Straling

  • Ioniserende straling

  • Straling meten

  • Effectieve dosis & soort onderzoek

  • Kunstmatige stralingsbronnen & natuurlijke achtergrondstraling

  • Nadelige effecten van straling
    (kinderen & zwangerschap)

  • Stralingsbescherming

 

In dit college wordt kort ingegaan op de (ioniserende) straling die gebruikt wordt bij röntgen & CT onderzoeken.
Veel mensen weten dat (ioniserende) straling schadelijk kan zijn voor het menselijk lichaam. Maar hoe zit dat dan precies? 
Belangrijke vragen als ‘hoe meten we de stralingsbelasting?’, 'hoe gevaarlijk is straling?' en ‘hoe groot is de kans op het ontwikkelen van kanker bij het krijgen van een CT onderzoek?’ zullen in dit college aan bod komen.

 

Ioniserende straling

Ioniserende straling is een verzamelnaam van meerdere soorten straling (o.a. röntgenstraling, alfastraling, bètastraling en gammastraling). De verschillende soorten hebben alle de gemeenschappelijk eigenschap dat het materie kan ‘ioniseren’. Uitleg: de straling bevat zoveel energie dat het een negatief geladen elektron uit de buitenste schil van een atoom kan vrijmaken. Hierdoor verliest het atoom zijn neutrale lading en krijgt het een positieve lading – er ontstaat een ion. 
Wanneer ioniserende straling in contact komt met levend weefsel kan het biologische effecten veroorzaken, met als gevolg weefselschade.
De mens wordt blootgesteld aan ioniserende straling door natuurlijke bronnen en kunstmatige bronnen (bijv. een röntgenfoto) In het onderdeel Kunstmatige stralingsbronnen & natuurlijke achtergrondstraling wordt hier dieper op ingegaan.

Voor het gemak wordt in de rest van het huidige college met het woord ‘straling’ ioniserende straling bedoeld.

Straling meten

Er zijn meerdere manieren om de stralingsbelasting te omschrijven. In de literatuur wordt vaak gesproken over CTDIvol, DLP en effectieve dosis. 

  • Volume CT dose index (CTDIvol)
    Beschrijving van de gemiddelde lokale patiëntendosis van een CT scan. Dit wordt uitgedrukt in mGy (milli Gray, 1 mGy = 1 joule/kg geabsorbeerde stralingsenergie). 
    Voordeel: gemakkelijke en snelle vergelijking van de stralingsdosis tussen verschillende CT scanners (NB niet elke CT scanner is hetzelfde). De CTDIvol is direct af te lezen op het display bij de CT scanner.
    Nadeel: geen precieze dosismeting voor een individuele patiënt.
     
  • Dosis-lengte-product (DLP)
    Meting van de totale patiëntendosis waarbij de scanlengte wordt meegenomen. Het gaat dus om stralingsdosis van de gehele scan. De DLP wordt uitgedrukt in mGy/cm.
    De DLP is te berekenen: DLP = CTDIvol x scanlengte (cm).
     
  • Effectieve dosis (E)
    De effectieve dosis omvat de stralingsdosis van het gehele lichaam en beschrijft hierbij het risico op het verkrijgen van kanker. De effectieve dosis wordt uitgedrukt in mSv (milli Sievert).
    Met behulp van de effectieve dosis kan het relatief risico van de verschillende röntgenonderzoeken met elkaar vergeleken worden. De meting is echter niet geschikt om het individueel risico te bepalen voor een patiënt. Het geslacht, het postuur, de leeftijd en de orgaangevoeligheid voor röntgenstraling moeten namelijk meegenomen worden in de berekening voor het individuele risico (zie ook onderdeel Kinderen).

Niet elk weefsel/orgaan is even gevoelig voor ioniserende straling. De International Commission for Radiological Protection (ICRP) heeft voor deze verschillen zogenaamde weefselweegfactoren opgesteld. Met behulp van de weefselweegfactoren kan een schatting gedaan worden van het risico per weefsel/orgaan. In de loop van de jaren heeft de ICRP door middel van onderzoek de weefselweegfactoren wat bijgesteld (zie tabel 1). De getallen zijn vrijwel niet veranderd. Wel is opvallend dat de borstklier gevoeliger is voor straling geïnduceerde kanker dan in eerste instantie gedacht werd in 1991 (weefselweegfactor van 0,05 naar 0,12). Aan de andere kant blijkt nu dat de gonaden minder gevoelig zijn (oorspronkelijke weefselfactor 0,25, nu 0,08).

Tabel 1. Weefselweegfactoren opgesteld door de ICRP in 1977, 1991 en 2006.
Bron: ICRP (www.icrp.org)

Effectieve dosis & soort onderzoek

Tabel 2&3 geven een grof overzicht van de effectieve dosis bij verschillende röntgen/CT onderzoeken. Uiteindelijk blijkt er nog een redelijk grote variatie in effectieve dosis te zijn bij hetzelfde soort onderzoek. Dit is grotendeels te verklaren door het verschil in scannertype/fabrikant en de ingestelde scanparameters.

Belangrijk: de tabellen geven een globale indruk van de stralingsdosis en dienen niet toegepast te worden op een individuele patiënt.

Tabel 2. Gemiddelde effectieve dosis in mSv (milli Sievert) bij verschillende soorten onderzoeken. *middels doorlichtingsonderzoek. 
Bron: Mettler FA Jr, Huda W et al. Effective doses in radiology and diagnostic nuclear medicine: a catalog. Radiology (2008)

Tabel 3. Gemiddelde effectieve dosis in mSv (milli Sievert) bij verschillende soorten onderzoeken.
Bron: Mettler FA Jr, Huda W et al. Effective doses in radiology and diagnostic nuclear medicine: a catalog. Radiology (2008)

Samengevat:
De gemiddelde dosis voor conventionele röntgenopname varieert van 0,001 - 10 mSv en bij CT onderzoeken 2 – 20 mSv. Voor interventie procedures (röntgendoorlichting) varieert de effectieve dosis van 5 – 70 mSv en bij nucleair geneeskundige procedures 0,3 – 20 mSv. 
Ondanks dat het aantal diagnostische onderzoeken de afgelopen jaren enorm is toegenomen is in Nederland door de digitalisering en dosis optimalisering de gemiddelde dosis per hoofd van de bevolking nagenoeg gelijk gebleven (totale stralingsbelasting: 2,47 in 2000, 2,37 in 2008 en 2,51 in 2012). Nieuwe technieken maken het mogelijk de stralingsdosis steeds verder te verlagen. 
Op dit moment wordt bijvoorbeeld veel onderzoek gedaan naar de recente ontwikkeling van de iteratieve reconstructies bij CT onderzoeken (= beeld reconstructie methode). Afhankelijk van het soort onderzoek wordt hierbij een dosisreductie beschreven van 30% en in een enkel geval zelfs een reductie van ruim 70%. Dat klinkt allemaal heel goed, alleen het nadeel is dat dosisreductie vaak gepaard gaat met verlies van beeldkwaliteit. De beelden bevatten meer ruis en zijn hierdoor moeilijker te beoordelen. Kortom, een voorwaarde van dosisreductie technieken is dat de beeldkwaliteit goed genoeg blijft om een betrouwbare uitspraak te doen over de beelden.
Veel radiologie afdelingen zijn in het bezit van zogenaamde low-dose protocollen voor kinderen en screeningsonderzoeken. Informeer in je eigen ziekenhuis bij de afdeling radiologie voor meer informatie over deze specifieke protocollen.

Kunstmatige stralingsbronnen & natuurlijke achtergrondstraling 

De totale stralingsbelasting is op te splitsen in kunstmatige straling en natuurlijke achtergrondstraling. 

Bij kunstmatige stralingsbronnen word je opzettelijk blootgesteld aan straling. De medische diagnostiek levert hieraan de grootste bijdrage. Bij de overige niet-medische kunstmatige bronnen moet je denken aan o.a. de resterende radioactiviteit in de atmosfeer na de verrichtte atoombomproeven in het verleden en het kernreactor ongeval in Tsjernobyl (totale bijdrage +- 1% van de kunstmatig bronnen).
Wereldwijd is de gemiddelde stralingsbelasting van kunstmatige stralingsbronnen 0,6 mSv/jaar. Sommige landen komen boven dit gemiddelde uit. Zo is in de Verenigde Staten, door de relatief grote hoeveelheid diagnostische onderzoeken, de gemiddelde kunstmatige stralingsbelasting 3,0 mSv/jaar.

Overal ter wereld word je dagelijks blootgesteld aan natuurlijke achtergrondstraling, niemand ontkomt eraan. De gemiddelde jaardosis van natuurlijke achtergrondstraling is voor een inwoner in Nederland ongeveer 2,0 mSv. Wereldwijd is het gemiddelde 2,4 mSv/jaar.
Radon is de belangrijkste stralingsbron en komt vrij uit de bodem en uit stenige bouwmaterialen. Ook de kosmische straling levert een bijdrage aan de natuurlijke achtergrondstraling (deze neemt in hoogte toe). Zo word je bij een retour vliegreis van Londen – New York blootgesteld aan circa 1,0 mSv.

De natuurlijke achtergrondstraling niveaus zijn erg gevarieerd. Wereldwijd is de gemiddelde jaardosis 2.4 mSv. 
De hoogste natuurlijke achtergrondstraling waarden zijn gemeten in:

  • Ramsar (Iran): 260 mSv/jaar. 
  • Guarapari (Brazilie): 70 mSv/jaar
  • Karunagappaly (India): 15 mSv/jaar

Samengevat:
Wereldwijd worden we jaarlijks blootgesteld aan gemiddeld 0,6 mSv afkomstig van kunstmatige stralingsbronnen en 2,4 mSv afkomstig van natuurlijke achtergrondstraling. Totaal: 3,0 mSv /jaar.

Nederland bevindt zich onder het gemiddelde (2,4 mSv/jaar in 2008 en 2,51 mSv/jaar in 2012). Figuur 1 geeft een overzichtelijke weergave van de verschillende bronnen die bijdragen aan de totale stralingsbelasting in Nederland en de Verenigde Staten.

 Figuur 1. Aandeel per stralingsbron in Nederland (2008) en de Verenigde Staten (2006). Totale stralingsbelasting in mSv (milli Sievert).
Bron: RIVM – Dossier Stralingsbelasting in Nederland.

Nadelige effecten van straling

Er wordt onderscheid gemaakt tussen twee schadelijke effecten:

  1. Deterministische effecten; de waarschijnlijkheid en de ernst van de effecten zijn afhankelijk van de dosis. Vanaf een bepaalde drempeldosis is het lichaam niet meer in staat de straling geïnduceerde celschade te herstellen, denk bijv. aan rode huid bij langdurige röntgendoorlichting. Onder de drempeldosis treedt er geen effect op en boven de drempeldosis neemt met de stralingsdosis de ernst van het effect toe.
    Het betreft de effecten op korte termijn na een hoge stralingsdosis.
  2. Stochastische (kansgebonden) effecten; de waarschijnlijkheid van het optreden van effecten is afhankelijk van de dosis. Hoe hoger de blootstelling hoe hoger de kans dat het effect optreedt. Er is geen drempeldosis.
    Het betreft de mogelijke effecten op lange termijn na blootstelling aan een lage dosis. Alle straling waaraan iemand wordt blootgesteld in zijn/haar leven wordt bij elkaar opgeteld. Dit is te vergelijken met het concept van het aantal packyears bij rokers.

Het grootste risico van straling is het ontstaan van kanker.
Er is veel bekend over de effecten van acute hoge doseringen straling (kanker, rode huid, haaruitval etc.). Denk met name aan de onderzoeken gerelateerd aan de atoombomexplosies in Hiroshima & Nagasaki in Japan.
Helaas is echter nog veel onduidelijk over de lange termijn risico’s bij blootstelling aan lage dosis straling. Naast de omgevingsfactoren die van invloed zijn duurt het ook tientallen jaren voordat de kanker zich zal ontwikkelen (lange incubatietijd). Het komt er dus op neer dat het moeilijk is de ‘spontaan’ ontstane tumoren te onderscheiden van tumoren die ontstaan t.g.v. blootstelling aan lage dosis straling. 

Het IRCP schat de kans op het optreden van door straling geïnduceerde kanker bij lage doses en een laag dosistempo op 5,5% per Sv
Dat is dus 0,0055% per mSv (1 Sv = 1000 mSv).

Ter referentie enkele gegevens:

  • de gemiddelde dosis voor CT onderzoeken varieert tussen de 2 – 20 mSv.
  • algemeen ‘basis risico’ +- 1 op de 6 vrouwen ontwikkelt ergens in haar leven borstkanker (= 16,7%).
  • het overlijdensrisico t.g.v. roken is 0,005 % per 100 sigaretten. Je zou dus kunnen zeggen dat het risico van 1 sigaret ongeveer gelijk staat aan 0,01 mSv. Wanneer iemand 2000 sigaretten per jaar rookt (= circa 2 pakjes/week) zal de persoon ‘omgerekend’ per jaar aan 20 mSv worden blootgesteld. 

Met het oog op de onzekere lange termijn effecten van straling zijn er in Nederland enkele regels opgesteld:

  • dosislimiet lid bevolking: 1 mSv per jaar (boven de natuurlijke achtergrondstraling). 
  • dosislimiet terreingrens ziekenhuis: < 0,1 mSv per jaar.
  • dosislimiet radiologisch werker: 20 mSv per jaar (rekensom: 30 werkjaren = 600 mSv = 0,6 Sv).

NB er is geen officiële dosislimiet opgesteld voor straling bij medische diagnostiek (radiologie en nucleaire geneeskunde) en medische behandeling (interventieradiologie, radiotherapie en nucleaire geneeskunde).

Belangrijke risicoberoepen zijn piloten (kosmische straling), interventieradiologen/interventiecardiologen en beroepen in industriële toepassingen zoals isotopenproductie. Door middel van persoonsdosimeters (fig. 2) wordt informatie verkregen over de beroepsmatige blootstelling aan ioniserende straling. Dit wordt vervolgens vastgelegd in het Nationaal Dosis Registratie en Informatie Systeem (NDRIS).

Kinderen

Kinderen zijn gevoeliger voor straling in vergelijking tot volwassenen. Dit komt omdat bij kinderen er veel delende cellen zijn. Op deze manier kunnen relatief vaker fouten en/of veranderingen optreden in het DNA, waardoor uiteindelijk kanker kan ontstaan. Daarnaast heeft een kind meer tijd om kanker te ontwikkelen (lange incubatietijd!) vergeleken met iemand van bijvoorbeeld 70 jaar oud.
Een juiste indicatiestelling is van essentieel belang om de stralingsbelasting van het kind zo laag mogelijk te houden. Bij elk röntgen/CT onderzoek moet nagedacht worden of de vraagstelling niet beantwoord kan worden middels een beeldvormende techniek zonder ioniserende straling (zoals echografie of MRI).

Zwangerschap

De stralingsrisico’s bij een ongeboren kind hangen sterk af van de fase waarin het kind wordt blootgesteld aan de straling. 

De zwangerschap is op te delen in drie fasen; 

  • de pre-implantatiefase (eindigend circa 10 dagen na de conceptie)
  • de organeogenese (= periode van orgaanaanleg, circa 10 – 40 dagen na de conceptie) 
  • de foetale periode (= foetale ontwikkeling gedurende de rest van de zwangerschap)

Uit dierproeven is gebleken dat met name de organeogenese fase gevoelig is voor de stralingseffecten. Bij hoge dosis straling kunnen er in deze fase misvormingen optreden; m.n. op het gebied van de organen, het skelet, de ogen en het centrale zenuwstelsel. In de meest ernstige situatie kan het embryo zelfs overlijden.
De gevoeligheid voor misvormingen neemt snel af in de foetale fase. Daarbij moet vermeld worden dat ten tijde van de ontwikkeling van de grote hersenen (tussen de 8e en de 15e week) blootstelling kan leiden tot hersenschade, met als gevolg verlaging van het IQ of mentale retardatie.
Bij de pre-implantatiefase zijn er geen duidelijke effecten waargenomen. Uit dierproeven is naar voren gekomen dat het embryo beschadigd kan worden en niet tot innesteling komt. De vrucht wordt dan afgestoten. In de praktijk verloopt dit enigszins onopgemerkt gezien naar schatting één op de drie bevruchtingen eindigt in een onvolledige innesteling.
De deterministische effecten bij het ongeboren kind in de bovenstaande fases treden op vanaf drempelwaarde 100 mSv (= blootstelling in één dosis). Deze hoge doseringen komen bij diagnostische onderzoeken nagenoeg niet voor. De drempelwaarde zou bijvoorbeeld overschreven kunnen worden bij een langdurige (acute) therapeutische interventie procedure, dit is echter zeer zeldzaam.

De regel is dat een ongeboren kind tijdens de gehele zwangerschap bij elkaar opgesteld aan max. 1 mSv blootgesteld mag worden. In enkele gevallen wordt de 1 mSv overschreven; denk met name aan een CT abdomen/bekken onderzoek waarbij de vrucht direct in de stralenbundel komt (foetale stralingsbelasting CT abdomen is 10 mSv)
Onderzoeken waarbij de stralenbundel niet in de buurt komt van de baarmoeder, zoals een X-thorax, kunnen in principe zonder enige gevaar gemaakt worden (foetale stralingsbelasting < 0,01 mSv). Neemt niet weg dat bij elk röntgen/CT onderzoek een goede afweging gemaakt moet worden of het onderzoek echt noodzakelijk is. Wanneer het enigszins kan dient het onderzoek uitgesteld te worden tot na de zwangerschap of evt. omgezet te worden in een onderzoek die geen straling gebruikt (zoals echografie en MRI).

De stochastische (kansgebonden) effecten:
Er is nog veel onduidelijkheid over de relatie tussen de intra-uterine blootstelling aan straling en jeugdkanker (m.n. leukemie).
Volgens de IRCP is de kans op het optreden van intra-uteriene tumorinductie 0,015% per mSv (= optreden van kanker gedurende gehele leven). Het optreden van jeugdkanker/leukemie wordt geschat op 0,0006% per mSv. Deze percentages liggen ver onder het algemene risico op het ontwikkelen van (jeugd)kanker.

Overigens zijn de algemene stralingsrisico’s voor de zwangere vrouwen zelf niet verschillend in vergelijking tot niet-zwangere vrouwen.
Ook is tot dusver geen duidelijke relatie gevonden tussen erfelijke afwijkingen in het nageslacht als gevolg van blootstelling van de gonaden vóór de conceptie.

Stralingsbescherming

Door de (mogelijk) negatieve lange termijn effecten van straling dient bij elk onderzoek kritisch gekeken te worden of het onderzoek geïndiceerd is. Belangrijke vragen zijn:

  • Is een röntgenfoto/CT onderzoek de enige methode om de vraagstelling te beantwoorden? Denk bijvoorbeeld aan de alternatieven als echo onderzoek en MRI onderzoek.
  • Heeft het onderzoek behandelconsequenties? Verandert de uitkomst het beleid?

Wanneer een onderzoek geïndiceerd is wordt geprobeerd de medewerkers in het ziekenhuis zoveel mogelijk te beschermen tegen de straling; ten tijde van het onderzoek zal het personeel plaatsnemen achter een loodscherm/loodmuur.
Bij interventies en sommige operaties wordt gebruik gemaakt van doorlichtingsbeelden. Wanneer de mensen bij de doorlichting de ruimte niet kunnen verlaten zijn er meerdere beschermingsmogelijkheden (fig. 2).

  1. Loodschort: met het loodschort worden de mamma/longen/colon/maag/oesophagus/lever/blaas/gonaden beschermd.
  2. Schildklierbeschermer: als aanvulling op het loodschort kan ook een schildklierbeschermer gebruikt worden wanneer sprake is van een groot aantal (langdurige) procedures en een hoge intensiteit strooistraling.
  3. Loodbril: een loodbril wordt niet standaard gebruikt, maar kan gedragen worden i.v.m. het verhoogde risico op straling geïnduceerde cataract. Met name interventie radiologen en interventie cardiologen hebben door het grote aantal (langdurige) procedures een verhoogde kans de dosislimiet te bereiken. 

Andere opties zijn nog loodhandschoenen, gelaatscherm en een loodmuts. Deze worden vrijwel niet gebruikt. 

Figuur 2. Beschermingsmogelijkheden: loodbril, schildklierbeschermer en loodschort. De persoonsdosimeter meet de beroepsmatige blootstelling aan ioniserende straling.

Bronnen

  • United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Sources and effects of ionizing radiation (2008) 
  • Bethesda. MD. Ionizing radiation exposure of the population of the United States. National Council on Radiation Protection and Measurements. 2009,  NCRP No. 160.
  • Padole A, Ali Khawaja RD et al. CT Radiation Dose and Iterative Reconstruction Techniques. AJR Am J Roentgenol. (2015)
  • Mettler FA Jr, Huda W et al. Effective doses in radiology and diagnostic nuclear medicine: a catalog. Radiology (2008)
  • Brenner DJ, Elliston CD et al. Estimated Risks of Radiation-Induced Fatal Cancer from Pediatric CT. AJR Am J Roentgenol. (2001)
  • M. Prokop; Spiral and Multislice Computed Tomography of the body (2003)
  • Ghiassi-nejadd M, Mortazavi SM et al. Very high background radiation areas of Ramsar Iran: preliminary biological studies. Health Phys. (2002)
  • RIVM – Dossier Stralingsbelasting in Nederland.
  • Rehani MM. Am Confused About the Cancer Risks Associated With CT: How Can We Summarize What Is Currently Known? AJR Am J Roentgenol. (2015)
  • Kleinman PL, Strauss KJ et al. Patient Size Measured on CT Images as a Function of Age at a Tertiary Care Children’s Hospital. AJR Am J Roentgenol. (2010)
  • Gezondheidsraad. Risico’s van blootstelling aan ioniserende straling. Den Haag: Gezondheidsraad, 2007 (publicatienr. 2007/03)
  • Aliyu AS, Ramli AT. The world's high background natural radiation areas (HBNRAs) revisited: A broad overview of the dosimetric, epidemiological and radiobiological issues. Radiation Measurements (2015)
  • Gordic S, Morsbach F et al. Ultralow-dose chest computed tomography for pulmonary nodule detection: first performance evaluation of single energy scanning with spectral shaping. Invest Radiol. (2014) 
  • Kleiverda G, van Tienhoven G. Bestraling tijdens de zwangerschap: denk nooit nooit. Ned Tijdschr Oncol (2007)
  • Berlin SC, Weinert DM et al. Successful Dose Reduction Using Reduced Tube Voltage With Hybrid Iterative Reconstruction in Pediatric Abdominal CT. AJR Am J Roentgenol. (2015)
  • Mahesh M. NCRP Report Number 160: its significance to medical imaging. J Am Coll Radiol. (2009) 
  • Bethesda, Md. Ionizing radiation exposure of the population of the United States. National Council on Radiation Protection and Measurements (2009)
  • Cira-Bielac O, Rehani MM et al. Risk for radiation-induced cataract for staff in interventional cardiology: is there reason for concern? Catheter Cardiovasc Interv. (2010)
  • Rajabi AB, Noohi F et al. Ionizing Radiation-Induced Cataract in Interventional Cardiology Staff. Res Cardiovasc Med. (2015)

Auteur

Annelies van der Plas, AIOS radiologie LUMC

23 augustus 2015