[Stichwortsonntag] Messung von Streustrahlung

Heute veröffetnlichen wir mal ein Protokoll zur Messung von Streustrahlung in der Nuklearmedizin. Alle Werte und Ergebnisse ohne Gewähr

Verwenden Sie eine Messanordnung, bestehend aus Szintillationssonde, Kernstrahlungsmessplatz und einem radioaktiven Präparat. Bringen Sie die Sondenöffnung zum Strahler in einen Winkel von ca. 20° zueinander an, wobei beide durch einen Bleibaustein zu trennen sind. Als Strahler werden nacheinander eine Cs- 137- und eine Ba- 133- Quelle verwandt.

Bringen Sie einen Streukörper in der angegebenen Weise zur Aufstellung und messen Sie die Impulsraten mit und ohne Streukörper. Verwenden Sie als Streukörper Paraffin, Holz, Mauerstein, Eisen und Blei.

2. Durchführung:

 Zur Durchführung des Versuchs benötigt man einen Szintillationszähler, in diesem Fall einen Einlochkollimator, einen Kernstrahlungsmessplatz, eine Cs- 137- und eine Ba- 133- Quelle, verschiedene Streukörper (Blei, Eisen, Holz, Mauerstein und Paraffin) und zwei Bleibausteine.

Die Versuchsbestandteile werden wie folgt angeordnet. Der Einlochkollimator wird zum Strahler in einen Winkel von ca. 20° gebracht. Der Strahler liegt zwischen zwei Bleibausteinen. Einer dieser Bleibausteine trennt somit auch den Strahler von der Szintillationssonde ab. Man beginnt den Versuch mit der Ba- 133- Quelle und legt sie zwischen die Bleibausteine. Nun misst man zunächst den erhöhten Nulleffekt ohne Streukörper. Anschließend wiederholt man die Messungen mit verschiedenen Streukörpern, d.h. man misst die Impulsraten von Ba- 133 wenn Blei, Eisen, Holz, Mauerstein und Paraffin als Streukörper fungieren. Nun wechselt man die radioaktive Quelle. Cs- 137 wird zwischen die Bleibausteine gelegt. Zunächst misst man wieder den erhöhten Nulleffekt ohne Streukörper. Nun werden wieder die Impulsraten mit den verschiedenen Streukörpern registriert. Man misst und notiert also die Impulsraten von Cs- 137 wenn man Blei, Eisen, Mauerstein, Holz und Paraffin als Streukörper verwendet.

3. Ergebnisse:

Um die Ergebnisse später vergleichen zu können muss man ermitteln wie viel Prozent die Impulsraten mit den Streukörpern, im Bezug auf die Messung ohne Streukörper (Nulleffekt) ergeben.

4. Auswertung:

Der Versuch befasst sich mit der Frage inwieweit Streuung von der Energie der radioaktiven Quelle und dem Material des Streukörpers abhängt. Tatsächlich tritt Streustrahlung immer dann auf, wenn Strahlung auf Materie trifft. Neben der Absorption ist die Streuung ein weiterer Wechselwirkungsprozess. Zur Streuung führt zum einen die klassische Streuung aber auch die Comptonstreuung. Welche Streuungsvorgänge dominieren ist von den Energien der radioaktiven Quellen abhängig. In diesem Versuch arbeitete man mit Cs- 137 und Ba- 133. Cäsium- 137 hat eine Energie von ca. 662keV. Barium- 133 hat eine Energie von 356 keV. Da die klassische Streuung nur in Energiebereichen von etwa 10- 100 keV auftritt, hat eigentlich nur die Comptonstreuung Relevanz. Diese tritt in Energiebereichen von ca. 100- 1000 keV auf. Sowohl die Energie von Cs- 137 als auch von Ba- 133 fällt in diesen Bereich.

Bei der Comptonstreuung handelt es sich um einen Absorptions- und Streuungsprozess. Bei der Comptonstreuung trifft ein Gammaquant auf ein Hüllenelektron. Dabei gibt es an das Elektron soviel Energie ab, wie es braucht um die Bindungsenergie an das Atom überwinden zu können. Das Elektron kann den Atomverband verlassen, der Gammaquant bewegt sich geschwächt und mit Richtungsänderung weiter. Im Versuch hat man nun untersucht wie sich die Energie des Strahlers und das Material des Streukörpers auf das Streuungsverhalten auswirkt. Dabei war es wichtig einen bestimmten Winkel zwischen Strahler und Detektor einzuhalten und beide auch durch einen Bleibaustein zu trennen, um zu gewährleisten das keine Strahlung direkt auf den Detektor trifft, sondern das tatsächlich nur die Streustrahlung gemessen wird. Streustrahlung hängt bekanntlich von der Energie der Quelle, der Dichte und der Dicke des durchstrahlten Volumens abhängig.  Versuchsergebnisse sind erst dann untereinander vergleichbar wenn mindestens einer dieser Parameter während des Versuchs konstant gehalten wird. Da aber die Dicke und die Dichte der durchstrahlten Volumina als auch die Aktivitäten der Strahler variiert haben, konnte man die Versuchsergebnisse zunächst nicht 1:1 vergleichen. Aufgrund dessen wurden die Ergebnisse der Messungen mit den Streukörpern ins Verhältnis gesetzt zur Messung ohne Streukörper. Dabei entstanden bestimmte Prozentzahlen, die die Werte nun vergleichbar machen. Bei der Messung ohne Streukörper registrierte man den erhöhten Nulleffekt. Dieser gab das Maß für die anderen Messungen vor und stand für 100%. Ergab eine Messung mit Streukörper nun einen Wert über 100%, so war davon auszugehen das dieser Mehranteil durch Streustrahlung zustande gekommen ist. Ein Wert unter 100% steht für Absorption, da sich die Impulsrate verkleinert hat. Von Absorption spricht man immer dann wenn sich die Energie des Gammaquants verkleinert. Der Versuch ergab, dass es bei Cs- 137 bei drei verschiedenen Streukörpern zu Streuung kam, bei Ba- 133 allerdings nur bei zwei Streukörpern. Man kann die Messergebnisse von Ba und Cs zwar nicht vergleichen, da beide Quellen aufgrund der physikalischen HWZ unterschiedliche Impulsraten haben, jedoch ist bewiesen das ein energiereicherer Strahler mehr Streuung verursacht als ein energieärmerer Strahler. Zwar ist dies auch abhängig von dem durchstrahlten Material, trotzdem ist die Energie ein wichtiger Parameter im Hinblick auf die Streustrahlung. Cs- 137 ist mit seiner Energie von 662 keV energiereicher als Ba- 133 (356keV) und kann damit mehr Comptonstreuung erzeugen. Da es energiereicher ist sind auch die geschwächten Quanten energiereicher und werden besser vom Szintillaionszähler registriert. Auch die Comptonelektronen haben eine größere Energie und können durch Wechselwirkung im Material weitere Streustrahlung erzeugen. Will man nun Rückschlüsse auf die Dichte des Streukörpers in Abhängigkeit der Menge der Streustrahlung ziehen, so muss man sich die Dichte der einzelnen Materialen anschauen.

Bei Cs- 137 kam es bei Holz und Paraffin zu einer leichten Streuung. Diese ist damit

zu begründen das Holz und Paraffin eine, im Vergleich zu den anderen

Streukörpern, relativ geringe Dichte haben. Durch dir geringe Dichte wurde kaum

absorbiert, sondern nur gestreut. Trotzdem ist der Anteil der Streuung eher gering. Bei dem energieärmeren Barium- 133 trat bei Holz keine Streuung mehr auf, denn

die Energie war zu gering um Comptonstreuung zu erzeugen. Stattdessen wurde die Strahlung zu einem geringen Anteil absorbiert(Photoeffekt oder Photonenanregung). Bei Paraffin trat auch bei Ba- 133 Streustrahlung auf. Paraffin hat eine etwas höhere Dichte als Holz, somit konnte trotz der geringen Energie von Ba- 133 Comptonstreuung auftreten. Der Streustrahlenanteil ist aber nur minimal. Paraffin nimmt unter den Streumaterialen eine besondere Rolle ein, denn Paraffin ist wachs- bzw. fettähnlich und somit gewebeäquivalent. Beim Streukörper Ziegelstein trat bei Cs- 137, als auch bei Ba- 133 Streuung auf. Dies ist damit zu begründen das Ziegelstein eine mittlere Dichte hat, welche zwar größer als Holz und Paraffin, jedoch kleiner als bei Blei und Eisen ist. Somit tritt Streuung auf. Der Anteil war bei Cs- 137 aber deutlicher höhere als bei Ba- 133, was durch die höhere Energie des Cs- 137  zu begründen ist.

Bei Eisen und Bleiblech trat aber keine Streuung auf. Weder beim energiereichen Cs- 137 noch beim energieärmeren Ba- 133. Dies liegt an der extrem hohen Dichte von Eisen und Blei, die deutlich über der der anderen Streukörper liegt. D.h. es kommt zwar innerhalb des Materials zu vielen Wechselwirkungsprozessen und damit auch zur Streuung, aber gleichzeitig werden die geschwächten Quanten vom Comptoneffekt innerhalb des Streukörpers gleich wieder absorbiert. Daher erhalten bei der Messung Werte die unter 100% liegen und somit für Absorption sprechen. Beim energieärmeren Ba- 133 liegt der Absorptionsanteil aufgrund der geringeren Energie höher als beim energiereicheren Cs- 137.

Da Streustrahlung immer dann auftritt wenn Strahlung auf Materie tritt, spielt die Entstehung von Streustrahlung auch in der Praxis eine besondere Rolle.

5. Schlussfolgerung:

 Streustrahlung tritt immer dann auf, wenn Strahlung auf Materie trifft. In der konventionellen radiologischen Diagnostik legt sich die Streustrahlung wie eine homogene Zusatzbelichtung über das gesamte Absorptionsbild und führt damit zu einer Kontrastminderung. Auch in der Nuklearmedizin verschlechtert die Streustrahlung den Bildkontrast. Da die Richtung der gestreuten Photonen nicht mit der Richtung der Primärphotonen übereinstimmt, führt die Streustrahlung zu einer Verschlechterung des Kontrasts im szintigraphischen Bild. In der Röntgendiagnostik wird der Patient von außen durchstrahlt. Hauptursache für die Entstehung von Streustrahlung ist dort der Patient. Man wirkt diesem Phänomen durch Streustrahlenraster entgegen, die mit der Divergenz der punktförmigen Strahlenquelle übereinstimmen. Das Prinzip der Nuklearmedizin beruht darauf, das radioaktive Stoffe in den Körper eingebracht werden und dann nach außen strahlen. Dort werden sie von Kameras registriert und werden im Rechner in Bildpunkte übersetzt. Dabei erhofft man sich ein kontrastreiches Bild mit guter Bildqualität. Durch Parallellochkollimatoren will man Untergrundstrahlung und Streustrahlung minimieren. Kollimatoren bestehen meist aus Bleiplatten mit vielen Bohrungen. Nur Strahlung die durch die Bohrungen tritt wird registriert. Bei großen Bohrungen kann man also die Aufnahmezeit begrenzen, hat aber eine schlechte Bildauflösung. Man muss entsprechend der Untersuchung und des verwendeten Radionuklids also den richtigen Kollimator auswählen. Meist nutzt man Parallellochkollimatoren um Streustrahlung zu verhindern. Dies gelingt auch verhältnismäßig gut. Somit braucht der Patient in der Nuklearmedizin nicht als Hauptquelle für die Verschlechterung der Bildqualität durch Streustrahlung angesehen werden. Des Weiteren kann man durch Fenster- bzw. Kanaleinstellungen verhindern, das Streustrahlung von den Kameras registriert wird, in dem man dem Analysator eine geeignete Energieschwelle vorgibt.

Eine Bildverschlechterung entsteht in der Nuklearmedizin vor allem durch Streuung im Kamerakopf. Dieser Streustrahlung kann man zum einen durch Kollimatoren entgegenwirken, die nur Strahlung aus einer bestimmten Richtung bzw. mit einer maximalen Divergenz durchlassen. Entsteht die Streustrahlung aber im Kristall durch Comptonstreuung, so kann man nur versuchen die Streustrahlen durch geeignete Fenstereinstellungen herauszufiltern.

Um qualitativ gute und aussagekräftige Bilder zu erhalten, sollte man sich also bemühen den Streustrahlenanteil zu minimieren.

Außerdem wirkt sich die Streustrahlung auf den Strahlenschutz aus. Da Streustrahlung auch im Patienten entsteht, sollte man die Aufenthaltszeit am Patienten begrenzen. Zudem ist das Abstandsquadratgesetz zu beachten. Verdoppelt man den Abstand zum Patienten, so kriegt man nur noch ein Viertel der Strahlendosis ab. Eventuell sollte man auch Abschirmungen verwenden. Zum Beispiel sollte man sich hinter den Bleitüren aufhalten wenn die Untersuchungen laufen und möglichst nicht neben dem Patienten stehen bleiben.

Man sollte also Kenntnisse über die Streustrahlung und ihre Entstehung haben um die Bildqualität in der Nuklearmedizin zu gewähren und um die eigene Strahlenbelastung zu senken.