Strahlendosis

Strahlendosis ist ein Begriff aus dem Gebiet der medizinischen Strahlentherapie und des Strahlenschutzes, das heißt des Schutzes vor den Folgen ionisierender Strahlung. Man unterscheidet verschiedene Dosisgrößen, z. B. Ionendosis (C/kg, alte Einheit Röntgen) oder - Gegenstand dieses Beitrags - Energiedosis (J/kg) und die für verschiedene Strahlenarten unterschiedlich radiologisch bewertete Energiedosis, z. B. Äquivalentdosis oder Effektive Dosis .

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Nach heutigen Empfehlungen wird insbesondere in der medizinischen Strahlentherapie die Energiedosis (D), die pro Kilogramm bestrahlter Materie oder bestrahlten Gewebes absorbierte Energie, gemessen in Gy (Gray), 1 Gy = 1 J/kg, verwendet. Zur Berücksichtigung unterschiedlicher biologischer Wirksamkeit werden Bewertungsfaktoren (RBW-Faktoren) angewendet.

Im Strahlenschutz hat man zur Berücksichtigung des für verschiedene Strahlenarten und für verschiedene Gewebearten unterschiedlichen Strahlenrisikos radiologisch bewertete Dosisgrößen definiert: 1) Zur Festlegung von Grenzwerten dient die Körperdosis in Form der Organdosis und der Effektiven Dosis. 2) Als Strahlenschutzmessgröße dient die Äquivalentdosis in Form der Umgebungsäquivalentdosis oder der Personendosis. Die gemeinsame Einheit aller radiologisch bewerteter Dosisgrößen ist Sv (Sievert), wobei in vielen Fällen des praktischen Strahlenschutzes (bei Röntgen-, Gamma- und Beta-, also elektromagnetischer und Elektronenstrahlung) gilt: 1 Gy = 1 Sv. Bei Alpha- (Helium-Kerne) oder Protonen- sowie Neutronenstrahlung gilt das dagegen wegen der um den Faktor 20 bzw. (je nach Energie der Protonen oder Neutronen) 2 bis 10 höheren relativen biologischen Wirksamkeit dieser Strahlen nicht.

Hintergrund: Nach der Entdeckung der Röntgenstrahlung (Röntgen 1895) und der Radioaktivität (Becquerel 1896) beobachtete man Wirkungen der ionisierenden Strahlung beim Menschen. Versuche, diese zur Therapie zu nutzen, ergaben nach zunächst wechselnden Erfolgen erst dann reproduzierbare therapeutische Resultate, als es gelang, die ionisierende Strahlung in definierter Stärke zu applizieren. Dies kannte man bereits aus der medikamentösen Pharmakologie. Die Strahlendosis entsprach diesem pharmakologischen Konzept. Gemessen wurde aus praktischen Gründen die Ionenladung, die ionisierende Strahlung in Materie, typischerweise in Luft, erzeugt. Die Ionendosis, die pro Masse gebildete elektrische Ladung, ist eine rein physikalisch messbare Größe. Da jeder Ionisierungsprozess mit einem bestimmten Energieaufwand verknüpft ist, ist die Ionendosis proportional zu einer Energiedosis. Diese durch die ionisierende Strahlung in einem Massenelement deponierten Energie führt zum größten Teil zu einer Erwärmung des Körpers. Die Temperaturerhöhung ist messbar und in neuerer Zeit wird versucht, die Einheit der Energiedosis, 1 Gy = 1 J/kg durch kalorimetrische Messungen (Erwärmung von Wasser) darzustellen. Allerdings ist die Temperaturerhöhung sehr gering: Eine für den Menschen tödliche Dosis (~50 Gy) erzeugt in Wasser nur eine Temperaturerhöhung von ~0,01 K. Die besondere Wirkung der Strahlung wird durch die Ionisierung und die dadurch gebildeten freien Radikalen hervorgerufen. Da die Energiedosis eine geeignete Größe zur Abschätzung der direkten Wirkungen im Menschen (deterministische Strahlenschäden) ist, ist sie bei großer Strahlendosis und damit insbesondere in der medizinischen Therapie die geeignete Dosisgröße. Für gegebene Strahlenart, -energie und Bestrahlungsdauer hängt die Energiedosis von der chemischen Zusammensetzung des Materials ab. Aus diesem Grunde wählt man als Bezugsmaterial z. B. eine gewebeähnliche elementare Zusammensetzung oder Wasser. Die für ein bestimmtes Bezugsmaterial ermittelte Energiedosis kann mit Hilfe von Korrekturfaktoren in die Energiedosis für ein anderes Material umgerechnet werden.

Dosisermittlung bei radioaktiven Strahlern

Um eine Beziehung zwischen der Aktivität einer (ideal punktförmigen, unabgeschirmten) radioaktiven Quelle und der von ihr in einem bestimmten Abstand erzeugten Dosis herzustellen, gibt es sogenannte Dosisleistungskonstanten.

Bei inkorporierten Strahlern kann sich eine Dosisabschätzung schwierig gestalten. Wichtig dafür ist ein Wissen über die Kinetik der Substanz im Körper, d.h. wie es sich im Körper verteilt (also wie die Dosis in Prozentanteilen über die verschiedenen Organe verteilt ist) und auf welche Weise und wie schnell (biologische Halbwertszeit) es ausgeschieden wird, sowie Angaben darüber, wie lange die Inkorporation zurückliegt. Die augenblickliche im Körper verteilte Aktivität kann man z.B. über eine Urinprobenmessung abschätzen.

Bewertung der Strahlenbelastung von außen

Grundsätzlich ist zu betonen, dass üblicherweise von keiner unteren Schwellendosis ausgegangen wird, unter der kein Risiko für Spätfolgen wie Krebsinduktion besteht. Es wird allerdings auch diskutiert, ob niedrige Strahlendosen biologisch positive Wirkungen hervorrufen können (siehe Hormesis). Erfahrungswerte leiten sich ab aus

• den Folgen der Atombomben-Explosionen von Hiroshima und Nagasaki, die bei Äquivalentdosen zwischen zwei und zehn Sievert einen linearen Zusammenhang mit der Krebshäufigkeit erkennen ließ
• den Folgen der Atomversuche der USA in Nevada in den 1960er Jahren
• den Erfahrungen mit der Auswirkung so genannter "natürlicher" Strahlenbelastungen (kosmische Strahlung, Gesteinsstrahlung)
• den Erfahrungen mit der Strahlentherapie.

Abgesehen von langfristigen (stochastischen) Spätwirkungen wie Krebsinduktion oder genetische Schäden kann es bei Überschreitung von jeweiligen Schwellendosen zu sogenannten deterministischen Schäden wie etwa typischerweise Erythem, Epilation (Haut), Strahlenkatarakt (Augenlinse) oder Blutbildveränderungen u.a. kommen. Die Schwere solcher Schäden ist abhängig von der Dosisleistung. In kurzer Zeit aufgebrachte starke Ganzkörperdosen können unmittelbar zur so genannten Strahlenkrankheit (auch Strahlensyndrom genannt) führen. Diese ist als Kombination von verschiedenen deterministischen Schäden zu verstehen.

Die nachfolgende Tabelle führt die Wirkungen der Strahlenkrankheit auf, weiter unten wird das Krebsrisiko behandelt.

Dosiswerte (in Gy) und ihre Folgen

siehe auch Strahlenkrankheit

Die vorstehenden Ganzkörperdosen gelten für gleichmäßige Bestrahlungen des ganzen Körpers über einen kurzen Zeitraum. Teilkörperdosen gleicher Höhe können je nach bestrahlten Organen und Geweben weniger belastend sein, ebenso eine "Verteilung" der Dosis über einen größeren Zeitraum (der Körper hat Zeit zur Regeneration).

Strahlenbelastung und Strahlenschutz

(Dosisangaben in Millisievert)

Definitionen:

bsp  

beruflich strahlenexponierte Person

nbs  

nichtberuflich strahlenexponierte Person

* Lokale Dosis in mGy

** Die kosmische Strahlung variiert mit der geographischen Breite

Letale Dosis für andere Lebewesen und Viren

Diese unterscheiden sich stark in ihrer Empfindlichkeit gegenüber ionisierenden Strahlen, wie aus folgenden LD_50|30-Werten (50% Letalität nach 30 Tagen) nach Daten der IAEO abzulesen ist. Die Werte beziehen sich wie bei der Strahlenkrankheit auf kurzzeitige Ganzkörperbestrahlungen.

• Meerschweinchen: 2,5-4 Gy
• Ziege: 3,5 Gy
• Mensch: 3-4,5 Gy
• Hund: 4-5,5 Gy
• Rhesusaffe: 5,5 Gy
• Ratte: 6 Gy
• Goldfisch: 8,5 Gy
• Hamster: 9-11 Gy
• Forelle: 15 Gy
• Escherichia Coli: 50 Gy
• Fledermaus: 150 Gy
• Schnecke: 200 Gy
• Wespe: 1000 Gy
• Tabak-Mosaik-Virus: 2000 Gy

Des Weiteren wurde von einigen extremophilen Organismen wie Deinococcus radiodurans berichtet, die hohe Energiedosen von weit über 10000 Gy überleben können.

Siehe auch

• Effekt bei Niedrigdosisleistung [1]