RADYOİZOTOPLARIN ÜRETİMİ VE RADYOTERAPİDE KULLANILMASI

T.C. GAZİ ÜNİVERSİTESİ GAZİ EĞİTİM FAKÜLTESİ FİZİK EĞİTİMİ ANABİLİM DALI RADYOİZOTOPLARIN ÜRETİMİ VE RADYOTERAPİDE KULLANILMASI Hazırlayan: Ebru SEYREK 030557034 Tez Danışmanı: Dr. Mustafa KARADAĞ Ankara - 2007

İÇİNDEKİLER BÖLÜM 1: RADYASYON..5 1.1. Radyasyonun Tanımı ve Türleri..5 1.2. Radyasyon Kaynakları.6 1.2.1. Doğal Radyasyon Kaynakları 7 1.2.2. Yapay Radyasyon Kaynakları 9 1.3. Bozunum Türleri 10 1.3.1. Alfa Bozunumu 10 1.3.2. Beta Bozunumu 11 1.3.3. Gama Bozunumu..14 1.4. Elektromanyetik Radyasyonun Madde ile Etkileşimi 15 1.4.1. Fotoelektrik Olay.16 1.4.2. Compton Saçılımı 16 1.4.3. Çift Oluşumu 17 BÖLÜM 2: RADYOAKTİF BOZUNMA.19 2.1. Bozunma Sabiti..19 2.2. Bozunma Faktörü...19 2.3. Yarı Ömür..20 2.4. Ortalama Yaşam Süresi..20 2.5. Biyolojik Yarı Ömür..20 2.6. Efektif Yarı Ömür..20 2.7. Aktivite...20 BÖLÜM 3: RADYASYON BİRİMLERİ.22 3.1. Röntgen..22 3.2. REP 22 3.3. RAD...22 3.4. RBE 22 3.5. REM...23 3.6. Curie...23 Radyasyon Birimlerinin Çevrilmesi..23 BÖLÜM 4: RADYASYON DOZİMETRESİ (İZOMETRESİ)..25 BÖLÜM 5: RADYASYONUN BİYOLOJİK ETKİLERİ..27 5.1. Radyasyonun Moleküler Düzeyde Etkileri 27 5.2. Radyasyonun Hücresel Düzeyde Etkileri..28 5.3. Radyasyonun Biyolojik Sistemler Üzerine Etkileri..29 5.3.1. Hematopoetik Sistem...29 5.3.2. Lenfatik Sistem 29 5.3.3. Reprodüktif Sistem..29 5.3.4. Ganstrointestinal Sistem..30 5.3.5. Deri..30 5.3.6. Göz..30 2

5.3.7. Merkezî Sinir Sistemi..30 5.3.8. Diğer Organlar.30 5.4. Doza Bağlı Etkiler..30 5.4.1. Düşük Doz Radyasyonun Biyolojik Etkileri 30 5.4.1.1. Genetik Etkiler 31 5.4.1.2. Kanserojenik Etkiler...31 5.4.1.3. Embriyo ve Fetus Üzerine Etkiler..32 5.4.2. Yüksek Doz Radyasyonun Biyolojik Etkileri..33 5.4.2.1. Akut Somatik Etkiler..33 5.4.2.2. Kronik Somatik Etkiler...34 BÖLÜM 6: RADYOTERAPİ 35 6.1. Radyoterapi Nedir? 35 6.2. Radyoterapi Teknikleri..36 6.2.1. Harici (Eksternal) Radyoterapi 36 6.2.2. Dahili (İnternal) Radyoterapi...41 6.2.2.1. İntrakaviter Tedavi..42 6.2.2.2. İnterstisyel Tedavi...43 6.2.2.3. Süperfisyel Tedavi..43 6.2.3. Sistemik Selektif Radyoterapi..44 6.3. Radyoterapinin Olası Yan Etkileri.44 6.3.1. Kanda Görülen Yan Etkiler..45 6.3.2. Ciltte Görülen Yan Etkiler...46 6.3.3. Bölgesel Yan Etkiler 46 6.3.3.1. Baş ve Boyun Bölgesi Radyoterapisindeki Olası Yan Etkiler 46 6.3.3.2. Göğüs Kafesi Bölgesi Radyoterapisindeki Olası Yan Etkiler 47 6.3.3.3. Mide ve Karın Bölgesi Radyoterapisindeki Olası Yan Etkiler..48 BÖLÜM 7: RADYONÜKLİDLERİN ÜRETİMİ 50 7.1. Nükleer Reaktörler.50 7.1.1. Nükleer Reaksiyonlar..50 7.1.1.1. Fisyon (Bölünme)...50 7.1.1.2. Füzyon (Birleşme)..50 7.1.1.3. Nötron Yakalaması veya Aktivasyonu...50 7.1.1.4. Transmutasyon 51 7.1.2. Nükleer Reaktörler...51 7.1.3. Yüklü Parçacık Hızlandırıcıları...52 7.1.3.1. Lineer Hızlandırıcılar..53 7.1.3.2. Siklotron..54 7.2. Radyonüklid Jeneratörler...55 BÖLÜM 8: RADYOFARMASÖTİKLER 56 8.1. Kısa Tarihçesi 56 8.2. Tanımlama.56 8.2.1. Radyoizotop Üretimi 57 8.2.1.1. Seçilen Radyoizotopun elde Edilme Sorunları...57 8.2.1.1.1. Hedef Seçimi...57 8.2.1.1.2. Radyoaktivitenin Öngörülmesi...58 8.2.1.1.3. Nükleer Reaksiyonlar..58 8.2.1.2. Radyoizotopların Biyokimyası...59 3

8.2.1.3. Radyoizotopun Bağlı Olduğu Bileşiğin Kimyası 59 8.2.1.4. Kontrol 59 8.2.2. Radyofarmasötiklerin Hazırlanması 59 8.2.3. Kalite Kontrolü 60 KAYNAKÇA..64 4

BÖLÜM 1: RADYASYON 1.1. RADYASYONUN TANIMI VE TÜRLERİ Radyasyon, iç dönüşüm geçiren atomlar tarafından yayımlanan, boşlukta ve madde içerisinde hareket edebilen enerji olarak tanımlanır. Yayımlayan kaynağın özelliğine bağlı olarak bu enerji parçacıklar veya elektromanyetik dalgalar tarafından taşınabilir. Radyasyonu tanımlamada üç ana parametre kullanılır (Şekil 1). Enerjisi (düşük ve yüksek enerjili radyasyon ) Türü (parçacık radyasyonu ve elektromanyetik radyasyon) Kaynağı (doğal ve yapay radyasyon kaynakları) Radyasyon Parçacık Radyasyonu Elektromanyetik Radyasyon Alfa Beta Nötron Gama X ışınları Mor ötesi Görünür ışık Kızıl ötesi Radyo dalgaları Şekil 1.1. Radyasyonun çeşitleri. Yüksek enerjili radyasyon iyonize radyasyon olarak da tanımlanır ve atomdan elektron koparabilen dolayısıyla atomu iyonize edebilen radyasyon türüdür. Bunlar: Alfa, Beta, Gama ve X-Işınları dır. Düşük enerjili ya da iyonize olmayan radyasyon ise etkileştiği materyal içindeki atomları yeteri kadar enerjisi olmadığı için iyonize edemez ve sadece uyarmakla yetinir. Mikrodalgalar, görünür ışık, radyo dalgaları, kızılötesi ve (çok kısa dalga boyluları hariç olmak üzere) morötesi ışık iyonize olmayan radyasyona örnektir. Elektromanyetik spektrumu oluşturan bütün radyasyonlarda (Şekil 2) enerji, yüksüz ve kütlesiz fotonlar tarafından taşınmaktadır. Eğer iyonize edici elektromanyetik radyasyon çekirdekten yayımlanıyorsa gama, yörüngeden yayımlanıyorsa X-ışını adını alır. 5

Şekil 1.2. Elektromanyetik radyasyonun enerji spektrumu. 1.2. RADYASYON KAYNAKLARI Yeryüzündeki tüm canlılar ve cansızlar havada, suda, toprakta, hatta kendi vücutları içerisindeki doğal radyasyon kaynakları ve bunlara ek olarak insanlar tarafından üretilen yapay radyasyon kaynaklarının her gün ışınımına maruz kalmaktadırlar (Şekil 3). Şekil 1.3. Radyasyon kaynakları. 6

İnsanoğlu var oluşundan bu yana sürekli olarak radyasyonla iç içe yaşamak zorunda kalmıştır. Dünyanın oluşumuyla birlikte tabiatta yerini alan çok uzun ömürlü (milyarlarca yıl) radyoaktif elementler yaşadığımız çevrede normal ve kaçınılmaz olarak kabul edilen doğal bir radyasyon düzeyi oluşturmuşlardır. Geçtiğimiz yüzyılda bu doğal düzey, nükleer bomba denemeleri ve bazı teknolojik ürünlerin kullanımı ile bir hayli artış göstermiştir. Maruz kalınan doğal radyasyon seviyesinin büyüklüğünü belirleyen birçok neden vardır. Yaşanılan yer, bu yerin toprak yapısı, barınılan binalarda kullanılan malzemeler, mevsimler, kutuplara olan uzaklık ve hava şartları bu nedenlerden bazılarıdır. Yağmur, kar, alçak basınç, yüksek basınç ve rüzgâr yönü gibi etkenler de doğal radyasyon seviyesinin büyüklüğünü belirler. Radyasyon kaynaklarını, doğal ve yapay olmak üzere, iki sınıfa ayırabiliriz. 1.2.1. DOĞAL RADYASYON KAYNAKLARI Doğal radyasyonun bir kısmını uzaydan gelen kozmik ışınlar oluşturur. Bu ışınların büyük bir kısmı dünya atmosferinden geçmeye çalışırken tutulurlar. Sadece küçük bir miktarı yerküreye ulaşır. Bir dağın tepesinde veya havada yol alan bir uçakta bulunan bir kişi, deniz seviyesinde bulunan bir kişiden çok daha fazla kozmik ışına maruz kalır. Bu yüzden bir pilot, uçuş süresi boyunca, deniz seviyesinde çalışan bir kişinin maruz kaldığı doğal radyasyon düzeyinden yaklaşık 20 kat daha fazla bir radyasyon dozuna maruz kalır. Günlük yaşantımızda, kozmik ışınlar nedeniyle maruz kaldığımız radyasyon dozunun dünya ortalaması 0,39 msv / yıl dır. Şekil 1.4. Kozmik ışınlardan bir saatte alınan radyasyon dozunun yüksekliğe göre değişimi. Fosil yakıtlar doğal ve uzun ömürlü radyoaktif elementler içerirler. Bu tür elementler yakıt içinde iken bir radyasyon tehlikesi yaratmazlar. Ancak fosil yakıtlar yakıldıklarında bu 7

elementler atmosfere yayılır ve daha sonra toprağa dönerek doğal radyasyon düzeyinde az da olsa bir artışa neden olur. Doğada mevcut kısa ömürlü radyoaktif elementlerin yaydığı gama ışınlarının da katkısıyla topraktan maruz kaldığımız radyasyon dozunun dünya ortalaması 0,46 msv / yıl dır. Vücudumuzda bulunan radyoaktif elementlerden (özelikle Potasyum 40 radyoaktif elementinden) dolayı da belli bir radyasyon dozuna maruz kalırız. Bir yıl boyunca bu şekilde maruz kaldığımız iç (dâhili) radyasyon dozunun dünya ortalaması 0,23 msv kadardır. Yiyecek, içecek ve teneffüs ettiğimiz havadan maruz kaldığımız dozun dünya ortalaması yaklaşık 0,25 msv / yıl dır. Özellikle kabuklu yiyecekler daha fazla radyoaktif madde içerirler ve bu ürünleri fazla miktarda tüketen insanlar bu ortalamanın üzerinde bir radyasyon dozu alırlar. Doğal radyasyon düzeyini arttıran en önemli sebeplerden biri, yer kabuğunda yaygın bir şekilde bulunan radyoaktif radyum elementinin (Ra 226 ) bozunması sırasında salınan radon gazıdır. Bu bozunma sırasında oluşan diğer radyoaktif maddeler toprak içerisinde kalırken maalesef radon toprak yüzeyine doğru yükselir. Eğer bu gaz, yayılmalar sonucu seyrelirse herhangi bir sorun oluşturmaz. Ancak, radon gazının yayıldığı yüzey üzerinde bulunan evlerde iyi bir havalandırma sisteminin olması gerekir. Böyle bir havalandırma yoksa radon gazı evin içinde dışarıdakinden yüz kat hatta bin kat daha fazla olacaktır. Bu gaz teneffüs edildiği takdirde akciğerlere geçici olarak yerleşip tüm dokuların radyasyona maruz kalmasına neden olabilir. Radon gazından dolayı dünya genelinde maruz kalınan ortalama doz 1,3 msv / yıl dır. Radon gazı hariç doğal radyasyonun sağlık üzerinde zararlı bir etkisi görülmez. Tablo 1.1 de doğal radyasyon kaynaklarının doğal radyasyon seviyesine katkıları oransal olarak gösterilmektedir. Tablo 1.2 de ise değişik bölgelerde ölçülen doğal radyasyon seviyeleri verilmektedir. 8

Tablo 1.1. Doğal radyasyon kaynaklarından maruz kalınan küresel radyasyon dozlarının oransal değerleri. Tablo 1.2. Bazı bölgelerdeki doğal radyasyon doz düzeyleri. Mersin (Akkuyu) Ankara Iğdır (Alican) Çanakkale Kars (Digor) Hindistan (Kerela) İran (Ramsar) Brezilya (Guarapari kumsalları) 0.53 msv/yıl 0.44 msv/yıl 0.88 msv/yıl 1.23 msv/yıl 1.58 msv/yıl 15.80 msv/yıl 148.92 msv/yıl 788.40 msv/yıl 1.2.2. YAPAY RADYASYON KAYNAKLARI Gelişmiş endüstriyel ekonomilerin ve yüksek yaşam standartlarının, doğada mevcut olmayan bazı radyasyon kaynakları kullanılmadan süreklilik gösterebileceğini düşünmek şimdilik pek mümkün gözükmemektedir. İşte bu yüzden insanoğlu, teknolojik gelişiminin gereği olarak, bazı radyasyon kaynaklarını yapay yollarla üretme ihtiyacı duymuştur. Bu kaynaklar, birçok işin daha iyi, daha kolay, daha çabuk, daha ucuz ve daha basit yapılmasına olanak sağlar. Bazı durumlarda ise alternatifleri yok gibidir. Yapay radyasyon kaynakları da tıpkı doğal radyasyon kaynakları gibi belli miktarlarda radyasyon dozuna maruz kalınmasına neden olurlar. Ancak bu doz miktarı, talebe bağlı olarak artsa da, doğal kaynaklardan alınan doza göre çok daha düşüktür. Doğal radyasyon kaynaklarının aksine tamamen kontrol altında olmaları da maruz kalınacak doz miktarı açısından önemli bir özelliktir. Tıbbi, zirai ve endüstriyel amaçla kullanılan X ışınları ve yapay radyoaktif maddeler, nükleer bomba denemeleri sonucu meydana gelen nükleer serpintiler, çok az da olsa nükleer güç üretiminden salınan radyoaktif maddeler ile bazı tüketici ürünlerinde kullanılan radyoaktif maddeler bilinen başlıca yapay radyasyon kaynaklarıdır. Tablo 1.3 de yapay radyasyon kaynaklarından maruz kalınan küresel radyasyon dozlarının oransal değerleri gösterilmektedir. Tablo 1.4 de doğal ve yapay radyasyon kaynaklarından maruz kalınan küresel radyasyon dozuna oransal katkıları gösterilmektedir. 9

Tablo 1.3. Yapay radyasyon kaynaklarından maruz kalınan küresel radyasyon dozunun oransal değerleri Tablo 1.4. Doğal ve yapay radyasyon kaynaklarının küresel radyasyon dozuna oransal katkıları Doğal ve yapay radyasyon kaynaklarından maruz kalınan radyasyon dozunun dünya ortalaması 2,7 msv/yıl'dır. Bu dozun, radyasyon kaynaklarına göre dağılımı ise aşağıdaki gibidir: Kozmik 0.39 msv Serpinti 0.007 msv Gama 0.46 msv Mesleki 0.002 msv İç 0.23 msv Atıklar 0.001 msv Radon 1.30 msv Tüketici Ürünleri 0.0005 msv Tıbbi 0.30 msv 1.3. BOZUNUM TÜRLERİ Radyoaktif çekirdekler kendiliğinden bozunuma uğrarlar. Bu süreç üç şekilde gerçekleşebilir. Alfa ve beta bozunumlarında kararsız bir çekirdek, alfa ya da beta parçacıkları yayarak daha kararlı bir çekirdek haline gelmeye çalışır. Gama bozunumu ise çekirdeğin cinsi değişmeden uyarılmış bir durumdan taban duruma bozunmasıdır. 1.3.1. ALFA BOZUNUMU Çekirdeğin kararsızlığı hem proton hem de nötron fazlalığından ileri geliyorsa, çekirdek iki proton ve iki nötrondan oluşan bir alfa parçacığı yayımlayarak bozunur (Şekil 1.5). Böylece Denklem 1.1 de görüldüğü gibi bozunan çekirdeğin atom numarası 2, kütle sayısı ise 4 azalır. Rutherford alfa parçacığının gerçekte He çekirdeği olduğunu göstermiştir. Bu bozunumda proton ve nötron sayıları ayrı ayrı korunur. Ayrıca toplam enerji de korunmalıdır (Denklem 1.2). 10

Şekil 1.5. Alfa bozunumu. A Z X N A 4 ' 4 Z 2 X N 2 + He 2 (1.1) Q = Δmc 2 ' 4 = [ m( X )-m( X )-m( 2 He )].c 2 (1.2) Bozunum nedeniyle ortaya çıkan enerjinin büyük kısmını, momentumun korunumu 4 gereğince küçük kütleye sahip olan alfa parçacığı alır. 2 He çekirdeği yüksek enerjiye sahip olsa da ağır kütlesi nedeniyle menzili çok kısadır. Alfa bozunumu genellikle kütle numarası 190 dan büyük çekirdeklerde daha sık görülür. Enerji spektrumu kesiklidir ve 4 ile 10 MeV arasında değişim gösterir. Çünkü yüklü bir parçacık olduğundan içerisinden geçtiği maddenin elektronları ile yoğun bir şekilde etkileşir. 1.3.2. BETA BOZUNUMU Beta bozunumunun üç farklı türü vardır. Bunlar: β bozunumu: Eğer bir radyonüklidin kararsızlığı çekirdekteki nötron fazlalığından ileri geliyorsa, çekirdeğindeki enerji fazlalığını gidermek için nötronlardan birini proton ve elektron haline dönüştürür (Denklem 1.3). Proton çekirdekte kalırken, elektron hızla atomdan dışarı atılır. n p + e - + ν (1.3) Bu yüksek hızlı elektrona beta parçacığı (veya negatron) adı verilir. Bu şekilde beta emisyonu yapan radyonüklidin atom numarası bir artarak kendinden bir sonraki 11

elementin izobar atomuna dönüşür. Bu bozunumada kütle sayısı değişmediği için izobarik bozunma adı verilmiştir (Denklem 1.4). A X Z N A ' + 1 N 1 Z X + e - + ν (1.4) Şekil 1.6. Örnek bir β bozunumu. + β bozunumu: Atomun kararsızlığı nötron azlığından veya proton fazlalığından ileri geliyorsa protonlardan biri nötron ve pozitif yüklü elektrona (pozitrona) dönüşür (Denklem 1.5). p n + e + + ν (1.5) Nötron çekirdekte kalır, pozitron dışarı fırlatılır. Böylece pozitron yayımlayan radyonüklidin (Şekil 1.7) proton sayısı (atom numarası) bir eksilerek kendinden bir önceki elementin (izobar) atomuna dönüşür, fakat kütle sayısı değişmez (Denklem 1.6). A Z X N A ' 1 N+1 Z X + e + + ν (1.6) + Şekil 1.7. β bozunumu. 12

Elektron Yakalama Olayı: Çekirdek proton fazlalığından dolayı kararsız ise atomun çekirdeğe yakın (K, L) yörüngelerine yakın elektronlarından biri çekirdek tarafından yakalanır. Elektronla bir proton birleşerek nötron ve nötrino haline dönüşür (Denklem 1.7). Bu bozunumda çekirdekten parçacık salınmaz ancak pozitron bozunmasında olduğu gibi proton sayısı bir eksilir. Kütle numarası ise aynı kalır (Denklem 1.8). Bu olayda boşalan elektron yörüngesine üst yörüngelerdeki başka bir elektron geçer ve bremmstrahlung (frenleme) radyasyonu adı verilen x ışınları yayınlanır. p + e - n + ν (1.7) A X Z N + e - A ' 1 N +1 Z X + ν (1.8) Şekil 1.8. Elektron yakalama olayına bir örnek ( 7 Be ). Yukarı da bahsedilen her üç beta bozunumunda da proton ve nötron sayıları bir birim değişmesine rağmen kütle numarası sabit kalır. Ayrıca her üç bozunumda nötrino ve antinötrino denilen yüksüz ve kütlesiz parçacıkların yayımlandığı görülmektedir. Bu parçacıkların varlığı ilk olarak Pauli tarafından 1930 da önerilmiş ve daha sonra Fermi tarafından nötrino olarak adlandırılmışlardır. Beta bozunumunda yayımlanan elektronların enerjileri sürekli bir spektruma sahiptir (Şekil 1.9). 13

Şekil 1.9. β bozunumu sonrasında yayımlanan elektronların enerji spektrumlarına bir örnek ( 210 Bi ). 1.3.3. GAMA BOZUNUMU Çekirdekteki enerji fazlalığı dolayısıyla veya nüklid bozunma olayı ile radyasyon yayınladıktan sonra çok defa hemen kararlı (temel enerji seviyesi) durumuna geçemez, bozunmada oluşan nüklid hala yarı kararlı durumdadır. Bu fazla kalan uyarılma enerjisini hemen elektromanyetik özellikte olan bir gama radyasyonu şeklinde yayımlar (Şekil 1.9). Bu şekilde bozunan yarı kararlı nüklidin atom ve kütle sayılarında bir değişme olmaz, bu nedenle izomerik bozunma adı verilmiştir. Şekil 1.10. Gama bozunumu. Gama yayınlanmasının yarı ömrü diğer bozunumlarla kıyaslandığında çok kısadır, genellikle 10-9 saniyeden daha küçüktür, ancak saat, hatta gün mertebesinde yarı ömürlü gama yayınlanması da vardır. Enerji spektrumları ise kesiklidir. 14

1.4. ELEKTROMANYETİK RADYASYONUN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ Gama ve X ışını gibi bütün elektromanyetik radyasyonlar birçok olayda parçacıklara benzer davranış gösterdiği için, çok küçük enerji paketleri anlamına gelmek üzere bu radyasyonların birim elemanına foton adı verilmiştir. Radyasyonun belli bir frekansı için bütün paketlerde taşınan enerji aynıdır ve E = h.ν (1.9) Denklem 1.9 daki gibi ifade edilir. Fotonlar, içinden geçtikleri ortamın (maddenin) atomları ile rasgele yaptıkları karşılıklı etkileşimler sonucunda ortama enerji bırakarak absorblanabileceği gibi saçılıma da uğrayabilirler. Elektromanyetik radyasyonun madde ile etkileşiminde rol oynayan en önemli üç olay Fotoelektrik Olay Compton Saçılımı Çift oluşumu olaylarıdır. Şekil 1.11. Elektromanyetik radyasyonun alüminyum ile etkileşimi. 15

1.4.1. FOTOELEKTRİK OLAY Düşük enerjili bir foton genellikle içinden geçtiği ortamdaki atomların K veya L yörüngesindeki bir elektrona bütün enerjisini vererek onu pozitif yüklü çekirdeğin bağlayıcı kuvvetinden kurtarır. Dışarıya fırlatılan bu elektrona fotoelektron denir. Bu olay neticesinde oluşan elektron boşluğu dış yörüngedeki başka bir elektron tarafından doldurulur ve bu sırada X ışını yayımlanır. 0,5 MeV den daha küçük enerjili fotonların ağır elementler tarafından soğurulmasında bu olay oldukça önemlidir. Şekil 1.12. Fotoelektrik olay. Bu olay sırasında gelen fotonun enerjisinin bir kısmı elektronu bağlı olduğu atomdan koparabilmek için harcanır, geri kalan kısmı ise koparılan elektrona kinetik enerji olarak aktarılır (Denklem 1.10). hν = E Bağlanma + E Kinetik (1.10) 1.4.2. COMPTON SAÇILIMI Atoma gevşek olarak bağlanmış bir dış yörünge elektronu, enerjisi kendisine kıyasla çok daha büyük olan bir fotonla çarpışması sonucunda meydana gelen olaya Compton Saçılması denir (Şekil 1.13). Elektron kütleli bir parçacık olduğu için fotonun bütün enerjisini absorblaması momentumun korunumu gereği mümkün değildir. Dolayısıyla foton, enerjisinin bir kısmını elektrona aktarıp saçılıma uğrayarak yoluna devam eder. Foton ile elektron arasında oluşan açı fotonun enerjisine bağlıdır. Gelen fotonun dalgaboyu ile saçılan fotonun dalgaboyu arasındaki fark 16

Δλ = ' λ λ = h m c 0 (1 cosθ ) (1.11) Şekil 1.13. Compton saçılması. Denklem 1.11 bağıntısı ile ifade edilir. Buradaki h/mc Compton dalgaboyu olarak adlandırılır. Enerjileri 0,5 2,0 MeV arasında olan fotonların hafif elementlerden oluşan ortamlar tarafından soğurulmasında bu olay diğerlerine göre daha önemlidir. Yüksek enerjili fotonlar enerjileri belirli bir seviyeye düşene kadar Compton saçılımına uğrarlar bu andan sonra da fotoelektrik olayla absorblanırlar. Çünkü sadece Compton saçılımı ile fotonlar tamamen soğurulamazlar. 1.4.3. ÇİFT OLUŞUMU Eğer, fotonun enerjisi yeteri kadar büyük ise ve bu foton atom çekirdeğinin çok yakınından geçerse, kütlesi olmayan fotonun enerjisinden çekirdek yakınında aynı anda biri negatif yüklü elektron diğeri pozitif yüklü pozitron olmak üzere iki parçacık yaratılır. Böylece elektromanyetik bir dalgadan madde oluşur. hν = m e+ + m e- + T e+ + T e- (1.12) 17

Şekil 1.14. Çift oluşumu. Teorik olarak böyle bir çift oluşumunun meydana gelebilmesi için, (Denklem 1.12) göre fotonun enerjisinin en az 2 0.511 = 1,022 MeV olması gerekir. Foton enerjisinin daha büyük olduğu durumlarda ise bu enerjinin artakalan kısmı elektron ve pozitrona kinetik enerji olarak aktarılır. Oluşan elektron, atomla serbest elektronlar gibi etkileşirken, pozitron ise bir yörünge elektronu ile birleşir ve zıt yönlü iki foton salarak yok olur. Bu foton ise fotoelektrik yolla soğurulur. Pratikte çift oluşumu 2 MeV den daha büyük enerjili fotonlar ve ağır elementler için göreceli olarak daha baskındır. 18

BÖLÜM 2: RADYOAKTİF BOZUNMA Radyoaktif bozunma spontan bir süreçtir. Fazla enerjisi bulunan bir çekirdeğin elementer veya elektromanyetik parçacıklar yayma yoluyla değişime uğramasıdır. Ne zaman daha stabil bir nüklide dönüşeceği kesin olarak bilinemez. Bu, daha ziyade olasılık hesapları ve ortalama bozunma hızları ile saptanır. 2.1. BOZUNMA SABİTİ ( λ ) İçinde N kadar radyoaktif atom bulunan bir örnekte t zamanı boyunca ortalama bozunma hızı λn dir. ΔN / Δt = λn λ, radyonüklid bozunma sabitidir. Her radyonüklid için bozunma hızı sabittir, yani ona özgüdür. Isı, basınç ve kimyasal olaylardan etkilenmez. Radyoaktif bozunmaya uğrayan atomların belirli bir fraksiyonunun birim zaman boyunca bozunma miktarını gösterir. λ nın birimi zaman -1 dir. Yani λ= 0,01 saniye ise ortalama olarak 1 saniyede atomların %1 i bozunmaya uğruyor demektir. Eşitlikteki eksi işareti atom sayısının zamana karşı azaldığını belirtmek içindir. 2.2. BOZUNMA FAKTÖRÜ (Decay Factor: DF) Zaman geçtikçe N sayıdaki radyoaktif atomlar azalmaya devam eder. Örneğin 1000 atomu bulunan bir radyonüklidin λ sı 0,1 ise 1 s sonra 900 atom, 1 s daha sonra 810 atom kalır. Böylece sıfıra doğru yaklaşırlar, ancak hiçbir zaman tam sıfır olmazlar. Bu durum matematiksel olarak aşağıdaki formülle hesaplanır: N t = N 0 e -λt N t : t zaman sonundaki atom sayısı N 0 : Başlangıçtaki atom sayısı e -λt : t zamanı sonunda kalan radyoaktif atom fraksiyonudur (buna bozunm faktörü de denir, DF) e : Doğal logaritma bazı 19

2.3. YARI ÖMÜR (t 1/2 ) Daha önce de belirtildiği gibi radyoaktif bozunma, bir örnekteki radyoaktivitenin belirli bir zamanda sabit bir fraksiyonunun kaybolmasıdır. Fiziksel yarı ömür ise radyonüklidin başlangıçtaki atom sayısının ya da aktivite düzeyinin %50 sine inmesi için geçen süredir (t p ). Yarı ömür ile bozunma sabiti arasındaki ilişki aşağıdaki şekilde gösterilir: t 1/2 = 0.693 / λ veya λ = 0.693 / t 1/2 Bozunma faktörü ise DF = e -0.693t/ t 1/2 olarak gösterilir. 2.4. ORTALAMA YAŞAM SÜRESİ Radyoaktif atomların bozunma hızları birbirinden çok farklıdır. Kimi çok hızlı bozunma gösterirken, bazıları çok uzun sürede bozunur. Bir nüklidin ortalama yaşam süresi (τ) kendine özgü olup, bozunma sabiti (λ) ile ilişkilidir. τ = 1/λ veya τ = 1,44 t 1/2 Bu formülde de görüldüğü gibi ortalama yaşam süresi yarı ömürden biraz daha uzundur. Bu kavram özellikle radyasyon dozimetre ölçümlerinde önemlidir. 2.5. BİYOLOJİK YARI ÖMÜR (t b ) Bir maddenin yarısının, normal eliminasyon yollarıyla vücuttan atılması için geçen süreye biyolojik yarı ömür denir. Bu, bir maddenin stabil ve radyoaktif hali için aynıdır, değişmez. 2.6. EFEKTİF YARI ÖMÜR (t e ) Fiziksel ve biyolojik yarı ömür göz önünde bulundurulduğunda doku tarafından absorbe edilen radyasyon miktarını belirler. 1 t e 1 = t p 1 + t b t e t t p p t + t b = veya b t b = t t p p t e t e 2.7. AKTİVİTE Bir radyonüklidin aktivitesi birim zaman başına bozulan atom sayısını gösterir. 20

A t = A 0 e -λt Aktivite de atom sayısındaki azalmayı gösterdiğinden bozunma formülü ile ifade edilir. Radyoaktivite birimi Becquerel olup (Bq) 1 saniyede 1 dizentegrasyon gösteren bozunma hızıdır. Diğer bir aktivite birimi de Curie dir (Ci). 1 Ci 1 saniyede 3,7 10 10 dizentegrasyon gösteren radyoaktivite miktarıdır. Spesifik Aktivite: Bir radyoaktif örnek, ilgili radyoaktif maddenin stabil izotoplarını da içerebilir. Örneğin içinde İyot 131 bulunan bir tüpte stabil bir izotop olan İyot 127 de bulunabilir. Bu gibi durumlara, yani bir radyoaktif maddenin stabil izotoplarının aynı ortamda bulunması durumunda bu stabil izotoplara taşıyıcı (carrier) adı verilir. Eğer örnekte stabil izotop yoksa örneğin taşıyıcısız (carrier-free) olduğu söylenir. Radyonüklidler üretim yöntemlerine göre carrier-free olabilir veya olmayabilir. Belirli bir hacimde bulunan radyoaktivitenin bu hacmin tümüne olan oranına spesifik aktivite adı verilir. Ci/g birimi ile gösterilir. Pek çok durumda spesifik aktivitenin yüksek olması istenir. Böylece orta derecede aktivite içeren ve miktarı çok az olan bir radyoaktif element hastaya herhangi bir farmakolojik etki olmadan verilebilir. Bir Örnek Problem: 14 Ocak saat 12:00 de 10 mci İyot 131 içeren bir şişedeki aktivite miktarı 16 Ocak saat 15:00 te ne kadar olur? Çözüm: t = 50 saat t 1/2 = 8,1 gün, yaklaşık 194 saat A 0 = 10 mci A t = A 0 e-λt -0,693 50 / 194 A t = 10 mci e A t = 10 mci 0,84 A t = 8,4 mci 21

BÖLÜM 3: RADYASYON BİRİMLERİ 3.1. RÖNTGEN Bir ortamda bulunan radyasyon düzeyini belirlemek için maruz kalınan radyasyon miktarı ölçülür. Bu, X veya gama ışınının havada neden olduğu iyonizasyon miktarıdır. 1 Röntgen (R) 0,001293 gramlık havada 1 elektrostatik birimlik iyon oluşturan X veya gama ışını miktarıdır. Radyasyonun şiddetini (intensitesini) ölçmez, sayısal olarak ölçer. Mili ve mikro alt birimleri vardır. Ayrıca maruz kalma hızı olarak belirtilen bir birim vardır ki bu örneğin 1 R/dk ise 1 dk lık sürede oluşan iyonizasyon miktarını gösterir. 3.2. REP (ROENTGEN EQUIVALENT, PHYSICAL) [RÖNTGENİN FİZİKSEL EŞDEĞERİ] X ya da gama ışınının 1 gram havada oluşturduğu iyonizasyona eşdeğer iyonizasyonu 1 gram dokuda oluşturan radyasyon miktarıdır. 3.3. RAD (RADIATION ABSORBED DOSE) [ABSORBE EDİLEN RADYASYON DOZU] Radyasyona maruz kalan 1 gram materyalde absorbe edilen 100 erglik enerjiye1 rad denir. Herhangi bir radyasyonu ölçebilir. Radyasyonun şiddetini (intensitesini) veya sayısını ölçmez. Son zamanlarda uluslar arası sisteme göre (Systeme International, SI) rad yerine Gray birimi kullanılmaktadır. 1 Gray 1 kg materyal başına absorbe edilen 1 joule lük enerjiye eşittir. 1 Gray (Gy) = 100 rad 3.4. RBE [RÖLATİF BİYOLOJİK ETKİNLİK] Farklı radyasyon tiplerinin farklı biyolojik ortamlarda değişik etkiler gösterdiğini belirtmek için kullanılan bir terimdir. Yani absorbe edilen X ya da gama ışınının, eşdeğer biyolojik etki oluşturacak başka bir absorbe edilen radyasyona oranını ölçer. RBE = X veya gama ışınları ile oluşturulan doz (rad) İlgili ışın ile oluşturulacak doz (rad) 22

Örneğin, 0,05 rad lık alfa ışını 1 rad lık gama ışını ile eşdeğer biyolojik etkinlik oluşturur. Yani alfa ışınının RBE i = 1,00 / 0,05 = 20 dir. Fiziksel olarak farklı iyonize radyasyonların RBE i, iyonizasyon sayısına yani lineer enerji transferine (LET) bağlıdır. LET, iyonize parçacık yükü ve hızının bir fonksiyonu olduğundan X ya da gama ışınının biyolojik etkisi kadar etki oluşturmak için daha az alfa parçacığı gereklidir. 3.5. REM (ROENTGEN EQUIVALENT, MAN) [RÖNTGEN EŞDEĞERİ, İNSANDA] Rem, Rad olarak alınan dozun RBE çarpımına eşittir. X ve gama ışınları için Rem ve Rad eşittir. Rad, absorbe edilen radyasyon dozu; Rem, biyolojik doz birimidir. Radyasyon RBE Alfa 20 Beta 1 X ve Gama 1 SI e göre son zamanlarda Rem yerine Sievert (Sv) kullanılmaktadır. 1 Sievert, 100 Rem e eşittir. Röntgen ve miliröntgen en sık olarak alan ölçerlerde; Rad, dokuların aldığı radyasyon miktarını birim olarak ölçmede; Rem ise radyasyonla çalışan kişilerin maruz kaldıkları değerleri cep dozimetreleri ile ölçmede kullanılır. 3.6. CURIE (Ci) Radyoaktivite miktarını yani bir çekirdeğin bir başka çekirdeğe bozunmasını birim zaman başına ölçer. 1 saniyede 3,7 10 10 çözünme (dizentegrasyon) gösteren radyoaktivite birimine 1 Curie (Ci) denir. SI de Becquerel cinsinden ifade edilir. 1 saniyede 1 dizentegrasyon gösteren aktivite birimine 1 Becquerel (Bq) denir. Curie nin mili ve mikro gibi alt birimleri, Becquerel in mega ve giga gibi üst birimleri vardır. 1miliCurie (mci) = 37 megabecquerel (MBq) RADYASYON BİRİMLERİNİN ÇEVRİLMESİ Nükleer tıpta en sık yapılan çevirme işlemi aktivitenin, maruz kalma hızına (mr/saat) dönüştürülmesidir. n I γ mr / saat = 2 S 23

n = milicurie miktarı Iγ = mr/saat, 1 m uzaklıktan 1mCi için S = metre cinsinden uzaklık Her gama kaynağı için sabit bir Iγ değeri vardır. 24

BÖLÜM 4: RADYASYON DOZİMETRESİ (İZOMETRESİ) Radyonüklidler vücutta çok çeşitli şekillerde dağılım gösterirler. Genel olarak radyoaktivitenin büyük bir kısmının bulunduğu organa kaynak organ, absorbe ettiği radyasyonu ölçmek istediğimiz organa da hedef organ adı verilir. Nükleer tıp tetkiklerinde kullanılan radyoaktif maddelerin vücuda ve çeşitli organlara verdiği radyasyon (absorbe edilen doz) halen ABD deki MIRD (Medical Internal Radiation Dose) komitesinin önerdiği yöntemle hesaplanmaktadır. Bu yönteme göre enjekte edilen radyofarmasötiğin belirli bir organa verdiği radyasyon dozunu hesaplamada bazı faktörler göz önünde bulundurulur. Bunlar: Enjekte edilen aktivitenin miktarı Radyonüklidin yaydığı ışınların tipleri Radyonüklidin hedef organdaki tutulum oranı Hedef organın ağırlığı Radyonüklidin vücuttaki dağılım şekli Radyonüklidin efektif yarıömrü, gibi çeşitli biyolojik ve fiziksel faktörlerdir. Absorbe edilen doz şu formülle hesaplanır: D = ( Ã / m v ) Δ Φ D = Absorbe edilen doz (rad) Ã = Kümülatif aktivite (zaman integral aktivitesi) m v = Hesaplanan organın kütlesi (gram) Δ = Her bir nükleer transformasyon başına yayılan radyasyonun ortalama enerjisi Φ = Hedef organ tarafından absorbe olunan enerji fraksiyonu Kümülatif aktivite: Oluşan toplam nükleer transformasyon sayısıdır. Ã (μci) = 1,44 A (μci) T e T e = efektif yarıömür (saat) Δ = Her dizentegrasyonda yayılan enerji miktarıdır. Radyoaktif maddenin yaydığı, gerek penetre olabilen (X veya gama ışınları), gerekse penetre olmayan (alfa, beta ışınları, pozitronlar, konversiyon elektronları gibi) bütün enerjiler göz önünde bulundurulur. Bunların 25

hesaba katılabilmesi için oluşan tüm ışınların fraksiyonel bollukları (n i ) ve bunların ortalama enerjileri ( E i : mev ) bilinmelidir. Δ = 2,13 n i E i = (gram x rad) / (μci x saat) Belli başlı radyonüklidler için n i ve E i değerleri MIRD broşürlerinde bulunur. Φ = Hedef organın absorbe ettiği enerji fraksiyonudur. Bu fraksiyon kaynak organ tarafından yayılan radyasyon enerjisinin hedef organ tarafından absorbe edilen oranını gösterir. Penetre olmayan radyasyonlar 1 cm içinde tüm enerjilerini kaybettiklerinden, bunların absorbe edilen fraksiyonları daima 1 dir (%100). Penetre olan radyasyonlarda ise radyonüklidin kansantre olduğu organ ve çevre dokularda sadece kısmi absorbsiyon oluşur. Bunu hesaplamak için standart bir insan mankeninden yararlanılır. Φ değerleri de MIRD broşürlerindeki tablolarda mevcuttur. 26

BÖLÜM 5: RADYASYONUN BİYOLOJİK ETKİLERİ İyonize radyasyon, canlılarda moleküler ve hücresel düzeylerde fiziksel, kimyasal ve biyolojik çeşitli değişikliklere yol açar. Bu değişiklikler maruz kalınan radyasyonun cinsine, miktarına ve süresine göre geçici (onarılabilen) veya kalıcı (hasara yol açıcı) tipte olabilirler. X ve gama ışınları, alfa, beta parçacıkları, nötronlar gibi iyonize radyasyonlar, içinden geçtikleri hücrelerde önce moleküler düzeyde değişikliğe sebep olurlar. Hücre içerisindeki molekülleri ve atomları iyonize ederek ekzite hale geçirirler (uyarırlar). Bu şekilde fazla enerjilerini bu moleküllere aktararak temel seviyeye inmeye çalışırlar. İyonize radyasyonların gittikleri yol boyunca birim uzaklık başına neden oldukları enerji salınımlarına lineer enerji transferi (LET) denir. LET genellikle iyonize radyasyonun yükü ve hızının fonksiyonu olarak da kabul edilir. İyonize radyasyonun yükü artıp hızı azaldıkça LET i artar. Örneğin, alfa parçacığının hızı düşük, yükü ise 2 pozitiftir. Beta parçacığının ise hızı yüksek, yükü negatiftir. Bu nedenle alfa parçacığının LET i beta parçacığınınkinde daha yüksektir. Genel olarak LET arttıkça radyasyonun öldürücü (letal) etkileri de artar. 5.1. İYONİZE RADYASYONUN MOLEKÜLER DÜZEYDE ETKİLERİ Direkt (doğrudan) veya indirekt (dolaylı) yolla olur. Direkt yolda, değişikliğe uğrayan molekül doğrudan doğruya iyonize radyasyona maruz kalır ve ekzite duruma geçer. İndirekt yolla ise iyonize radyasyon sonucu oluşan bazı ara ürünler başka bir dizi kimyasal reaksiyona girerek diğer moleküllerin değişmesine neden olurlar (iyonize radyasyonun hücrede bol miktarda bulunan su molekülünün ayrışmasına sebep olarak serbest radikallerin oluşumuna yol açtığı düşünülmektedir). H 2 O H 2 O+ + e - H + + OH - iyonize radyasyon Burada oluşan hidrojen ve hidroksil grupları iyon olmayıp, kısa ömürlü ve oldukça reaktif radikallerdir. Bu radikallerin iyonizasyon sonucu kovalent bağları nedeniyle en dış elektron yörüngelerinde boşluklar vardır. Bu nedenle bu boşlukları doldurabilecek başka atomlar ararlar ve yüksek reaktiviteleri yüzünden tekrar birbirleriyle de birleşebilirler. 27