Medizin und Umweltdosimetrie Gruppe -Projekte

" Dosis sola facit venenum "
(Die Dosis macht das Gift)
            Paracelsus(1493-1541)

Mission: Quantifizierung von Strahlenexpositionen zur Bestimmung strahleninduzierter Gesundheitsrisiken

Wir beschäftigen uns mit der Bestimmung von individuellen Strahlendosen in der Medizin. Dies trägt zum einen dazu bei, unnötig hohe Expositionen von Patienten und beruflich exponierten Personen zu vermeiden und dadurch das Risiko von strahlenbedingten Erkrankungen zu minimieren. Zum andern dienen die Expositionsdaten als Input für die biologisch-basierten Dosis-Wirkungs-Modelle der Arbeitsgruppe IMO und der in SR entwickelten und angewandten Risikomodelle.

Zu unseren Stärken zählt die Messung von hochenergetischen Neutronen, wie sie unter anderem bei der Tumortherapie mit Protonen und schweren Ionen vorkommen. Es besteht zudem langjährige Expertise bei der Simulation verschiedenster Strahlenfelder (Röntgen-, Gamma-, Protonen-, Neutronenstrahlung) und bei der Entwicklung elektronischer Dosimeter.

Hadrontherapie

Protontherapie Einrichtung

Messungen der Streustrahlung in der Protonentherapie

Die Protonentherapie ist eine Teilchentherapie, deren Hauptvorteil darin besteht, dass der Protonenstrahl, und damit die gewünschte Dosis, sehr präzise in das erkrankte Gewebe, d.h. dem Zielvolumen eingebracht werden kann. Damit wird das umliegende, gesunde Gewebe nur minimal beeinträchtigt. 

Die Wechselwirkungen der primären Protonen mit Materialien innerhalb oder denen der Strahlführung im Bestrahlungsraum und dem Gewebe des Patienten resultieren in sekundären Neutronen und Gammastrahlung. Außerhalb des Feldes, d.h. außerhalb des Zielvolumens, werden Dosen erzeugt, die die Wahrscheinlichkeit von Späteffekten, u.a. auch die Entstehung von Zweittumoren, erhöhen könnten.

Um die Vorteile und Risiken der Protonentherapie in der Strahlentherapie besser abzuschätzen zu können, ist es nötig die Dosen, die außerhalb des Zielvolumens im gesunden Gewebe erzeugt werden, zu bestimmen. Neutronen wird dabei eine besondere Beachtung aufgrund ihrer hohen biologischen Wirksamkeit geschenkt, daher werden sie in diesem Projekt ausgiebig untersucht. Im Rahmen des EURADOS WG-9 "Radiation dosimetry in radiotherapy" wurde eine großangelegte Vergleichsstudie durchgeführt, um die Sekundärstrahlung zu untersuchen, die durch einen Protonenstrahl mit Scanningtechnik erzeugt wird. 2013-2014 nahm unsere Arbeitsgruppe an experimentellen Untersuchungen an den IBA-Protonenstrahleinrichtungen mit Scanningtechnik in Trento (Italien) und Krakau (Polen) teil, in dem Bonner Kugel Spektrometer, NM2B REM-Zähler und die neuen elektronischen HMGU-Dosimeter zum Einsatz kamen. 2014 wurden ebenfalls Sekundärneutronenspektra und die Äquivalentdosiswerte H*(10) um ein PMMA-Phantom im Behandlungsraum des ProtonTherapy Center (RPTC) in München gemessen.


Trento Centro di Protonterapia -Facility,  Trento, Italy.  


Centrum Cyklotronowe Bronowice  IFJ PAN- Facility, Krakau, Poland

Narodowe Centrum Hadronowe 

zobacz więcej na: http://www.zwrotnikraka.pl/protonoterapia-raka-terapia-protonowa/ | 

Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk 

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Narodowe Centrum Hadronowe 

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Narodowe Centrum Hadronowe 

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Reference:

V. Mares, M. Romero-Expósito, J. Farah, S. Trinkl, C. Domingo, M. Dommert, L. Stolarczyk, L. Van Ryckeghem, M. Wielunski, P. Olko and R. M. Harrison, A comprehensive spectrometry study of a stray neutron radiation field in scanning proton therapy, Phys. Med. Biol. 61 (2016) 4127–4140; doi:10.1088/0031-9155/61/11/4127

J. Farah, V. Mares, M. Romero-Expósito, S. Trinkl, C. Domingo, V. Dufek, M. Kłodowska, J. Kubancak, Ž. Knežević, M. Liszka, M. Majer, S. Miljanić, O. Ploc, K. Schinner, L. Stolarczyk, F. Trompier, M. Wieluński, P. Olko and R.M. Harrison, Measurement of stray radiation within a scanning proton therapy facility: EURADOS WG9 inter-comparison exercise of active dosimetry systems, Med. Phys. XX, (2015)

Konstantin Schinner, Bestimmung der Empfindlichkeit von REM-Counter und Bonner-Kugeln auf Gammastrahlung - Messungen im gemischten Feld an Protonentherapiezentren, Masterarbeit, TU Ilmenau, 20.05.2014

Christian Glas, Einsatz von aktiven Sensoren auf Basis von Si-PIN-Dioden zur Messung von thermischen und schnellen Neutronen im Phantom und erste Testmessungen an einer Protonentherapieanlage des Rinecker Proton Therapy Centers, Bachelorarbeit, Hochschule München, 04.12.2014

Kohlenstofftherapie Einrichtung

Kohlenstofftherapie

In der Kohlenstofftherapie werden anstelle von Protonen Kohlenstoffionen zur Bestrahlung von Patienten eingesetzt. Kohlenstoffionen zeigen im Vergleich zu Protonen eine höhere relative biologische Wirksamkeit (RBE) und eignen sich daher besonders gut zur Behandlung von strahlenresistenten Tumoren wie Glioblastomen. Durch die Wechselwirkung der, im Vergleich zu den Protonen, schweren Kohlenstoffionen mit dem Gewebe des Patienten können diese fragmentieren (zerbrechen), wodurch leichtere Fragmente (Sekundärteilchen) wie Alpha-Teilchen und Neutronen entstehen. Insbesondere die Sekundärneutronen tragen zu einer unbeabsichtigten Exposition des Patienten ausserhalb des Tumors bei. Für künftige Risikoabschätzungen zur Entwicklung von Sekundärtumoren sind präzise Messdaten des Sekundärneutronenfeldes notwendig, da die biologische Wirkung von Neutronen stark energieabhängig ist. Zur Bestimmung des energieaufgelösten Sekundärneutronenfeldes in der Kohlenstofftherapie wurden im Jahr 2015 Messungen am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT), der weltweit modernsten Schwerionenbestrahlungseinrichtung, in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Medizinphysik der Ludwig-Maximilians-Universität München durchgeführt. Zusätzlich zur Bestrahlung mit Kohlenstoffionen und Protonen bietet das HIT auch die Möglichkeit zur Bestrahlung mit Helium- und Sauerstoffionen. In einer umfangreichen Reihe von Vergleichsmessungen wurden wichtige Einflussfaktoren zum Sekundärneutronenfeld, bei der Bestrahlung mit vier unterschiedlichen Ionenarten, untersucht.


Heidelberger Ionenstrahl Therapiezentrum (HIT) -Einrichtung, Heidelberg, Deutschland

Referenzfelder für die Hadronentherapie:

CERF- CERN EU Hoch Energetisches Referenzfeld (Schweiz)

Messung hoch energetischer Neutronen in einem Referenz Feld.

Im Oktober 2015, haben wir an einer internationalen Messkampagne am CERN-EU High Energy Reference Field (CERF) teilgenommen. Das CERF stellt ein hoch energetisches Neutronenfeld zur Verfügung, ähnlich wie das der sekundären Neutonen der kosmischen Strahlung in Flughöhe, 10-15 km ü.d.M.. Dieses Neutronenspektrum zeichnet sich durch eine breite Energieverteilung, von thermischen Energien bis hin zu 1 GeV, mit drei Peaks (thermischer-, ca. 25 meV, Verdampfungs-, zwischen 1 und 2 MeV und Kaskade-Peak, ca. 100 MeV) und einer epithermischen Region aus.

Während der Messkampagne wurde mit unserem Bonner Kugel Spektrometer die Energieverteilung an jeweils 4 Positionen über einer Beton- und einer Eisenabschirmung gemessen. Ebenso wurden Messungen mit dem am HMGU entwickelten elektronischem Neutronendosimeter und mit zwei REM-Countern durchgeführt um die Neutronen Umgebungsäquivalentdosis (H*(10)) über den kompletten Energiebereich zu Messen.

Ziel der Messkampagne war es, GEANT4 Monte-Carlo-Simulationen in Strahlungsfeldern, ähnlich denen der kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre, zu validieren. Die gewonnene Ergebnisse würden ebenso mit den FLUKA Referenz Werten verglichen.

Simultiertes GEANT4 Bunnerkugel und FLUKA-Referenz Neutronen Spektren.


Gruppe von MED Forschern

RCNP Osaka (Japan)

Quasi-mono-energetic neutron field at RCNP, Osaka University, Japan

In order to monitor neutrons in high-energy fields above 20 MeV, in particular concerning dosimetry in radiotherapy, onboard aircraft and spacecraft, and radiation protection monitoring of workplaces outside high-energy accelerators, proper calibration of neutron detectors is needed. It is necessary to calibrate instruments in reference fields at energies from 20 MeV up to several hundreds of MeV - preferably in mono-energetic neutron fields - with known spectral fluence rate distribution. One of the most unique facilities worldwide providing quasi-mono-energetic neutron fields with energies up to 400 MeV using 7Li(p,n)7Be reaction is the cyclotron facility at the Research Center for Nuclear Physics (RCNP), Osaka University, Japan.
At the RCNP in Osaka the protons are pre-accelerated up to 65 MeV in an AVF cyclotron and then can be boosted up to energies of 400 MeV in the ring cyclotron. The accelerated protons are transported to the experimental hall and focused on a 10 mm thick 7Li target placed in a vacuum chamber. Protons passing through the target are swept out by the swinger magnet to the beam dump with a Faraday cup current monitor. The neutrons are extracted at different emission angles, from 0° to 30°, to the experimental tunnel (Fig. 1) through an iron collimator embedded in a concrete wall of 1.5 m thickness. The length of tunnel is about 100 m, which enables precise measurements of neutron energy distribution above 3 MeV by the time-of-flight (TOF) method (Fig. 2). The quasi-mono-energetic neutron spectrum consists of peak neutrons and continuum component (tail), which comes from breakup reactions. The number of neutrons in peak per solid angle per electric charge is 0.9 - 1.1x1010 sr-1 µC-1 in the 80 - 389 MeV energy region of incident protons.
Since 2009, the staff members of Medical and Environmental Dosimetry group (Vladimir Mares, Christian Pioch, and Sebastian Trinkl) have participated in three international measurement campaigns in RCNP related to spectrometry measurement of quasi-mono energetic neutrons for 100-400 MeV 7Li(p,xn) reaction and its application to calibration of monitors, using extended range Bonner sphere spectrometer (ERBSS), different Rem counters, and electronic neutron dosimeter (ELDO). For details see please references.

Fig 1. Neutron energy distribution per solid angle per electric charge produced by 7Li(p,xn) reaction at 0° measured by TOF method (courtessy of Mr. Iwamoto et al. 2015)




Fig 2. 100-m long experimental tunnel within the RCNP cyclotron facility


 

References:

V. Mares, S. Trinkl, Y. Iwamoto, A. Masuda, T. Matsumoto, M. Hagiwara, D. Satoh, H. Yashima, T. Shima, and T. Nakamura, Neutron spectrometry and dosimetry in 100 and 300 MeV quasi-mono-energetic neutron field at RCNP Osaka University Japan, Proceedings of ICRS13&RPSD2016 conference, Paris, 2016, submitted

V. Mares, C. Pioch, W. Rühm, H. Iwase, Y. Iwamoto, M. Hagiwara, D. Satoh, H. Yashima, T. Itoga, T. Sato, Y. Nakane, H. Nakashima, Y. Sakamoto, T. Matsumoto, A. Masuda, H. Harano, J. Nishiyama, C. Theis, E. Feldbaumer, L. Jaegerhofer, A. Tamii, K. Hatanaka, and T. Nakamura, Neutron Dosimetry in Quasi-Monoenergetic Fields of 244 and 387 MeV,. IEEE Transactions on Nuclear Science Vol. 60, No. 1 (2013) page 299-304

A. Masuda, T. Matsumoto, H. Harano, J. Nishiyama, Y. Iwamoto, M. Hagiwara, D. Satoh, H. Iwase, H. Yashima, T. Nakamura, T. Sato, T. Itoga, Y. Nakane, H. Nakashima, Y. Sakamoto, C. Theis, E. Feldbaumer, L. Jaegerhofer, C. Pioch, V. Mares, A. Tamii, and K. Hatanaka, Response Measurement of a Bonner Sphere Spectrometer for High-Energy Neutrons, IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 59, NO. 1, FEBRUARY (2012) 161

C. Pioch, V. Mares, W. Rühm, H. Iwase, Y. Iwamoto, T. Sato, M. Hagiwara, D. Satoh, Y. Nakane, H. Nakshima, Y. Sakamoto, H. Yashima, T. Matsumoto, A. Masuda, J. Nisahiyama, T. Itoga, C. Theis, E. Feldbaumer, L. Jägerhofer, A. Tamii, K. Hatanaka, T. Nakamura, Calibration of a Bonner sphere spectrometer in quasi-monoenergetic neutron fields of 244 and 387 MeV. Journal of Instrumentation (2011), 6, P10015.

Y. Iwamoto, M. Hagiwara, D. Satoh, H. Iwase, H. Yashima, T. Itoga, T. Sato, Y. Nakane, H. Nakashima, Y. Sakamoto, T. Matsumoto, A. Masuda, J. Nishiyama, A. Tamii, K. Hatanaka, C. Theis, E. Feldbaumer, L. Jaegerhofer, C. Pioch, V. Mares, T. Nakamura, Quasi-monoenergetic neutron energy spectra for 246 and 389 MeV 7Li(p,n) reactions at angles from 0° to 30°, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 629 (2011) 43-49.

UFS Zugspitze (Deutschland)

Messung der sekundären Neutronen der kosmischen Strahlung in großer Höhe

Im Jahr 2005 haben wir auf der Umweltforschungsstation "Schneefernerhaus" (2.660 m über dem Meeresspiegel) auf der Zugspitze (4,1 GV- effektive vertikale Steifigkeit, Cutoff) ein Bonner Vielkugelspektrometer installiert, um das Energiespektrum kosmischer Neutronenstrahlung in großen Höhen kontinuierlich zu messen (www.schneefernerhaus.de). Das Spektrometer besteht aus sechzehn 3He- Proportionalzählern. Dreizehn Zähler sind von Polyethylenschalen verschiedener Durchmesser umgeben. Zwei weitere  Zähler sind von Polyethylenschalen mit einer eingebauten Bleischale umgeben , um das Ansprechvermögen auf Neutronen oberhalb einer Energie von 20 MeV (Abb. 1 und Abb. 2) zu erhöhen. Da die Zählrate in einer Höhe von 2660 m etwa 5 mal größer ist als auf Meeresniveau, kann das System verwendet werden, um kleine zeitliche Variationen der kosmischen Strahlungsintensität zu untersuchen. Zum Beispiel konnten im Juli und September 2005 zwei Forbush-Ereignisse der kosmischen Strahlungsintensität nachgewiesen werden.

Bonner Vielkugelspektrometer (Abb. 1) in unserem Messlabor (Abb. 2) auf dem Schneefernerhaus auf der Zugspitze

Bitte besuchen Sie die Umweltforschungsstation "Schneefernerhaus" (UFS)

Hier finden Sie weitere Informationen über das HMGU Neutronenspektrometer auf der Zugspitze.
Hier finden HMGU Live Neutronenspektrometer Performance Messungen.

The NMDB Neutronenmonitor-Datenbank
Vor kurzem wurden die auf der Umweltforschungsstation „Schneefernerhaus“ (UFS) mit dem Bonner Vielkugelspektrometer erfassten Daten in eine Echtzeitdatenbank für Neutronenmonitormessungen aufgenommen. Weitere Informationen unter Neutron Monitor Database (NMDB) 

Referenzen:
W. Rühm, U. Ackermann, C. Pioch, and V. Mares. Spectral neutron flux oscillations of cosmic radiation on the Earth's surface. Journal of Geophysical Research, VOL. 117, A08309, doi:10.1029/2012JA017524, 2012.

W. Rühm, V. Mares, C. Pioch, G. Simmer and E. Weitzenegger. Continuous measurement of secondary neutrons from cosmic radiation at mountain altitudes and close to the North Pole-A Discussion in terms of H*(10). Radiation Protection Dosimetry (2009), Vol. 136, No. 4, pp. 256-261.

W. Rühm, V. Mares, C. Pioch, E. Weitzenegger, H.G. Paretzke. Continuous Measurement of Secondary Neutrons from Cosmic Radiation at Low Atmospheric and Geomagnetic Shielding by Means of Bonner sphere spectrometers. Proceeding of 21stEuropean Cosmic Ray Symposium, 9 - 12 September 2008, Kosice, Slovakia.

G. Leuthold, V. Mares, W. Rühm, E. Weitzenegger, H.G. Paretzke. Long-term measurements of cosmic ray neutrons by means of a Bonner spectrometer at mountain altitudes – first results. Radiation Protection Dosimetry, Vol. 126, No. 1-4, pp. 506-511, 2007.

AWI Spitzbergen (Arktis)

Messung der Sonneneruptionen / sekundären Neutronen der kosmischen Strahlung bei großer "Cutoff" Steifigkeit

Flugpersonal und Passagiere sind während ihrer Flüge kontinuierlich kosmischer Strahlung ausgesetzt. Teilchen, welche von der Sonne zu Zeiten hoher Sonnenaktivität ausgestoßen werden ("Solar Particle Events " - SPEs), können zu dieser Exposition beitragen. In seltenen Fällen kann die Dosis von einem einzigen SPE während eines einzigen Fluges den jährlichen Dosiswert von 1 mSv überschreiten, oberhalb dessen die Dosisüberwachung des Flugpersonals gesetzlich vorgeschrieben ist. Da SPEs am besten in der Nähe der magnetischen Pole untersucht werden können, wo die Abschirmung der kosmischen Strahlung aufgrund des Erdmagnetfeldes gering ist, haben wir ein Bonner Kugelspektrometer auf der Koldewey-Station in Ny-Ålesund auf Spitzbergen installiert. Die Station wird vom Alfred-Wegener-Institut betrieben. Sie liegt auf einer geomagnetischen Breite von 79oN (was einem geomagnetischen Cutoff von 0 GV entspricht) auf Meereshöhe (www.awi.de). Dieses Projekt soll die ersten experimentellen Daten über das zeitabhängige Energiespektrum der Neutronen in der Atmosphäre während eines SPEs liefern. Bitte besuchen Sie das Alfred-Wegener-Institute

HMGU Neutronen-Spektrometer auf der Koldewey-Station in Ny-Ålesund auf Spitzbergen (Abb. 1). Einige der Kugeln des Spektrometers sind im Fenster zu sehen (Abb. 2); Die Statue stellt Roald Amundsen dar. (Foto: R. Vockenroth, AWI).

Hier finden Sie mehr Informationen über das HMGU Neutronenspektrometer auf Spitzbergen

Die NMDB Neutronenmonitordatenbank
Vor kurzem wurden die auf der Koldewey-Station mit dem Bonner Vielkugelspektrometer erfassten Daten in eine Echtzeitdatenbank  für Neutronenmonitormessungen aufgenommen. Bitte besuchen Sie die Neutron Monitor Database (NMDB) für weitere Details.

    Referenzen:

    W. Rühm, V. Mares, C. Pioch, E. Weitzenegger, R. Vockenroth, H.G. Paretzke. Measurements of secondary neutrons from cosmic radiation with a Bonner sphere spectrometer at 79oN. Radiat Environ Biophys (2009), 48:125-133

    W. Rühm, V. Mares, C. Pioch, G. Simmer and E. Weitzenegger. Continuous measurement of secondary neutrons from cosmic radiation at mountain altitudes and close to the North Pole-A Discussion in terms of H*(10). Radiation Protection Dosimetry (2009), Vol. 136, No. 4, pp. 256-261.

    W. Rühm, V. Mares, C. Pioch, E. Weitzenegger, H.G. Paretzke. Continuous Measurement of Secondary Neutrons from Cosmick Radiation at Low Atmospheric and Geomagnetic Shielding by Means of Bonner sphere spectrometers. Proceeding of 21stEuropean Cosmic Ray Symposium, 9 - 12 September 2008, Kosice, Slovakia

     

Entwicklung von Strahlendetektoren für medizinische Anwendungen

GaN- Sensoren

Ionisationskammern zur Messung ionisierender Strahlung werden bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts verwendet und stellen immer noch den „Gold-Standard“ in der Dosimetrie dar. Da die Empfindlichkeit allerdings proportional zum Detektionsvolumen ist, finden Ionisationskammern nahezu keine Anwendung in der medizinischen Bildgebung. Dort werden ortsaufgelöste Dosisinformationen, neben Filmsystemen, in der Regel mit Szintillationskristallen und Photomultipliern erfasst, was aber wiederum ein recht aufwendiges und komplexes Verfahren darstellt. Aus diesem Grund wurde in den letzten Jahren viel Aufwand in die Erforschung neuartiger Detektionssysteme gesteckt. Beispiele hierfür wären Germanium- oder Silizium-Halbleiterdetektoren, MOSFET-Detektoren oder PIN-Dioden. Obwohl diese Techniken eine Miniaturisierung und somit eine ortsaufgelöste Detektion ermöglichen, verhindern Nachteile wie beispielsweise eine begrenzte Messstabilität, Materialdegradation oder ein eingeschränkter Messbereich einen routinemäßig verbreiteten Einsatz. In unserer Arbeit werden dünne Galliumnitrid (GaN) Schichten sowie Heterostrukturen basierend auf Galliumnitrid bezüglich der Detektion von Röntgenstrahlung im medizinisch relevanten Bereich untersucht.

In Kooperation mit:

 

 

 

 

Si-PIN Dioden Detektoren

Vorwort

Es wurden zwei elektronische Dosimeter für die individuelle Überwachung am Helmholtz-Zentrum München entwickelt, und zwar für Photonen und Neutronen. Diese Dosimeter arbeiten in einem Energiebereich jeweils für Neutronen von 144 keV bis 14,8 MeV und für Photonen von 12 keV bis 1,3 MeV.

Entwicklung eines elektronischen Dosimeters für Neutronen

Das Dosimeter enthält drei eingebaute Sensoren für drei verschiedene Neutronenenergiebereiche. Jeder Sensor besteht aus einem Siliziumdetektor für geladene Teilchen (PIN-Diode), welcher mit einem Konverter bedeckt ist. Die Neutronen erzeugen in den Konvertern geladene Teilchen, welche durch die PIN-Diode erfasst werden.


Frontplatte Prototyp Neutronendosimeter (Abb. 1) und die Bestrahlungsanlage (Bild 2)

Energiebereich

  • Sensor für niedrige Neutronenenergien: 23 meV-70 keV
  • Sensor für mittlere Neutronenenergien: 70 keV bis 1,5 MeV
  • Sensor für hohe Neutronenenergien: 1,5 MeV-20 MeV

Technische Daten:

  • Abmessungen [mm]: 115 x 60 x 16
  • Masse: 160 g
  • Batterie: Li-Ionenakku (3,6 V, 900 mAh)
  • Betriebszeit: 400 h pro Akkuladung
  • Angezeigte Dosiswerte: 1 µSv - 10 Sv
  • Dimensionen [mm]: 115 x 60 x 16

Referenzen:
M. Silari, S. Agosteo, P. Beck, R. Bedogni, E. Cale, M. Caresana, C. Domingo, L. Donadille, N. Dubourg, A. Exposito, G. Fehrenbacher, F. Fernández, M. Ferrarini, A. Fiechtner, A. Fuchs, M.J. García, N. Golnik, F. Gutermuth, S. Khurana, Th. Klages, M. Latocha, V. Mares, S. Mayer, T. Radon, H. Reithmeier, s. Rollet, H. Roos, W. Rühm, S. Sandri, D. Schardt, G. Simmer, F. Spurný, F. Trompier, C. Villa-Grasa, E. Weitzenegger, B. Wiegel, M. Wielunski, F. Wissmann, A. Zechner, M. Zielczynski. Intercomparison of radiation protection devices in a high-energy stray neutron field. Part III:Instrument response. Radiation Measurements 44 (2009), 673-691.

M. Wielunski, W. Wahl, N. EL-Faramawy, W. Rühm, M. Luszik-Bhadra, H. Roos. Intercomparison exercise with MeV neutrons using various electronic personal dosimeter. Radiation Measurements, 43, 1063-1067, 2008.
Wielunski, M., Schütz, R., Fantuzzi, E., Pagnamenta, A., Wahl, W., Palfalvi, J., Zombori, P., Andrasi, A., Stadtmann, H., Schmitzer, Ch. Study of the sensitivity of neutron sensors consisting of a converter plus Si charged-particle detector. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res A 517, 240-253, 2004.

 

Entwicklung eines elektronischen Dosimeters für Photonen

Ein weiterer Schwerpunkt unserer Arbeiten betrifft die Entwicklung eines elektronischen Photonendosimeters basierend auf Si-PIN-Dioden mit speziellen Filterkombinationen. Die PIN-Dioden werden durch verschiedene Filter bedeckt, und reagieren aus diesem Grund sehr empfindlich auf Photonen mit unterschiedlichen Energien. Die Signale der PIN-Dioden werden auf analogem und digitalem Weg ausgewertet, um anschließend die Photonendosis zu berechnen.
Die Abbildung zeigt den ersten Prototyp der analogen elektronischen Schaltung, die neuere kleinere SMD-Version (unten links) und zwei kleine Detektoren (unten rechts).

Innenansicht Prototyp Photonendosimeter

Technische Daten

  •      Stromversorgung: 3,3 V, 200μA.
  •      Rauschpegel: ca. 5 keV.

Referenzen:

M Wielunski, S Trinkl, D de Souza-Santos, W Wahl, W Rühm. The HMGU Combined Neutron and Photon Dosemeter. Radiat Prot Dosim, 2017, accepted

Ge-Detektoren für Teilkörperzähler

In-vivo-Messungen mit einem Teilkörperzähler

Motivation

  • Messung inkorporierter Radionuklide
  • Dosisabschätzung nach Inkorporation von radioaktiven Stoffen
  • Schwerpunkt: knochensuchende Radionuklide
  • Beispiele: 226Ra , 210Pb , 241Am

Versuchsaufbau

  • Abschirmungskammer 8m unter der Erdoberfläche
  • Für die Abschirmung verwendete Materialien: Sand, Stahl, Blei und Kupfer
  • Nachweis: 4-6 Germaniumdetektoren (Kristalldicke: 1,2 bis 3 cm, Durchmesser: 5 - 7cm)
  • Nachweissystem: optimiert für Photonen niedriger Energien
  • Kalibrierung: 241Am und 210Pb Schädelphantome (vom Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), Neuherberg) (Abb. 3)
  • Kalibrierung: 241 Am Kniephantome (von CIEMAT, Spanien und DOE, USA) ( Abb. 2)

Zukünftige Entwicklungen

Die zukünftige Arbeit zielt auf die Entwicklung von Methoden für die Kalibrierung der Teilkörperzähler auf Grundlage individueller Körperparameter. Dazu werden geeignete Voxelphantome für die rechnerische Kalibrierung des Zählers entwickelt und es wird untersucht, welchen Einfluss kritische Körperparameter auf die Nachweiswahrscheinlichkeit des Zählers haben. Ziel ist eine genauere "personalisierte" Quantifizierung der internen Dosis nach Inkorporation von knochensuchenden Radionukliden.

Abschirmkammer und vier Germaniumdetektoren des HMGU Teilkörperzählers

Referenzen:
Kramer, G. H.; Lopez M.A.;Broggio, D.;Tolmachev, S.; Rühm, W.: Natural vs. artificial anthropometric phantoms for measuring bone-seeking radionuclides. Health Phys. 102, 354-355 (2012).

Gary H. Kramer, Barry Hauck, Kevin Capello, Werner Rühm, Nabil El-Faramawy, David Broggio, Didier Franck, Maria Antonia Lopez, Teresa Navarro, Juan Francisco Navarro, Begona Perez, and Sergei Tomachev. Comparison of two leg phantoms containing 241AM in Bone. Health Phys. 101(3):248-258, 2011.

M. A. Lopez, D. Broggio, K. Capello, E. Cardenas-Mendez, N. El-Faramawy, D. Franck, A. C. James, G. H. Kramer, G. Lacerenza, T. P. Lynch, J. F. Navarro, B. Perez, W. Rühm, S. Y. Tolmachev, E. Weitzenegger. Eurados Intercomparison on measurement and Monte Carlo Modelling for the assessment of Americium in  a USTUR leg phantom. Radiation Protection Dosimetry (2011), Vol. 144, No. 1-4, pp. 295-299.

Monte Carlo Teilchentransport-Simulation

Sekundäre Teilchenfelder bei der Hadronentherapie

Sekundäre Teilchenfelder in der Atmosphäre

Berechnung des Transports hochenergetischer Teilchen in der Atmosphäre

Das Strahlungsfeld der sekundären kosmischen Strahlung in der Erdatmosphäre ist komplex. Es besteht aus Neutronen, Protonen, Photonen, Elektronen, Positronen, Pionen, Myonen und schweren Ionen mit Energien bis zu hunderten GeV, und entsteht durch Wechselwirkungen der Teilchen der primären kosmischen Strahlung mit den Kernen der Erdatmosphäre.
Um die sekundären Neutronen der kosmischen Strahlung kontinuierlich zu messen (siehe auch die Projekte "Die Messung auf der Zugspitze" und "Die Messung auf Spitzbergen") und um die Dosis von Menschen an Bord von Flugzeugen  ( siehe auch EPCARD -Air Crew Dosimetry project), zu bestimmen, führen wir Transportrechnungen von Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung in der Atmosphäre durch.
In der Vergangenheit wurde dazu der FLUKA Monte-Carlo-Code verwendet. Seit kurzem verwenden wir den GEANT4 Monte-Carlo-Code, um die  Teilchen der sekundären kosmischen Strahlung in verschiedenen Höhenlagen von Meeresniveau bis in eine Höhe von ca. 80 km zu berechnen, wobei die Sonnenaktivität und die Abschirmung durch das Erdmagnetfeld berücksichtigt werden.

Die Abbildung unten zeigt als Beispiel ein Neutronenspektrum in der Atmosphäre, welches mit GEANT4 in typischer Flughöhe berechnet wurde.

Berechnung des Transports hochenergetischer Teilchen im EURADOS Vergleich

Die Messungen mit dem Bonner Vielkugelspektrometer (BSS) (siehe auch Projekte "Messung auf der Zugspitze" und "Messung auf Spitzbergen") erfordern die Bestimmung der Neutronen-Nachweiswahrscheinlichkeit als Funktion der Neutronenenergie („Antwortfuktion“), für Neutronenenergien zwischen meV und GeV. Antwortfunktionen werden häufig mit Monte-Carlo Programmen berechnet. Für Neutronenenergien unter 20 MeV stehen gesicherte Neutronen-Querschnitte zur Verfügung, so dass die damit berechneten Antwortfunktionen unabhängig von dem für die Berechnungen verwendeten Monte-Carlo Programm sehr ähnlich sind. Für Energien über 20 MeV, wo jedes Monte-Carlo Programm auf theoretische mit intranukleären Kaskadenmodellen (INC) berechneten Querschnitten zurückgreifen muss, sind dagegen zum Teil große Unterschiede beobachtet worden.


Die EURADOS Arbeitsgruppe WG11
( “High Energy Radiation Fields”) hat einen Vergleich verschiedener Transportprogramme mit dem Schwerpunkt auf der Berechnung von Hochenergieantwortfunktionen von Bonner Kugeln initiiert. Das Ziel dieses Vergleichs ist es zu entscheiden, welche Monte-Carlo Programme und INC-Modelle am besten geeignet sind, um die Antwortfunktionen für Material mit niedriger Kernladungszahl (z.B. Polyethylien) und Material mit hoher Kernladungszahl (z.B. Blei) zu berechnen. Dazu berechneten die Teilnehmer dieses Vergleichs die Antwortfunktionen von zwei Bonner Kugeln (eine aus PE und eine aus PE und Blei) mit Hilfe von verschiedenen Monte-CarloTransportprogrammen und INC-Modellen. Folgende Codes wurden dafür berücksichtigt: MCNP/LAHET, FLUKA , MCNPX , GEANT4 , PHITS , und MARS.

Die Geometrie der Bonner Kugeln mit einem 3HeZähler, grüne Linien: Neutronen Spuren simuliert mit GEANT4.

 

Referenzen:
C. Pioch, V. Mares, W. Rühm. Influence of Bonner sphere response functions above 20 MeV on unfolded neutron spectra and doses. Radiation Measurements 45 (2010) 1263-1267.

C. Pioch, V. Mares, E.V. Vashenyuk, Yu.V. Balabin, W. Rühm. Measurement of cosmic ray neutrons with Bonner sphere spectrometer and neutron monitor at 79°N. Nuclear Instruments an Methods in Physics Research A 626-627 (2011) 51-57.

Detektorsimulationen

Flugdosimetrie

Flugpersonaldosimetrie mit EPCARD Software

EPCARD

Als unmittelbare Folge der ICRP-Empfehlungen aus dem Jahr 1990 hatte die damalige Gesellschaft für Strahlenforschung (GSF), das heutige Helmholtz Zentrum München, im Institut für Strahlenschutz (ISS) Forschungsprogramme initiiert, welche die theoretische und experimentelle Bewertung der natürlichen Exposition durch kosmische ionisierende Strahlung in Flugzeugen beinhalten. Mit Unterstützung der Europäischen Kommission und von Wissenschaftlern der Universität Siegen entwickelten Mitarbeiter des ISS das Programm EPCARD (European Program Package for the Calculation of Aviation Route Doses). Dieses Programm ermöglicht die Berechnung der Dosis durch alle Komponenten der durchdringenden kosmischen Strahlung, für jede Flugroute und für jedes Flugprofil. Die durch das Bundesamt für Luftfahrt (LBA) und die Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) amtlich zugelassene Version des EPCARD-Programms wird bereits von mehreren europäischen Luftfahrtgesellschaften genutzt. Für nähere Informationen besuchen Sie bitte unser EPCARD portal

Die modernste EPCARD Generation, das Programm EPCARD.Net wurde am 23. April 2010 offiziell durch das Luftfahrt Bundesamt German Aviation Authority (LBA) und dem Nationalen Meterologischen Institut der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) am 23. April 2010 zertifiziert.

Im Jahr 2009 fand ein Workshop an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig über die Exposition von Flugpersonal durch kosmische Strahlung statt. Alle Beiträge wurden in einer Sonderausgabe der Zeitschrift „Radiation Protection Dosimetry“ veröffentlicht.


EPCARD.Net ver 5.4.3 Software-CD mit Box

 

Referenzen:

J. Chen and V. Mares. Significant impact on effective doses received during commercial flights calculated using the new ICRP radiation weighting factors. Health Phys. 98(1):74-76;2010.

V. Mares, H. Yasuda. Aviation route doses calculated with EPCARD.Net and JISCARD EX. Radiation Measurements 45 (2010), 1553 - 1556.

V. Mares, T. Maczka, G. Leuthold and W. Rühm. Air Crew Dosimetry with an new version of EPCARD. Radiation Protection Dosimetry (2009), Vol. 136, No. 4, pp. 262-266.

V. Mares, G. Leuthold. Altitude-dependent dose conversion coefficients in EPCARD. Radiation Protection Dosimetry, Vol. 126, No. 1-4, pp. 581-584, 2007.

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Flugdosimetrie mit EPCARD Online

Auf dieser Webseite können die Besucher kostenlos die Dosis online berechnen, die sie während eines Fluges durch kosmische Strahlung erhalten würden. Zusätzlich können Sie an einem gewählten Ort in der Atmosphäre die Dosis bestimmen, die bei einer Aufenthaltsdauer von je einer Stunde akkumuliert wird.

 

 

Menschmodelle

Numerische Dosisberechnung

Organ and tissue doses are quantities that are related to risk from ionizing radiation. Since doses in organs and tissues of the human body cannot be measured, they have to be calculated. This is done by simulating the radiation transport inside virtual human models using Monte Carlo code packages. Virtual human models are computer representations of the body and range from simple geometric forms to complex representations of the body like the mathematical MIRD-type phantoms or voxel phantoms.

The radiation sources considered are external (broad parallel beams for occupational radiation protection, collimated point sources for radiographic examinations, and environmental geometries) or internal (monoenergetic volume sources, radionuclides incorporated at the workplace or in the environment, and radiopharmaceuticals).

The dose quantities considered are organ and effective doses, specific absorbed fractions, spatial absorbed dose distributions, particle fluences, energy spectra, and various dose conversion coefficients that link a measurable quantity to an organ dose. This allows an easy application of such calculations.

 

Key publications:

Petoussi-Henss, N. ; Bolch, W.E. ; Eckerman, K.F. ; Endo, A. ; Hertel, N. ; Hunt, J. ; Menzel, H.G. ; Pelliccioni, M. ; Schlattl, H. ; Zankl, M. The first ICRP/ICRU application of the male and female adult reference computational phantoms. Phys. Med. Biol. 59, 5209-5224 (2014)

Saito, K. ; Petoussi-Henß, N. Ambient dose equivalent conversion coefficients for radionuclides exponentially distributed in the ground. J. Nucl. Sci. Technol. 51, 1274-1287 (2014)

Petoussi-Henss, N. ; Schlattl, H. ; Zankl, M. ; Endo, A.* ; Saito, K.* Organ doses from environmental exposures calculated using voxel phantoms of adults and children. Phys. Med. Biol. 57, 5679-5713 (2012)

Saito, K. ; Ishigure, N. ; Petoussi-Henss, N. ; Schlattl, H. Effective dose conversion coefficients for radionuclides exponentially distributed in the ground. Radiat. Environ. Biophys. 51, 411-423 (2012)

Schlattl, H. ; Zankl, M. ; Becker, J. ; Hoeschen, C. Dose conversion coefficients for paediatric CT examinations with automatic tube current modulation. Phys. Med. Biol. 57, 6309-6326 (2012)

Zankl, M. ; Schlattl, H. ; Petoussi-Henss, N. ; Hoeschen, C. Electron specific absorbed fractions for the adult male and female ICRP/ICRU reference computational phantoms. Phys. Med. Biol. 57, 4501-4526 (2012)

Petoussi-Henss, N. ; Bolch, W.E. ; Eckerman, K.F. ; Endo, A. ; Hertel, N. ; Hunt, J. ; Pelliccioni, M. ; Schlattl, H. ; Zankl, M. ; International Commission on Radiological Protection ; International Commission on Radiation Units and Measurements Conversion coefficients for radiological protection quantities for external radiation exposures. Ann. ICRP 40, 257 S. (2010)

Schlattl, H. ; Zankl, M. ; Beckers, J. ; Hoeschen, C. Dose conversion coefficients for CT examinations of adults with automatic tube current modulation. Phys. Med. Biol. 55, 6243-6261 (2010)

Schlattl, H. ; Zankl, M. ; Petoussi-Henss, N. Organ dose conversion coefficients for voxel models of the reference male and female from idealized photon exposures. Phys. Med. Biol. 52, 2123-2145 (2007)

Petoussi-Henss, N. ; Zankl, M. ; Nosske, D. Estimation of patient dose from radiopharmaceuticals using voxel models. Cancer Biother. Radiopharm. 20, 103-109 (2005)

Zankl, M. ; Petoussi-Henss, N. ; Fill, U. ; Regulla, D.F. The application of voxel phantoms to the internal dosimetry of radionuclides. Radiat. Prot. Dosim. 105, 539-548 (2003)

Menschmodelle

Since the early eighties, our research group plays a leading role in the development of voxel phantoms (voxel = volume element). These are constructed from medical image data (Computed Tomography, Magnetic Resonance Imaging) of real persons using image processing tools. Due to their realistic body anatomy, these phantoms exceed the MIRD-type phantoms for many applications in radiation protection.

A family of voxel phantoms was developed in our research group at the Helmholtz Zentrum München including phantoms of both genders, from newborn to adult. Furthermore, we have created a voxel phantom of a pregnant woman in the 24th week of gestation. Some of these phantoms are available for research purposes under certain conditions .

A software tool called ‘VolumeChange’ has been developed to modify the masses and location of organs of virtual human voxel models. With this tool, two human voxel models were adjusted to fit the reference organ masses of a male and a female adult, as defined by the International Commission on Radiological Protection (ICRP). 

Organ modelling and their segmentation from medical images is an interesting part of our work. Here a new approach of an organ model description transfers the mathematical description of electric fields to image analysis and connects potential and field lines to edge gradients. Automatic generated organ boundaries are suggested which can be edited by the user.

Ongoing research includes also the development of so-called »hybrid« or »dual-lattice« voxel phantoms that contain high-resolution details of selected body regions like breast or lungs in addition to the normal voxel resolution. This feature permits direct studies of the relation of image quality and dose.

 Key publications:

Petoussi-Henß, N. ; Becker, J. ; Greiter, M.B. ; Schlattl, H. ; Zankl, M. ; Hoeschen, C. Construction of anthropomorphic hybrid, dual-lattice voxel models for optimizing image quality and dose in radiography. Proc. SPIE 9033:90331W (2014)

Becker, J. ; Zankl, M. ; Fill, U. ; Hoeschen, C. Katja - the 24 week of virtual pregnancy for dosimetric calculations. Pol. J. Med. Phys. Eng. 14, 13-20 (2008)

Becker, J. ; Zankl, M. ; Petoussi-Henss, N. A software tool for modification of human voxel models used for application in radiation protection. Phys. Med. Biol. 52, 195-205 (2007)

Hoeschen, C. ; Fill, U. ; Zankl, M. ; Panzer, W. ; Regulla, D.F. ; Döhring, W. A high-resolution voxel phantom of the breast for dose calculations in mammography. Radiat. Prot. Dosim. 114, 406-409 (2005)

Fill, U.A. ; Zankl, M. ; Petoussi-Henss, N. ; Siebert, M. ; Regulla, D.F. Adult female voxel models of different stature and photon conversion coefficients for radiation protection. Health Phys. 86, 253-272 (2004)

Petoussi-Henss, N. ; Zankl, M. ; Fill, U. ; Regulla, D.F. The GSF family of voxel phantoms. Phys. Med. Biol. 47, 89-106 (2002)

Saito, K. ; Wittmann, A. ; Koga, S. ; Ida, Y. ; Kamei, T. ; Funabiki, J. ; Zankl, M. Construction of a computed tomographic phantom for a Japanese male adult and dose calculation system.  Radiat. Environ. Biophys. 40 , 69-75 (2001)

Referenz-Menschmodelle

For national and international regulations (guidelines, dose limitation for radiation workers and the population), »average« persons have to be represented in the calculations. For this purpose, adult male and female voxel phantoms have been developed in our research group that have body characteristics and organ masses in compliance with the reference anatomical data published by the International Commission on Radiological Protection (ICRP).

For this, two segmented phantoms have been selected whose external dimensions were similar to the reference data. These were then modified in several steps:

  • Voxel scaling
  • Adjustment of individual organ masses
  • Adjustment of whole body mass by adding adipose tissue

These computational phantoms of the adult Reference Male and Reference Female have been adopted by the ICRP and the ICRU (International Commission of Radiation Units and Measurements) for calculating reference dose quantities and are available from the ICRP.

Key publications:

Zankl, M. ; Schlattl, H. ; Petoussi-Henss, N. ; Hoeschen, C. Electron specific absorbed fractions for the adult male and female ICRP/ICRU reference computational phantoms. Phys. Med. Biol. 57, 4501-4526 (2012)

Petoussi-Henss, N. ; Bolch, W.E.* ; Eckerman, K.F.* ; Endo, A. ; Hertel, N.* ; Hunt, J.* ; Pelliccioni, M.* ; Schlattl, H. ; Zankl, M. ; International Commission on Radiological Protection ; International Commission on Radiation Units and Measurements Conversion coefficients for radiological protection quantities for external radiation exposures. Ann. ICRP 40, 257 S. (2010)

Zankl, M. ; Eckermann, K.F.* ; Petoussi-Henss, N. ; Bolch, W.E. ; Menzel, H.G.* Adult reference computational phantoms. Ann. ICRP 110, 165 S. (2009)

Schlattl, H. ; Zankl, M. ; Petoussi-Henss, N. Organ dose conversion coefficients for voxel models of the reference male and female from idealized photon exposures. Phys. Med. Biol. 52, 2123-2145 (2007)

Zankl, M. ; Eckerman, K.F.* ; Bolch, W.E.* Voxel-based models representing the male and female ICRP reference adult--the skeleton. Radiat. Prot. Dosim. 127, 174-186 (2007)

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