BACHELORARBEIT

,,Entwicklung und Realisierung einer Messmethode zur intratherapeuti-

schen Dosimetrie benigner und maligner Schilddrüsenerkrankungen."

Fachhochschule Jena

Fachbereich Medizintechnik

Carolin Vogel

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Danksagung

Folgenden Personen gilt mein besonderer Dank, da sie mich bei der Erarbeitung meiner Ba-

chelorarbeit in unterschiedlicher Art und Weise unterstützt haben:

Ich bedanke mich zunächst für die Unterstützung und Betreuung meiner Bachelorarbeit sei-

tens der Fachhochschule Jena bei Herrn Prof. Dr. Bellemann.

Besonderer Dank gilt Herrn Scholz, der mich durch seine engagierte Betreuung und stete

Diskussionsbereitschaft bei der Erstellung der Bachelorarbeit und während des Praktikums

unterstützt hat.

Bedanken möchte ich mich auch bei Herrn Schrott, dem Feinmechaniker der Strahlenthera-

pie, der mir die Realisierung der Abschirmung und des Abstandhalters möglich machte.

Ein besonderer Dank gilt der Belegschaft der Nuklearmedizin, die für meine Fragen stets

offen waren, sowie dem Stationspersonal für die Unterstützung bei der Messwertaufnahme.

Nicht zuletzt danke ich meiner Familie für ihre Unterstützung während meines gesamten

Studiums und der Bachelorarbeit.

2

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Inhaltsverzeichnis

Danksagung 2

Inhaltsverzeichnis 3

Kurzzeichenverzeichnis 5

1.

Einleitung 6

1.1.

Die Schilddrüse und ihre Krankheitsbilder 7

1.2.

Strahlenphysikalische Grundlagen des Jod-131 8

2.

Zielstellung 11

3.

Material und Methoden 13

3.1.

Radiojodtherapie 13

3.1.1. Radiojodtherapie bei benignen Schilddrüsenerkrankungen 13

3.1.2. Radiojodtherapie von malignen Schilddrüsenerkrankungen 15

3.2.

Intratherapeutische Dosimetrie 16

3.2.1. Geiger-Müller-Zählrohr 16

3.2.2.

Grundlagen zur Entwicklung einer Abschirmung der Streustrahlung bei

benignen Schilddrüsenerkrankungen 17

3.2.3.

Ablauf der intratherapeutischen Dosimetrie 18

3.2.3.1.

Dosisbestimmung mit OLINDA/EXM

20

3.2.3.2.

Dosisbestimmung mit der MARINELLI-Formel

22

4.

Ergebnisse 23

4.1.

Sondenabschirmung 23

4.1.1. Aufbau 23

4.1.2. Messfeld der Sonde 24

4.1.3. Bestimmung des Kalibrierfaktors 25

4.2.

Intratherapeutische Dosimetrie 26

4.2.1. Uptake-Bestimmung 26

4.2.2. Bestimmung der effektiven Halbwertszeit 28

3

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4.2.3. Ergebnisse der Dosisbestimmung bei den benignen Schilddrüsenpatienten 29

4.2.3.1.

Dosisbestimmung mit MARINELLI-Formel

29

4.2.3.2.

Dosisbestimmung mit OLINDA/EXM

30

5.

Diskussion 32

5.1.

Messmethode 32

5.2.

Sondenabschirmung 33

5.2.1. Messfeld der Sonde 33

5.2.2. Kalibrierfaktor 34

5.3.

Intratherapeutische Dosimetrie 34

5.3.1. Radiojoduptake 34

5.3.2. Effektive

Halbwertszeit 36

5.3.3.

Vergleich der erreichten Dosis während der Therapie mit der vorgegebenen

Dosis bei benignen Schilddrüsenpatienten 39

5.3.4.

Marinelli-Formel und OLINDA/EXM im Vergleich 44

6.

Zusammenfassung 46

7.

Ausblick 48

Anhang 49

Literaturverzeichnis 49

Abbildungsverzeichnis 52

Messwerttabellen 54

4

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Kurzzeichenverzeichnis

I

131

NaI

Radioaktives Jod-131-Natriumiodid

131 *

I

Instabiles Jod-131

53

I-127

Natürlich vorkommendes Jod

131

Xe

Stabiles Xenon-131

54

--Strahlung

Beta-minus-Strahlung

-Strahlung

Gammastrahlung

OLINDA/EXM

Organ Level Internal Dose Assessment Code with Exponential Modeling

MIRD

Medical Internal Radiation Dose

RIUt

Radiojoduptake zum Zeitpunkt t in %

A

Aktivität der radioaktiven Quelle in Bq

AAppl

Applizierte Aktivität in Bq

~

A

Kumulierte Aktivität im Quellorgan h in Bq

h

DL

Gemessene Dosisleistung in Sv*h-1

DLGW

Grenzwert der Dosisleistung zur Entlassung von der Therapiestation in Sv*h-1

DLGW = 3,5 Sv*h-1

_

D

Mittlere absorbierte Dosis im Zielorgan k in Gy

(

k

h

)

E

Energie

H

Dosisleistung in Sv*h-1

H

Dosisleistungskonstante I-131 = 5,900E-14 Sv*m2*h-1*Bq-1

m

Masse des Zielorgans

ni

Relative Häufigkeit der Emission pro Umwandlung

S

(

k

h

)

Mittlere im Zielorgan k absorbierte Energie pro Zerfall im Quellorgan h

t

Zeitpunkt nach Applikation in h

tE

Zeitpunkt der Entlassung in d

T

1/ 2

eff

Effektive Halbwertszeit in d

x

Schichtdicke des Absorbers in cm

Massenschwächungskoeffizient Blei = 3,348 cm-1

__

Antineutrino

i

Absorbierte Anteil der Strahlenenergie in einem Ziel von der Quelle

Energieflussdichte in Abhängigkeit von der Schichtdicke

0

Energieflussdichte vor dem Absorber

5

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1. Einleitung

Die Schilddrüse nimmt unter den Hormon produzierenden Drüsen eine besondere Stellung

ein, da sie in fast alle Funktionen des Körpers regulierend eingreift. Voraussetzung für eine

optimal funktionierende Schilddrüse ist eine ausreichende Zufuhr von Jod über die Nahrung.

Auf Grund des alimentären Jodmangels in den letzten Generationen in Deutschland wurde

dies jedoch nicht immer erreicht. Zum Ausgleich dieser Jodunterversorgung, erhöht sich das

Schilddrüsevolumen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit. Dies scheint zunächst eine biolo-

gisch sinnvolle Anpassung an eine jodärmere Umgebung. Die Schilddrüse wird dadurch in

die Lage versetzt, geringste Jodspuren noch effizienter zu resorbieren. Bei einem länger

bestehenden Jodmangel entwickelt sich, durch weiteres ungeregeltes Wachstum und Funk-

tionsveränderung, autonomes Gewebe. Dadurch werden unabhängig vom übergeordneten

Regelsystem Schilddrüsenhormone an das Blut abgegeben. Durch eine erhöhte Hormon-

ausschüttung (Hyperthyreose) treten bei den Patienten unter anderem Beschwerden wie

nervöse Unruhe, Schlaflosigkeit, Hitzewallungen, erhöhte Herzfrequenz und Muskelschwä-

che auf. [23][32]

Zur Behandlung von benignen und malignen Schilddrüsenerkrankungen stehen mehrere

Therapievarianten zur Auswahl. Die Radiojodtherapie stellt, seit der Einführung von Hertz

und Roberts 1942, neben der Operation, eine weltweit etablierte Behandlungsmethode be-

nigner und maligner Schilddrüsenerkrankungen dar. Jährlich werden rund 120.000 Patienten

an der Schilddrüse operiert und weitere 60.000 durch eine Radiojodtherapie behandelt. [34]

Auf Grund der strahlenphysikalischen Eigenschaften des Jod-131 ist die Radiojodtherapie

eine wirkungsvolle Behandlungsmethode von Schilddrüsenerkrankungen. Die therapeutische

Wirkung ist dabei direkt abhängig von der erreichten Herddosis. Diese wird beeinflusst von

der eingesetzten absoluten Radiojodaktivität, von der maximalen Jodaufnahme in das zu

bestrahlende Gewebe, sowie der effektiven Halbwertszeit des Jod-131 in der Schilddrüse

bzw. in dem zu therapierenden Volumen wie beispielsweise den Schilddrüsenknoten.

Es darf heute als gesichert gelten, dass die Risiken einer Radiojodtherapie deutlich unter

denen einer Operation liegen. Die Strahlung, der der Körper (ausgenommen der zu behan-

delnden Schilddrüse) ausgesetzt wird, liegt bei einer mittleren Radiojodmenge - im Bereich

einer Röntgenuntersuchung von beispielsweise Magen und Darm. [35]

Um die Behandlung der Schilddrüse durch Radiojod besser verstehen zu können, ist ein

Einblick in die Anatomie der Schilddrüse und deren Krankheitsbilder, sowie in die strahlen-

physikalischen Grundlagen des Jod-131 erforderlich.

6

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1.1. Die Schilddrüse und ihre Krankheitsbilder

Die Schilddrüse (

Glandula thyroidea

) ist eine kleine endo-

krine Drüse, die schmetterlingsförmig rechts und links

neben der Trachea und dicht unterhalb des Kehlkopfes

liegt (Abb. 1-1). Die zwei Lappen der Schilddrüse sind

durch den Schilddrüsenisthmus miteinander verbunden.

Zusammengesetzt ist das Schilddrüsengewebe aus einer

Vielzahl von mikroskopisch kleinen bläschenartigen Ge-

bilden, den Follikeln, in denen die Hormone in inaktiver

Form, als so genannte Kolloide, gespeichert werden. In

den Epithelzellen der Follikel werden die Schilddrüsen-

hormone, Trijodthyronin T3 und Tetrajodthyronin T4, ge-

Abb. 1-1 Anatomie der Schilddrüse

bildet. [32]

Die Schilddrüsenhormone wirken auf die Steuerung des Kohlenhydrat-, Eiweiß-, Fett-, Ner-

ven- und Knochenstoffwechsel sowie die Gonadenfunktion und die Blutbildung. Aus diesem

Grund haben Fehlfunktionen der Schilddrüse vielfältige Störungen der Gesundheit zur Folge,

die das Allgemeinbefinden und damit auch das Leistungsvermögen stark beeinträchtigen

können. [25]

Eine Art der nicht-invasiven Behandlung von benignen und malignen Schilddrüsenerkran-

kungen stellt die Radiojodtherapie dar.

Zu den benignen Erkrankungen gehört die Struma, die durch eine Vergrößerung der Schild-

drüse durch Jodmangel gekennzeichnet ist. Behandelt werden folgende Krankheitsbilder:

Manifeste Hyperthyreose bei Autonomie und Morbus Basedow

Latente Hyperthyreose bei Autonomie

Struma mit/ggf. ohne funktionelle Autonomie

Rezidivstruma mit und ohne funktionelle Autonomie

Durch die Behandlung mit Radiojod soll eine dauerhafte, stabile Euthyreose (normale

Schilddrüsenfunktion) erreicht werden. Dies ist durch die Beseitigung der hyperthyreoten

Stoffwechsellage, die Beseitigung der Autonomie und/oder die Volumenreduktion der Struma

möglich. [5]

7

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Neben den benignen Krankheitsbildern der Schilddrüse können auch maligne Erkrankungen

durch eine Radiojodtherapie behandelt werden, da differenzierte Schilddrüsenkarzinome

ebenfalls Radiojod speichern. Die Therapiewirkung ist umso besser, je geringer das Zielvo-

lumen ist. Folglich werden alle Thyreozytenkarzinome zunächst operiert. Anschließend wird,

mit Ausnahme des papillären Karzinoms im T1-Stadium (< 1 cm, unifokal), eine Radiojodthe-

rapie durchgeführt. Mit dem Ziel eine ausreichende Aufnahme des Radiojodes in das Rest-

schilddrüsengewebe zu erreichen, um eventuell noch vorhandene Schilddrüsenrestverbände

bzw. Gewebsreste strahlentherapeutisch zu eliminieren. [14][25]

1.2. Strahlenphysikalische Grundlagen des Jod-131

Die Behandlung der oben beschriebenen Schilddrüsenerkrankungen erfolgt, während der

Radiojodtherapie mit dem radioaktiven Jod-131-NaI. Bei diesem radioaktiven Zerfall werden

circa 95 % der frei werdenden Energie in Form von --Strahlung und circa 5 % in Form von

-Strahlung des Tochternuklids Xe-131 freigesetzt. (Abb. 1-2). [33]

_

131

I

*

131

Xe

*

2,249

MeV

(1)

53

54

131

Xe

* 131

Xe

(2)

54

54

Abb. 1-2 Zerfallsschema des Jod-131

Nach Applikation wird das radioaktive Jod-131 aus dem Blut, wie natürliches inaktives Jod-

127, mit Hilfe eines aktiven Natrium-Jodid-Symporters in die Schilddrüse aufgenommen und

verstoffwechselt. Es reichert sich dabei besonders in den hyperaktiven Regionen der Schild-

drüse an, während inaktive bzw. ruhende Follikel sowie das umgebende Gewebe weitge-

hend verschont bleiben.

Die biologische Wirkung wird dabei allein durch die Betastrahlung (E = 608 keV) hervorge-

rufen und resultiert durch die aus der Ionisierung direkt erzeugten Radikale. Diese wirken auf

Zellen toxisch, in dem sie die Enzyme verändern, Membranen zerstören, die Zellteilung ver-

8

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