Inkorporationsmessungen
Innere Strahlenexposition
Eine innere Strahlenexposition wird durch radioaktive Stoffe verursacht, die durch Inhalation (Einatmen), Ingestion (Verschlucken), direkte Zufuhr ins Blut (z.B. über kontaminierte Wunden) oder durch Resorption über die Haut in den Körper gelangen. Beim Zerfall der Radionuklide wird Energie freigesetzt, die vom Körper absorbiert wird und dadurch eine innere Strahlendosis verursacht.
Unter Inkorporationsüberwachung versteht man die physikalische Strahlenschutzkontrolle bei innerer Strahlenexposition zum Nachweis der Einhaltung gesetzlicher Dosisgrenzwerte .Sie kommt zum Einsatz bei beruflich strahlenexponierten Personen, die Umgang mit offenen radioaktiven Stoffen haben.
Die einschlägigen Regelungen zur Inkorporationsüberwachung sind in Deutschland in der Strahlenschutzverordnung und in der "Richtlinie für die Physikalische Strahlenschutzkontrolle zur Ermittlung der Körperdosis, Teil 2: Ermittlung der Körperdosis bei innerer Strahlenexposition (Inkorporationsüberwachung)" festgelegt.
Die Inkorporation radioaktiver Stoffe und die damit einhergehende innere Strahlenexposition ist für den Menschen jedoch nichts ungewöhnliches. Ca. zwei Drittel der durchschnittlichen jährlichen Strahlenexposition in Deutschland in Höhe von ca. 2,4 mSv/Jahr werden durch innere Strahlenexposition hervorgerufen. Gründe hierfür sind die ständige Inhalation von Radon und seinen Folgeprodukten mit der Atemluft und die Zufuhr langlebiger natürlicher Radionuklide, wie z.B. Kalium-40 sowie Isotope des Thorium und des Uran mit ihren Folgeprodukten, über die Nahrung und das Trinkwasser.
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Die Messstelle für Radiotoxikologie
Das Landesamt für Umwelt betreibt an der Dienststelle Kulmbach die Messstelle für Radiotoxikologie, ein spezielles Strahlenmesslabor, das seit 1992 vom Bayerischen Umweltministerium als Inkorporationsmessstelle gemäß Strahlenschutzverordnung anerkannt ist.
Zum Aufgabenbereich der Messstelle gehören:
- Bestimmung der Aktivität von Radionukliden in Ausscheidungsproben (Urin, Stuhl) beruflich strahlenexponierter Personen die Umgang mit offenen radioaktiven Stoffen haben.
- Interpretation der Untersuchungsergebnisse mit Berechnung der Körperdosen gemäß der "Richtlinie für die physikalische Strahlenschutzkontrolle zur Ermittlung der Körperdosis Teil 2: Ermittlung bei innerer Strahlenexposition" vom 12.01.2007.
- Übermittlung der Inkorporationsfeststellungen an das Strahlenschutzregister des Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS)
- Teilnahme an Qualitätssicherungsmaßnahmen zum Nachweis und Erhalt der Fachkompetenz
- Erstellung und Durchführung von Programmen zur Inkorporationsüberwachung
3 Verfahren der Inkorporationsüberwachung
Bei der Inkorporationsüberwachung kommen im wesentlichen drei Verfahren zur Anwendung:
- Kontrolle der Raumluft am Arbeitsplatz über Filtermessungen
Hierbei wir die Aktivitätskonzentration von Radionukliden in der Raumluft bestimmt und über die Aufenthaltszeit und die Atemrate die Zufuhr bestimmt. - Bestimmung der Körperaktivität durch Direktmessung
Bei dieser Methode wird die im Körper des Probanden vorhandene Aktivität direkt mit Hilfe spezieller Detektorsysteme bestimmt. Dieses Verfahren funktioniert nur bei Radionukliden, deren Strahlung auch außerhalb des Körpers detektiert werden kann und ist daher auf Gammastrahler wie z.B. Co-60, I-131 oder Cs-137 beschränkt. - Bestimmung der Aktivität in den Ausscheidungen
Dieses Verfahren wird in der Messstelle für Radiotoxikologie eingesetzt. Hierbei nutzt man die Tatsache aus, dass inkorporierte Radionuklide über den Stoffwechselkreislauf auch wieder ausgeschieden werden. Somit kann man über die Bestimmung der Aktivitätskonzentration von Radionukliden in den Ausscheidungen Inkorporationen nachweisen und mit Hilfe biokinetischer Modelle auf die Höhe der Aktivitätszufuhr zurückrechnen.
Bei allen Verfahren wird zunächst aus den erhaltenen Messwerten die Aktivitätszufuhr (inkorporierte Aktivität) und daraus durch Multiplikation mit den nuklidspezifischen Dosiskoeffizienten ) die Organdosis (z.B. Lungendosis bei Inhalation) und die effektive Körperdosis (Summe der gewichteten Organdosen) berechnet.
Da bei der Zufuhr- und Dosisberechnung sehr viele unterschiedliche Faktoren berücksichtigt werden müssen, benötigt man neben der erforderlichen Fachkompetenz auch eine gehörige Portion Erfahrung und umfangreiche Tabellenwerke oder eine spezielle Software. Aus diesem Grunde dürfen Messungen zur Inkorporationsüberwachung und die Beurteilung von Analysenergebnissen nur in anerkannten Messstellen durchgeführt werden. Diese müssen zudem ihre Fachkompetenz regelmäßig nachweisen.
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Beispiele zur Inkorporationsüberwachung über Ausscheidungsanalysen
Die Inkorporationsüberwachung über Ausscheidungsanalysen, wie sie an der Messstelle für Radiotoxikologie des LfU durchgeführt wird, ist sicherlich die Methode mit der größten Bandbreite, da sie die personenbezogene Überwachung mit den Möglichkeiten zur Probenaufbereitung und Messung im Labor verbindet. Die folgenden Beispiele sollen das veranschaulichen.
Nachweis von Radiojodisotopen im Urin bei Beschäftigten in der Nuklearmedizin
Durch gammaspektrometrische Untersuchung von Urinproben lassen sich auch sehr geringe Inkorporationen von Radiojodisotopen bei Beschäftigten in der Nuklearmedizin nachweisen. Da Radiojodisotope sehr flüchtig sind und auch vom therapierten Patienten ausgeschieden werden, lassen sich in solchen Bereichen Inkorporationen nur schwer vermeiden. Die Körperdosen sind jedoch sehr gering.
Bestimmung von I-131 in Urin über Gamma-SpektrometrieIm folgenden Gammaspektrum sind die drei Hauptlinien des Isotopes Jod-131 und die typische Energielinie des natürlichen Radionuklides Kalium-40 zu erkennen. Dieses ist in der Nahrung enthalten und damit in jede Urinprobe nachweisbar. Die Inkorporation von Kalium-40 trägt mit ca. 0,2 mSv/Jahr zur natürlichen inneren Strahlenexposition bei.
Ausscheidungsrate von Americium-241 in Urin und Stuhl bei einem Körperdepot
Inkorporporationen unnatürlicher Alphastrahler wie Plutonium- oder Americium-Isotope lassen sich durch Untersuchung von Stuhlproben mit Hilfe der Alpha-Spektrometrie in den ersten Tagen nach der Aktivitätszufuhr sehr empfindlich nachweisen. Bei lange zurückliegenden Zufuhren sind dagegen Urinproben besser geeignet.
Zeitverlauf der Ausscheidungsraten nach Inhalation von Am-241Die folgende Grafik zeigt den über Modelle berechneten Verlauf der Ausscheidungsraten für Americium-241 über Urin und Stuhl nach einer Aktivitätszufuhr über Inhalation.
Die beiden folgenden Alpha-Spektren belegen eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit der Analysenmethoden. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine lange (ca. 25 Jahre) zurückliegende Aktivitätszufuhr. Die Ausscheidungsrate im Urin ist deutlich höher als im Stuhl, was auf die im Körper vorhandenen Aktivitätsdepots in Leber und Skelett zurückzuführen ist.
Die Analysenergebnisse liegen in guter Übereinstimmung mit den Erwartungswerten aus den Berechnungen mit biokinetischen Modellen.
Ausscheidung von Am-241 in Urinproben
Ausscheidung von Am-241 in StuhlprobenDie Inkorporationsüberwachung auf die radiotoxisch besonders bedeutsamen Alphastrahler kommt insbesondere beim Rückbau kerntechnischer Anlagen zur Anwendung.
Nachweis von abgereicherten Uran im Urin nach einem Unfall in einem radiologischen Labor
Nach einem Unfall in einem radiologischen Labor, bei dem ein Flasche mit uranhaltigen Abfällen explodierte, wurden sowohl beim Unfallopfer als auch bei den helfenden Personen die innere Strahlenexposition durch Ausscheidungsanalysen bestimmt. Bedingt durch die gute Löslichkeit der Uranisotope ergaben sich bei allen betroffenen Personen recht hohe Ausscheidungsraten im Urin. Die Dominanz des Uranisotops U-238 im Spektrum zeigt deutlich, dass die Abfälle hauptsächlich aus abgereichertem Uran (DU = depleted uranium) bestanden haben.
Die inkorporierten Uranisotope wurden auf Grund ihrer guten Löslichkeit vom Körper rasch wieder ausgeschieden, so dass glücklicherweise nur eine geringe innere Strahlenexposition resultierte.
Ausscheidung von Uranisotopen im Urin nach einem Unfall (5 Tage nach Inkorporation)
Ausscheidung von Uranisotopen im Urin nach einem Unfall (19 Tage nach InkorporationBestimmung der Aktivitätszufuhr und der Körperdosis bei kontinuierlicher Tritiuminkorporation
Verlauf der Aktivitätskonzentration in Urin bei kontinuierlicher TritiuminkorporationTritium wird vorwiegend als tritiiertes Wasser (HTO) inkorporiert und nimmt wie normales Wasser am Stoffwechselkreislauf des Körpers teil. Bei einer kontinuierlichen Zufuhr von Tritium steigt die Aktivitätskonzentration von Tritium in Urin zunächst stetig an. Nach ca. 6 Wochen wird ein Gleichgewichtswert erreicht, hier sind Zufuhr und Ausscheidung von Tritium gleich groß. Aus dem Gleichgewichtswert kann die Höhe der Aktivitätszufuhr leicht berechnet werden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass der Körper Wasser nicht nur über Urin, sondern auch über Schweiß, Stuhl und die Feuchtigkeit der Atemluft ausscheidet, im Urin also nur ein Teil der Gesamtausscheidung des Tritiums erfasst wird.
Nach dem Ende der Inkorporation nimmt die Aktivitätskonzentration im Urin rasch wieder ab. Das Tritium wird mit einer biologischen Halbwertszeit von ca. 10 Tagen ausgeschieden. Eine Erhöhung der täglichen Wasserzufuhr beschleunigt die Ausscheidung und reduziert die Körperdosis.
Im obigen Beispiel ergeben sich folgende Werte für die Tritiumzufuhr und die daraus resultierende innere Strahlenexposition (Körperdosis):
- Gleichgewichtskonzentration im Urin: 750 Bq/Liter
- Tritiumausscheidung (= Zufuhr) im Gleichgewichtszustand: 2.200 Bq/Tag
- Tritiuminkorporation pro Jahr: 800.000 Bq/Jahr
- Effektive Körperdosis: 0,014 mSv
Durch die Inkorporation von Tritium wird die durchschnittliche Strahlenexposition von ca. 2,4 mSv/Jahr um ca. 0,6 % erhöht. Dies liegt innerhalb des natürlichen Schwankungsbereich und ist somit aus radiologischer Sicht vernachlässigbar.
Leistungsumfang der Messstelle für Radiotoxikologie
Die Messstelle für Radiotoxikologie des LfU bietet alle Leistungen rund um die Inkorporationsüberwachung über die Bestimmung der Aktivität der Ausscheidungen an.
Hierzu gehören insbesondere die
- Bestimmung von Alphastrahlern (z.B. Thorium-, Uran-, Plutonium- und Americium-Isotope) in Urin- und Stuhlproben,
- Bestimmung reiner Betastrahler (z.B. Tritium, Kohlenstoff-14, Schwefel-35, Strontium-90/Yttrium-90) in Urin- und Stuhlproben,
- Bestimmung von Gammastrahlern (z.B. Kobalt-60, Jod-131, Cs-137) in Urin- und Stuhlproben
- Bewertung der Untersuchungsergebnisse mit Berechnung der Aktivitätszufuhr sowie der Organ- und Körperdosen,
- Übermittlung der Inkorporationsfeststellungen an das Strahlenschutzregister des BfS.
Für die erbrachten Dienstleistungen werden Gebühren auf der Basis der Umweltgebührenordnung erhoben.
