Dosisaufbau

Tiefendosiskurven unterschiedlicher Strahlenqualitäten in einem gewebeäquivalenten Phantom

Unter Dosisaufbau (auch Dosisaufbaueffekt genannt) versteht man das Phänomen, dass die Strahlendosis hochenergetischer Photonenstrahlung (>>511keV) oder Partikelstrahlung bei Eintritt in einen Absorber mit zunehmender Tiefe zunächst steigt. Der bei Teilchen stark ausgeprägte Dosisaufbau wird bei der Partikeltherapie ausgenutzt, um eine optimale Dosisverteilung zu erzielen.

Erklärung

Photonenstrahlung

Mit zunehmender Photonenenergie nimmt die Wahrscheinlichkeit einer Vorwärtsstreuung aufgrund der Eigenschaften des Klein-Nishina-Wirkungsquerschnitts zu, das heißt, dass sich sowohl die gestreuten Photonen als auch die Sekundärelektronen überwiegend in Richtung des einfallenden Photonenstrahls bewegen. Die Überlagerung von nahe an der Oberfläche ausgelösten Elektronen mit Sekundärelektronen von weiter von der Oberfläche entfernten Streuprozessen führt zum Dosisaufbau: erstere sind aufgrund der höheren Photonenenergie stärker in Richtung des Primärstrahls ausgerichtet und besitzen deshalb im Mittel eine höhere Reichweite im Absorber als oberflächenferne Sekundärelektronen.

In Materialien niedriger Ordnungszahl liegt die Reichweite von Elektronenstrahlung bei einigen Zentimetern. Trifft ein Strahl hochenergetischer Photonenstrahlung (einige MeV) beispielsweise auf Gewebe (reich an Wasser, daher niedrige Ordnungszahl), so nimmt die Strahlungsintensität hinter der Oberfläche zunächst zu, denn zur von der Photonenstrahlung erzeugten Ionendosis addiert sich bis zu einer gewissen Tiefe immer die durch die oberflächennah ausgelösten Sekundärelektronen mit höherer Reichweite „aufgebaute“ Ionendosis.

Hinzu kommt bei Bestrahlung mit breiten Strahlungsfeldern zusätzliche Strahlungsintensität durch mehrfach gestreute Photonen.

Das Absorptionsgesetz, das einen rein exponentiellen Abfall der Strahlintensität beschreibt, wird bei Berücksichtigung des Dosisaufbaueffekts durch den Aufbaufaktor B ergänzt zu

$I(x)=I_0\cdot B\cdot \exp ^{-\mu x}$

Dabei ist der Aufbaufaktor abhängig von der Dicke und dem Material des Absorbers, der Photonenenergie und dem Strahlquerschnitt.

Bei der Strahlentherapie macht man sich diesen Effekt zunutze, um die Strahlenbelastung der Hautoberfläche im Vergleich zum Zielgewebe abzusenken.

Sobald Sekundärelektronengleichgewicht erreicht ist - typischerweise nach einigen Millimetern bis Zentimetern in Gewebe, abhängig von der Photonenenergie - nimmt die Dosis dann entsprechend dem Absorptionsgesetz exponentiell ab.

Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung)

Ein starker Dosisaufbau findet auch beim Eintritt von Teilchen (Neutronen, Protonen, Schwerionen) in einen Absorber statt. Ursächlich ist hier jedoch die Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts eines Teilchens von seiner kinetischen Energie. Besonders die Protonentherapie findet zunehmend Verbreitung in der Medizin, etabliert ist auch die Schwerionentherapie mit Kohlenstoffionen.

Quellen

• Krieger / Petzold: Strahlenphysik, Dosimetrie und Strahlenschutz, Band 1 Grundlagen; B.G. Teubner Stuttgart 1992
• Krieger, Hanno: Grundlagen der Strahlungsphysik und des Strahlenschutzes, B.G. Teubner, Stuttgart 2004