zaproponowany powszechnie dziś stosowany termin „promieniotwórczość”. W wyniku swoich prac wysunęła śmiałą tezę, iż istnieje więcej pierwiastków promieniotwórczych. Do jej prac dołączył Piotr Curie i w 1898 roku małżonkowie Curie ogłosili odkrycie nowych pierwiastków promieniotwórczych najpierw polonu, następnie radu. Wagę nowego odkrycia doceniono przyznając Wilhelmowi Rentgenowi w 1901 roku pierwszą nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Natomiast za odkrycia w dziedzinie promieniotwórczości w roku 1905 przyznano nagrodę Nobla – Henri Bequerelowi oraz małżonkom Curie. Dynamiczny rozwój badań nad promieniowaniem jonizującym sprawił, iż już w pierwszym roku po odkryciu promieniowania rentgenowskiego zaobserwowano pierwsze negatywne skutki jego oddziaływania z materią żywą [Wojcik & Harms-Ringdahl, 2019]. Początkowe obserwacje dotyczyły odczynów skórnych, zapaleń, martwic oraz efektów na soczewkach oczu. To właśnie obserwacje negatywnych skutków odziaływania promieniowania jonizującego na organizm dały początek ochronie radiologicznej, działowi nauki zajmującemu się ochroną przed promieniowaniem jonizującym. Ochrona radiologiczna, mająca na celu minimalizację skutków promieniowania na organizm ludzki, początkowo dotyczyła jedynie osób pracujących w narażeniu na promieniowanie jonizujące. Pod koniec XX wieku obszar zainteresowania ochroną radiologiczną objął wszystkie osoby eksponowane na promieniowanie jonizujące i obecnie jest definiowane jako całościowy zespół działań mających na celu ochronę pracowników, pacjentów i ogółu ludności przed promieniowaniem. Ponieważ, choć nie sposób wyobrazić sobie współczesnej nauki, techniki i medycyny bez promieniowania jonizującego, jego stosowanie bywa kontrowersyjne w odbiorze. Niechlubną kartą w historii zapisały się wybuchy bomb jądrowych w Hiroszimie i Nagasaki. Z pewnością nie bez znaczenia pozostają również wypadki radiologiczne, w szczególności szerokim echem odbijają się do dnia dzisiejszego skutki awarii jądrowych w Czarnobylu (1986) i Fukuszimie (2011). W tym kontekście szczególnie istotne jest znaczenie edukacji i zrozumienie zasad ochrony radiologicznej. Współcześnie kluczowymi kwestiami w odniesieniu do zastosowania promieniowania jonizującego jest zapewnienie bezpieczeństwa pracownikom, natomiast pacjentom odpowiedniej tj. optymalnej ochrony radiologicznej [ICRP 105, 2007]. Z tego względu ochrona radiologiczna wchodzi w obszar zainteresowania fizyki medycznej i dotyka szerokiego zakresu specjalności medycznych, w których wykorzystywane jest promieniowanie jonizujące, w szczególności radiologii, radioterapii oraz medycyny nuklearnej. Podstawą ochrony zdrowia osób pracujących w narażeniu na promieniowanie jonizujące jest kontrola dawek indywidualnych realizowana poprzez dozymetrię indywidualną. Pomiarów dawek indywidualnych dokonują serwisy dozymetryczne [Lopez & in., 2004; Olko & in., 2006; Alves, Kopec & in., 2014; Gilvin & in, 2015], które muszą spełnić szereg wymagań i norm. Idealną sytuacją byłoby, aby dawkomierze charakteryzowały się płaską charakterystyką energetyczną lub ich kalibracja była przeprowadzana w warunkach narażenia. Ponieważ zazwyczaj nie są dokładnie znane skład i rozkład energii promieniowania, szacowanie dawek wykonuje się w odniesieniu do promieniowania referencyjnego. W dozymetrii indywidualnej wymagania dotyczące niepewności nie są tak restrykcyjne, jak chociażby w radioterapii, gdzie wymagane jest szacowanie dawek z dokładnością rzędu 2-3%. Wynika to z poziomów dawek granicznych (~mSv), które są na tyle małe, że zapewniają personelowi w sposób konserwatywny ochronę przed promieniowaniem. W praktyce stosowane detektory i dawkomierze indywidualne w większości charakteryzują się zmienną charakterystyką energetyczną [Olko, 2002; Obryk & in., 2008; Nunn & in., 2008]. Należy przy tym zauważyć, iż również w ciele ludzkim odpowiedź na dawkę nie jest jednakowa i może się różnić w zależności od typu tkanki [Chow & Grigorov, 2012; Desrosiers & in., 2013]. Taka ocena dawki pochłoniętej w organizmie w stosunku do dawki zmierzonej przez dawkomierz indywidualny jest obarczona szeregiem niepewności, z których największa związana jest z odpowiedzią energetyczną stosowanego typu dawkomierza. Autorka proponuje poprawę metody szacowania dawek w polach promieniowania X, tak aby lepiej uwzględniały charakterystyki stosowanych dawkomierzy. Oprócz promieniowania jonizującego, odpowiednich procedur kalibracyjnych na poprawny odczyt detektora termoluminescencyjnego (TL) mogą wpłynąć czynniki fizyczne i chemiczne. W medycynie może zaistnieć równocześnie konieczność przeprowadzenia zabiegów terapeutycznych, w których następuje przerwanie ciągłości tkanek miękkich i użycia promieniowania jonizującego. Wówczas na finalny odczyt dawki mogą wpłynąć niezbędne procedury dezynfekcji lub sterylizacji, gdyż dawkomierze mogą znaleźć się w pobliżu ciała pacjenta podczas zabiegu. W takim wypadku należy rozważyć odpowiednie metody, tak aby nie miała miejsca utrata sygnału. Wytyczne takie powinny być przedstawione pracownikom służby zdrowia korzystającym z tego typu metod w swojej codziennej pracy. Cechą charakterystyczną w medycynie nuklearnej są stosunkowo wysokie dawki promieniowania, na jakie narażeni są zarówno pacjenci, jak i personel medyczny. Pacjent po przyjęciu radionuklidu promieniotwórczego sam staje się źródłem promieniowania. Personel medyczny powinien ograniczyć do możliwego minimum nie tylko czas przygotowania radiofarmaceutyku, ale również przestrzegać zasad ochrony radiologicznej przy postępowaniu z pacjentem. Obniżenie limitu dawki na soczewki oczu ustanowiono w oparciu o doniesienia o występowaniu katarakty u radiologów pracujących w narażeniu na promieniowanie [Vano & in., 2008, 2010]. Jednak statystyki poziomów dawek dla personelu medycznego, uzyskane w oparciu o bazę danych stworzoną przez Autorkę do obsługi serwisu dozymetrycznego [Budzanowski, Kopec & in., 2011; Kopec & in., 2011], wyraźnie wskazują, iż statystycznie to w medycynie nuklearnej najczęściej występują przekroczenia dawek granicznych. Natomiast poziomy dawek na jakie są narażeni pracownicy w medycynie nuklearnej, szczególnie wobec rosnącego zainteresowania badaniami PET, wymagają stworzenia wytycznych w zakresie monitoringu dawek na soczewki oczu w zakładach medycyny nuklearnej [Dabin, Kopec & in., 2014; Wrzesien & in., 2018]. Narażenie na promieniowanie w radiologii interwencyjnej jest szerokim zagadnieniem [Kim & in., 2008; Kopec & in, 2014; Szumska, 2015; Owsiak, Kopec & in., 2017; Staniszewska, Kopec & in., 2017]. Przy procedurach medycznych nie znajdują zastosowania limity dawek a tylko tzw. wartości referencyjne. Zabieg, któremu jest poddawany pacjent musi być w pełni zakończony, nie ma więc możliwości zaplanowania dokładnego czasu trwania danej procedury. W radiologii zabiegowej ważnym czynnikiem redukcji dawek dla personelu są osłony. Innymi aspektami mogą być rodzaje wykonywanych projekcji, stosowana energia i filtracja promieniowania X, rodzaj stosowanych środków ochronnych i dodatkowych zabezpieczeń. Modele matematyczne oparte o metody Monte Carlo umożliwiają obliczenie i oszacowanie ilości pochłoniętej energii w interesującym punkcie ciała lub organie (np. soczewkach oczu). W oparciu o wyniki istnieje możliwość wyznaczenia optymalnych wartości projekcji, wskazania konieczności stosowania dodatkowych osłon oraz określenie poziomu narażenia w zależności od zastosowanej procedury [Koukorava & in., 2011, Santos & in., 2015; 2018]. Tego typu zależności mogą zostać zastosowane do stworzenie wytycznych celem optymalizacji podczas pracy z promieniowaniem. Zaproponowany w pracy model matematyczny oparty o metody Monte Carlo może służyć jako narzędzie obliczeniowe dla osób narażonych pracujących w pracowniach radiologii zabiegowej, pokazujące jak stosowane podczas pracy z pacjentem projekcje i środki ochrony wpływają na narażenie na promieniowanie jonizujące. Centrum Cyklotronowe Bronowice w IFJ PAN jest pierwszym w Polsce ośrodkiem, w którym odbywa się radioterapia protonowa. Jest to obecnie najnowocześniejsza forma radioterapii dostępna na świecie. Wykorzystanie jonów do leczenia zmian nowotworowych, ze względu na charakter oddziaływania pozwala na maksymalne oszczędzenie zdrowych tkanek. Nowa technologia jest wyzwaniem nie tylko w obszarze leczenia zmian, lecz również w aspektach związanych z ochroną radiologiczną. Prezentowana praca porusza opisane powyżej zagadnienia, ma na celu przedstawienie oraz omówienie dotychczasowych doświadczeń zebranych przez Autorkę w dziedzinie ochrony radiologicznej pracowników sektora medycznego. Jest połączeniem wiedzy i osiągnięć Autorki w tym zakresie. Omówienie praw i podstaw fizycznych związanych z oddziaływaniem promieniowania jonizującego z materią wychodzi poza zakres niniejszej rozprawy. Niemiej taka wiedza jest niezbędna do prawidłowego rozumienia zasad i praw związanych z ochroną radiologiczną oraz pozwala zrozumieć na czym opiera się stosowanie różnych technik i pojęć w poszczególnych obszarach zainteresowania. Niezbędne i stosowane w rozprawie pojęcia Autorka starała się przybliżyć w możliwie zwięzły i zrozumiały sposób. Szerszych, niż przedstawione w niniejszej rozprawie, zagadnień z zakresu podstaw fizyki jądrowej, oddziaływania promieniowania z materią i organizmem żywym, detekcji promieniowania, jak również sposobów wykorzystania promieniowania jonizującego w medycynie należy szukać w podręcznikach z zakresu fizyki medycznej.