Strahlenschutz und Personendosimetrie in einer Core Facility für multimodale Kleintierbildgebung

Zusammenfassung

Hintergrund

In der biomedizinischen Forschung mit Kleintieren werden zunehmend klinische Bildgebungsverfahren wie die Positronen-Emissions-Tomografie (PET) in Kombination mit der Computertomografie (CT) genutzt. Der für die PET-Bildgebung nötige Umgang mit offenen radioaktiven Stoffen (Radiopharmaka) erfordert sowohl die vorherige behördliche Genehmigung des Umgangs, die Anwendung von Strahlenschutzgrundsätzen als auch regelmäßiges Training. Das übergeordnete Ziel des Strahlenschutzes ist sowohl das direkt tätige Personal als auch sonstige Personen und die Umwelt vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung zu schützen.

Methode

Diese Arbeit zielt darauf ab, einen Überblick über die regulatorischen Anforderungen aus dem Strahlenschutzgesetz (StrlSchG), der Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) und den assoziierten Normen und Richtlinien darzustellen. Weiterhin wird deren Umsetzung beim praktischen Arbeiten in der Kleintierbildgebung mittels PET/CT aufgezeigt. Hierbei konzentrieren wir uns auf die einzelnen Arbeitsschritte der Bildgebung vom Empfang der Radiopharmaka bis zur Entsorgung des Abfalls. Dies soll interessierten Forschenden eine erste Übersicht über die sichere und erfolgreiche Nutzung der Methode bieten. Außerdem wurden Expositionswerte der letzten sechs Jahre mit einer Literaturanalyse erschlossen. Während die personendosimetrische Überwachung bei der klinischen PET/CT-Bildgebung umfangreich publiziert wurde, gibt es keine uns bekannten publizierten Daten für das Personal in der präklinischen PET/CT-Forschung mit Kleintieren. Die Auswertung der personendosimetrischen Überwachung unserer Kleintierbildgebungseinrichtung mit 7 Mitarbeitenden über 4 Jahre ergab eine, im Vergleich zur humanen PET/CT-Bildgebung, erhöhte Personen- und Fingerdosis normiert auf die injizierte Aktivität. Dennoch ist die Jahrespersonen- oder Jahresfingerdosis in der Kleintierbildgebung (Hp(10): 1,7 mSv, Hp(0,07): 64 mSv) geringer als in der humanen PET/CT-Bildgebung der lokalen universitären Klinik für Nuklearmedizin (Hp(10): 3,8 mSv, Hp(0,07): 156 mSv), bzw. publizierten Werten und unterschreitet die gesetzlich zulässige maximale Dosis von 20 bzw. 500 mSv pro Jahr weit.

Schlussfolgerung

Die zunehmende Anwendung von PET/CT in der Kleintierforschung bei Umsetzung und kontinuierlichem Training der Strahlenschutzgrundsätze ist somit sicher nutzbar.

Kernaussagen

• Die PET/CT-Bildgebung bei Kleintieren wird in der biomedizinischen Forschung zunehmend eingesetzt.

• Strahlenschutzgesetze und -richtlinien müssen bekannt sein und auch bei Tierversuchen angewendet werden.

• Im Vergleich zu publizierten Werten der Humanmedizin ist die aktivitätsspezifische Mitarbeiterdosis in der betrachteten Kleintierbildgebungseinrichtung erhöht.

• Die gesetzlichen Personendosis-Grenzwerte werden in der vorgestellten Kleintierbildgebung unterschritten.

Zitierweise

• Schildt A, Sänger P, Lütgens M et al. Radiation protection and personal dosimetry in a core facility for multimodal small animal imaging. Fortschr Röntgenstr 2024; DOI 10.1055/a-2462-2419

Abkürzungsverzeichnis

ADR: „Europäisches Übereinkommen über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße“ (Accord européen relatif au transport international des marchandises dangereuses par route)

CF: Core Facility für Multimodale Kleintierbildgebung

CT: Computertomografie

DIN: Deutsches Institut für Normung

Fa.: Firma

HU: Hounsfield Units

HWZ: Halbwertszeit

ID: Innendurchmesser

KGW: Körpergewicht

MRT: Magnetresonanztomografie

MTR: Medizinische Technologen/Technologinnen für Radiologie

MW: Mittelwert

OSL: Optisch stimulierte Lumineszenz-Dosimeter

PET: Positronen-Emissions-Tomografie

RiPhyKo: Richtlinie für die physikalische Strahlenschutzkontrolle zur Ermittlung der Körperdosen

SSB: Strahlenschutzbeauftragter

SSV: Strahlenschutzverantwortlicher

StrlSchG: Strahlenschutzgesetz

StrlSchV: Strahlenschutzverordnung

Einleitung

Im Bereich der biomedizinischen Forschung hat die Verwendung bildgebender Verfahren wie z.B. Röntgen, Single-Photon-Emissionscomputertomografie und der Positronen-Emissions-Tomografie/Computertomografie (PET/CT) in Tierversuchen stark zugenommen [1] [2]. Die Verfahren liefern dabei Erkenntnisse über Anatomie und Morphologie sowie physiologische und pathophysiologische Prozesse. Zusätzlich können sie aufgrund ihres nicht-invasiven Charakters und der Möglichkeit von longitudinalen Studiendesigns zur Reduktion der Tierzahl führen [3].

Diese leistungsstarken Bildgebungsverfahren gehen mit einer potenziellen Strahlenbelastung einher, die eine sorgfältige Beachtung von Strahlenschutzstrategien und ‑maßnahmen erforderlich machen. Ziel der Maßnahmen ist der Schutz des strahlenexponierten Personals, aber auch von unbeteiligten Kollegen und der Umwelt. Um die Schutzziele zu erreichen, sind eine Vielzahl regulatorischer Anforderungen beim Umgang mit radioaktiven Stoffen und Strahlung zu beachten [4].

Vor allem bei tierexperimentellen Studien mit PET/CT-Bildgebung und den dafür notwendigen offenen, hochenergetisch strahlenden Radiopharmaka ist der Strahlenschutz ein vielschichtiges Unterfangen, das die Anwendung von Abschirmtechniken und die umsichtige Handhabung der Strahlenquellen umfasst [5]. Die PET ist ein Untersuchungsverfahren, bei dem die Verteilung eines radioaktiv markierten Radiopharmakons im Organismus beobachtet wird, nachdem das Radiopharmakon dem Organismus intravenös injiziert wurde. Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf die zugrunde liegenden physiologischen bzw. pathophysiologischen Prozesse ziehen [6]. Physikalisch beruht das Verfahren auf der Detektion von zwei Gammaphotonen, die aus der Annihilation des aus dem Radionuklid emittierten Positrons und eines Elektrons entstehen. Für die Markierung der Tracer kommen eine Vielzahl unterschiedlicher radioaktiven Isotopen in Betracht, z.B. ¹¹C, ⁶⁸Ga, ¹⁸F oder ⁸⁹Zr.

Während die Grundsätze des Strahlenschutzes und deren Anwendung in der klinischen Umgebung umfassend untersucht und Arbeitsprozesse standardisiert wurden [4] [7] [8] [9], erfordern die speziellen Rahmenbedingungen, die mit Tierversuchen verbunden sind, maßgeschneiderte Ansätze, um mögliche Gefährdungen, zum Beispiel durch unbeabsichtigte Exposition, wirksam zu minimieren.

Dieser Beitrag soll einen Überblick über rechtliche Anforderungen des Strahlenschutzes im Bereich der präklinischen PET/CT-Bildgebung geben. Die vorgestellte praktische Umsetzung dieser Vorgaben erlaubt es Forschern, sich in den komplexen Anforderungen ([Tab. 1]) des Strahlenschutzes besser zurechtzufinden und so eine verantwortungsvolle und effektive Nutzung der PET/CT-Bildgebung zu gewährleisten.

Tab. 1 Übersicht über die baulichen, organisatorischen und personellen Anforderungen beim Umgang mit radioaktiven Stoffen oberhalb der nuklidspezifischen Freigrenze.

Bauliche Anforderungen [10] [11] [12]
1.	Abgrenzung und Zugangsbeschränkung Bauliche Abgrenzung der Strahlenschutzbereiche Kennzeichnung der Strahlenschutzbereiche ([Abb. 2]) Zutritt über Zwangswege Personenschleuse sinnvoll; ab Raumkategorie 2 verpflichtend Zugang nur für autorisiertes Personal; Sicherstellung durch geeignetes Schließsystem Verlassen der Strahlenschutzbereiche nach Freimessen von Personal und Gegenständen
2.	Abschirmung Abgrenzung des allgemeinen Betriebsgeländes Abschirmung von Strahlenschutzbereichen (Grenzwert: 1mSv/Jahr) Bei Kleintierbildgebung meist vorhandene Abschirmung von Wänden ausreichend
3.	Diebstahlschutz Sicherungsstufe bestimmt barrieretechnische Anforderung an Fassaden, Räume und Aufbewahrungsbehältnisse Identifikation aller möglichen Entwendungspfade Schaffung ausreichender Beleuchtung, ggf. Installation einer Einbruchsmeldeanlage Notfallpläne für den Fall einer Entwendung oder unbefugten Zugriffs
4.	Brandschutz Gefährdungsstufe bestimmt notwendige Feuerwiderstandsfähigkeit der Baustoffe von Wänden und Decken, Türen und Schleusen, Kabelführungen, Rohrleitungen und Lüftungskanälen Einrichtung von Brand- und Rauchabschnitten Entfernung potenzieller Brandlasten
5.	Luftführung und Abluft Raumkategorie bestimmt Maßnahmen zur Verhinderung der Kontamination von Zu- und Abluftsystemen Verhinderung der Ausbreitung radioaktiver Stoffe in nicht-genehmigte Räume Verhinderung der Inhalation von radioaktiven Stoffen durch effiziente Luftzirkulation und -abfuhr Verwendung von Schleusen und Abzügen ohne Beeinträchtigung der Luftzirkulation Ausschluss der Umkehr der Strömungsrichtung Abfuhr der Fortluft immer über das Dach mit Möglichkeit der Probenentnahme ab Raumkategorie 2
6.	Abwasser Analog zur Luftführung, Raumkategorie bestimmt Umfang der Maßnahmen Verhinderung der Kontamination des allgemeinen Wasserkreislaufs durch Gestaltung der Abwasserleitungen bzw. lokale Filterung oder Aufbewahrung des kontaminierten Abwassers Probenentnahme des Abwassers muss möglich sein Bei Kleintierversuchen kaum kontaminiertes Abwasser
Organisatorische Anforderungen
1.	Festlegen der Verantwortlichkeiten Falls Strahlenschutzverantwortlicher (SSV) nicht fachkundig oder keine Ressourcen, um eigenständig Pflichten nachzugehen: Bestellung von Strahlenschutzbeauftragen (SSB) mit Fachkundengruppe S4.2 für Umgang mit offenen radioaktiven Stoffen im Bereich des 105fachen der Freigrenze [13] SSB verantwortet Einhaltung des Strahlenschutzes vor Ort, z.B. Festlegen von Strahlenschutzmaßnahmen, Prüfung deren Wirksamkeit und Optimieren der Maßnahmen Bei Anwendung am Tier kein fachkundiger Arzt nötig
2.	Strahlenschutzanweisung Anweisungen bzgl. des täglichen Umgangs mit den radioaktiven Stoffen Hinweise zu Maßnahmen bei einer Havarie (Notfallpläne) Bereitstellung von Mitteln zur Dekontamination und Begrenzung der Strahlenexposition Kontaktdaten zur schnellen Kommunikation mit den fachkundigen Ansprechpartnern Nutzung von Arbeitsanweisungen zur Standardisierung von Prozessen
3.	Angewandter Strahlenschutz Bereitstellung geeigneter Abschirmung durch Spritzenabschirmungen, Greifgeräte, Bleiburgen etc. Einführung von Dosisrichtwerten zur Optimierung/Reduzierung der Exposition
4.	Dokumentation Dokumentation und Bilanzierung der vorhandenen Aktivität im Strahlenschutzbereich Auflistung aller radioaktiver Quellen (Prüfquellen) Jährliche Dichtheitsprüfung umschlossener Quellen durch Sachverständigen Dokumentation der erteilten Unterweisungen
Personelle Anforderungen
1.	Dosimetrische Überwachung Überwachung der Strahlenexposition der Mitarbeitenden durch personengebundene amtliche Dosimeter (Ganzkörper- und Handdosis, ggf. Augenlinsendosis, [Abb. 4]) Prüfung und Einordnung der Dosimetrieresultate Eingruppierung der beruflich exponierten Personen anhand der zu erwartenden Dosis und des Inkorporationsrisikos, üblicherweise in Kategorie A [14] Regelmäßige betriebsärztliche Untersuchung der beruflich exponierten Personen durch berechtigten Arzt
2.	Einweisung und Fachkunde Einweisung von neuem Personal bei Tätigkeit in Strahlenschutzbereichen Jährliche Unterweisungspflicht für jedwedes Personal, das den Strahlenschutzbereich betritt, z.B. auch für Tierpfleger, Techniker, Reinigungskräfte Nachweis der Fachkunde der SSB

Des Weiteren zeigen wir – nach unserem Wissen erstmalig – Personen- und Fingerdosiswerte, die während des Betriebes einer Einrichtung für Kleintierbildgebung gewonnen wurden und vergleichen diese sowohl mit Werten aus der Klinik für Nuklearmedizin am Standort als auch mit Werten, die in der Literatur der letzten 6 Jahre zu entnehmen sind.

Regulatorische Anforderungen

Das übergeordnete Ziel der gesetzlichen Regelungen ist der Schutz von Mensch und Natur vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung. Gemäß § 12 Abs. 1 Nr. 3 Strahlenschutzgesetz (StrlSchG) [15] ist der Umgang mit radioaktiven Stoffen, deren Aktivität die nuklidspezifische Freigrenze gemäß Anlage 4 Tabelle 1 Spalten 2 und 3 Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) [14] überschreitet, genehmigungspflichtig. Die hierzu erforderliche Umgangsgenehmigung ist durch den Strahlenschutzverantwortlichen (SSV) der Einrichtung bei der atomrechtlichen Aufsichtsbehörde des betreffenden Bundeslandes zu beantragen. Ist darüber hinaus die CT-Komponente als Vollschutzgerät ausgeführt, ist diese gemäß §19 StrSchG der Aufsichtsbehörde nur anzuzeigen. Der SSV ist persönlich verpflichtet, für die Einhaltung der Regelungen aus dem StrlSchG und der dazu gehörigen Rechtsverordnung, der StrlSchV, Sorge zu tragen und den dafür erforderlichen Rahmen aus Ausstattung und Personal zu schaffen. Gesetze und Verordnungen bilden den Rechtsrahmen, deren Umsetzung in Normen, Richt- und Leitlinien spezifiziert wird. Bereits bei der Planung von Laboratorien und Betriebsräumen haben letztere eine enorme Bedeutung.

Weist der SSV im Antragsverfahren nach, dass der sichere Umgang mit den radioaktiven Stoffen gewährleistet ist, muss die Aufsichtsbehörde die Genehmigung erteilen. Die Anforderungen richten sich nach Art und Schwere der Gefährdung, welche sich aus dem Umgang mit den radioaktiven Stoffen ergeben. Grundlage jeder Gefährdungsbeurteilung ist die Festlegung von Tätigkeiten und deren Zuordnung zu Umgangsorten. Aus der Art der Tätigkeit lassen sich Expositionsrisiken, Inkorporations- und Kontaminationsgefahren ableiten. Maßgebend ist dabei das Verhältnis aus potenzieller Dosisbelastung von Personen, die in Kontakt zur ionisierenden Strahlung kommen, zu den gesetzlichen Dosisgrenzwerten. Während die Belastung aufgrund externer Strahlungsquellen sich aus deren nuklidspezifischen Dosisleistungskonstanten, der Aktivität, Arbeitsabstand und Aufenthaltszeit bestimmt, ist für die Dosisbelastung durch Inkorporation zu betrachten, welcher Anteil der Aktivität aufgenommen werden kann. Flüchtige radioaktive Stoffe sind mit einem höheren Risiko verknüpft als flüssige oder feste nichtflüchtige Stoffe. Aus dem Inkorporationsfaktor, dem nuklidspezifischen Dosiskoeffizient und der Aktivität lässt sich gemäß Richtlinie für die physikalische Strahlenschutzkontrolle zur Ermittlung der Körperdosen (RiPhyKo) [16] die Inkorporationsgefahr beurteilen.

Mit den Gefährdungsbeurteilungen auf Grundlage der verwendeten Aktivitäten und Nuklide werden Einordnungen in Klassen vorgenommen. Beispielhaft seien hier die Raumkategorien, Sicherheitsstufen sowie die Strahlenschutzbereiche genannt. Anhand der Klassen ergeben sich anschließend konkrete Anforderungen an Bau, Technik und Strahlenschutzorganisation [10] [11] [12], die in [Tab. 1] aufgeführt sind.

Training und Unterweisungen im Umgang mit Radioaktiven Stoffen

Vor dem ersten Umgang mit radioaktiven Stoffen steht die Erstunterweisung nach § 63 StrlSchG [15] sowie die anschließend jährliche Pflichtunterweisung. Diese sollen das Bewusstsein für alle Belange des Strahlenschutzes bei jedem Mitarbeitenden schärfen und die wichtigsten Verhaltensregeln vermitteln. Neben der Drei-A-Regel im Strahlenschutz (Abstand vergrößern, Abschirmung verwenden, Aufenthaltsdauer minimieren) stellen die ortspezifische Schulung und das praktische Training der Arbeitsabläufe im Umgang mit radioaktiven Stoffen wichtige Faktoren zur Minimierung der Strahlenexposition dar. Wesentliche Inhalte der Schulungen umfassen das Portionieren und Abfüllen kleiner Tracermengen, die effektive Beseitigung von Kontaminationen sowie das sachgerechte Handling strahlender Tiere unter Berücksichtigung der spezifischen, räumlichen Gegebenheiten und Bedingungen des jeweiligen Labors.

Praktisches Arbeiten und Umsetzung des Strahlenschutzes

Über allen praktischen Tätigkeiten der Kleintier-PET/CT steht aus Sicht des Strahlenschutzes das ALARA-Prinzip (“as low as reasonable achievable”) [17], d.h. die Dosis durch ionisierende Strahlung muss so niedrig wie vernünftigerweise erreichbar gehalten werden.

Der Umgang mit den Radiopharmaka in einer Einrichtung für Kleintier-PET/CT beginnt, wie in der humanen PET/CT, mit dessen Anlieferung ([Abb. 1] a, b). Je nach Standortverfügbarkeit werden diese aus speziellen Radiochemie- oder Radiopharmazieabteilungen der Klinika oder von externen Dienstleistern bezogen. In jedem Fall sind hierbei die gesonderten Erfordernisse beim Transport radioaktiver Stoffe gemäß Teil 2.2.7 ADR [18] zu beachten. Dies umfasst bei Überschreiten von Grenzwerten die Beantragung einer Transportgenehmigung gemäß § 27 StrlSchG, die Bestellung von Strahlenschutzbeauftragten (SSB) für den Transport, die Schulungen der Fahrer, Ausrüstung der Fahrzeuge oder die adäquate Transportdokumentation. Die Radiotracer werden gemäß den Vorschriften [19] je nach Aktivität des Versandstückes als freigestelltes Versandstück (UN2910) oder als radioaktiver Stoff (UN2915) in einer Verpackung gemäß Typ A-Versandstück zur Einrichtung geliefert. Die Lieferung wird vom Transporteur und einem Mitarbeitenden der Einrichtung dokumentiert und gegengezeichnet. Nach der Ankunft wird der Radiotracer im Transportgefäß in das Heißlabor (Kontrollbereich, siehe [Abb. 2]) gebracht und aus dem Transportgefäß entnommen. Die erhaltene Gesamtradioaktivität wird mittels eines Aktivimeters überprüft und ebenfalls dokumentiert. Anschließend wird das Gefäß mit dem Radiotracer in eine geeignete Bleiabschirmung verbracht und zusätzlich hinter einer weiteren Bleiabschirmung gelagert. Da man bei diesem Schritt häufig mit der maximalen Arbeitsaktivität gemäß Umgangsgenehmigung arbeitet, ist die Strahlenexposition potenziell am höchsten. Greifhilfen und Gefäßabschirmungen sind, wann immer arbeitstechnisch möglich, zu verwenden ([Abb. 1]c), um die Exposition zu verringern [20].

Abb. 1 a Lieferung des Radiopharmakon in geschirmtem Transportbehälter b geöffneter Transportbehälter mit innenliegendem Abschirmungsbehälter und Vail in der Mitte c Handling des Vails mit Radiopharmakon unter Zuhilfenahme einer Greifzange, Arbeiten innerhalb einer Bleiabschirmung mit Sichtfenster d Transportabschirmung mit abgefülltem Radiopharmakon in Feindosierungsspritze für die Injektion ins Tier e Maus in Narkose – Vorbereitung für Injektion des Tracers in die Schwanzvene f Mikrokatheter in der Schwanzvene einer Maus g, h Konnektierung der Radiopharmakonspritze am Mikrokatheter i Injektion des Radiopharmakon mittels Spritzenpumpe bei einer Maus im PET/CT für einen dynamischen Scan.

Abb. 2 Grundriss der Core Facility für multimodale Kleintierbildgebung an der Universitätsmedizin Rostock mit PET/CT-Bildgebungssystem (Inveon Multimodality PET/CT, Siemens Healthineers), µCT (Skyscan 1076, Bruker) und 7 Tesla Biospec MRT (Bruker). Transportwege für die Nuklide im Gebäude sind gekennzeichnet durch Pfeile. Raumarten: 1 – Laborräume, 2 – Messräume, 3 – Schreib- und Auswertearbeiten, 4 – Schleusen, 5 – Dekontaminationsräume bzw. Räume für die Reinigung von Schutzbekleidung, 6 – Tierhaltungs- und Versuchsräume, 7 – Räume für die Sammlung und ggf. Abklinglagerung und Vorbereitung zum Abtransport von Reststoffen, 8 – Vorratslager für radioaktive Stoffe, 9 – Lagerräume für Reststoffe, 10 – Räume für Abwasseranlagen, 11 – Räume für Abluft-/Fortluftsystem (nicht gezeigt), 12 – Sozialräume (nicht gezeigt). A – individuell belüftete Käfige, B – Tiervorbereitung/-injektion und Aufwachbereich, C – Tracerpräparation, D – Kontaminationsmonitor.

Qualitätskontrolle der Scanner u.a. Geräte

Für eine exakte quantitative PET/CT-Bildgebung müssen alle Geräte zur Bestimmung von Radioaktivität, wie Aktivimeter, Bohrlochmessplatz und insbesondere der PET-Scanner, regelmäßigen Qualitätskontrollen unterzogen werden. Für diese Kontrollen werden herstellerspezifische Strahlungsquellen benutzt. Üblicherweise werden dafür langlebige radioaktive Nuklide wie ²²Na, ¹³⁷Cs oder ¹⁵²Eu mit Aktivitäten im Bereich von 18 kBq bis 20 MBq verwendet. Die Art und Häufigkeit der Qualitätskontrollen (arbeitstäglich bis jährlich) sowie die dafür notwendigen Nuklide richten sich nach den Angaben der jeweiligen Hersteller der Geräte.

Die für die Qualitätskontrollen benötigten radioaktiven Strahlungsquellen werden nur für ihre Verwendung aus ihrer gesicherten Abschirmung entfernt und so kurz wie möglich gehandhabt. Bei Nichtgebrauch werden diese abgeschirmt und zugriffssicher in einem Tresor verwahrt.

Bei all diesen Tätigkeiten kommt der Anwender nur kurz mit den radioaktiven Quellen in Berührung, sodass bei diesen Arbeiten die Expositionszeit in der Regel sehr kurz (max. 10 s) ist und mit maximalen Arbeitsaktivitäten von typischerweise 20 MBq umgegangen wird.

Vorbereitung des PET/CT-Scans

Neben der täglichen Qualitätskontrolle bereiten Mitarbeitende den Arbeitsplatz und die Tiere für die bevorstehenden Versuche vor. Für kurzlebige Nuklide wie ¹¹C oder ¹⁵O ist es üblich, das Tier für den ersten PET/CT-Scan bereits vor Ankunft des Radiotracers in der Einrichtung zu narkotisieren und den Injektionskatheter zu legen, um eine schnelle Injektion des Radiotracers kurz nach seiner Lieferung zu ermöglichen. Bei Nukliden mit mittleren HWZ wie ¹⁸F oder ⁶⁸Ga erfolgt die Vorbereitung des Tiers für den PET/CT-Scan entweder nach oder parallel zur Ankunft des Radiotracers in der Einrichtung ([Abb. 1] e, f).

Injektion und Distribution des Radiotracers

Kurz vor der geplanten Injektion des Radiotracers wird die benötigte Aktivität von 10 bis 20 MBq in einem tierartspezifischen Volumen (z.B. 5 ml/kg KGW Maus: 20 g – max. 100 µl) [21] in einer Spritze aufgezogen, und die Radioaktivität in der Spritze mit einem Aktivimeter bestimmt. In der Regel ist mit der Vorbereitung der Spritze einer der höchsten Expositionen der Mitarbeiter verbunden. Deshalb wird dieser Vorgang hinter einer Bleiabschirmung mit zusätzlicher Abschirmung des Kopfbereichs durch Bleiglas durchgeführt ([Abb. 1]c). Durch routinierte Handhabung dieses Vorgangs lässt sich die Expositionszeit minimieren. Der Transport der Spritze mit dem Radiotracer vom Heißlabor zum Tier erfolgt in einer tragbaren Bleitasche ([Abb. 1]d).

Bei statischen PET-Scans erfolgt die Injektion des Radiotracers am Vorbereitungsplatz als manueller Bolus über einen Zeitraum von 2–10 Sekunden ([Abb. 1] g, h). Bei manueller Applikation werden im humanen Bereich Spritzenabschirmungen verwendet. Beim Umgang mit Kleintieren ist die Handhabung aufgrund der kleineren Applikationsvolumina deutlich schwieriger als im Humanen. Spritzenabschirmungen behindern durch ihr Gewicht die Handhabung beim Anschließen der Spritzenkanüle an den Katheter und führen so zu Applikationsfehlern und Kontaminationen. Deshalb werden diese oft nicht verwendet [5].

Bei der Injektion ist das Kontaminationsrisiko am höchsten. Lecks am Spritze-Kathetersystem, zu hoher Applikationsdruck, Rückfluss oder zurückbleibende Flüssigkeitstropfen können dabei Ursachen für eine Kontamination sein.

Die Restaktivität in der Spritze wird anschließend am Aktivimetermessplatz bestimmt und in einem Spritzenabwurfbehälter hinter einer Bleiabschirmung entsorgt ([Abb. 3]c). Nach der Injektion des Radiotracers wird das Tier in eine gewärmte Anästhesiekammer überführt. Das Tier verbleibt dort während der Distributionszeit des Tracers und wird kurz vor Beginn des PET/CT-Scans in den Scanner verbracht.

Abb. 3 a Geschirmter Abfallbehälter für kontaminierte Verbrauchsmaterialien b Oberflächen-Kontaminationsmonitor für die Kontaminationssuche am Arbeitsplatz c Abwurfbehälter für kontaminierte Spritzen und Nadeln hinter einer Bleiabschirmung (Bleiburg) d Freimessung einer Kontaminationsstelle nach Abklingzeit, Dekontamination konnte initial nicht erreicht werden (z.B. aufgrund Flüssigkeitseindringung in eine beschädigte Tischoberfläche).

In besonderen Fällen, wie bei der dynamischen PET-Bildgebung, erfolgt direkt nach der Narkotisierung und dem Legen des Injektionskatheters die Überführung des Tieres in den PET/CT-Scanner. Nach der Positionierung des Tieres im Gerät wird der Radiotracer über einen Zeitraum von 30 Sekunden (Mäuse) bis zu einer Minute (Ratten) gleichmäßig injiziert, während zeitgleich die PET-Bildgebung gestartet wird ([Abb. 1]i). Durch die längere Injektionszeit ist eine erhöhte Körper- und Fingerdosis möglich. Eine Reduzierung der Dosis für die Mitarbeitenden kann hier durch die Verwendung einer Spritzen- bzw. Injektionspumpe erreicht werden.

PET/CT-Scan

Während der PET/CT-Bildgebung ist die Strahlenexposition der Mitarbeitenden aufgrund der Abschirmwirkung des Gerätes als gering einzustufen. Bei den CT-Aufnahmen handelt es sich im präklinischen Bereich häufig um Vollschutzgeräte, weshalb die Exposition durch Röntgenstrahlung zu vernachlässigen ist. Die Überwachung des Tieres erfolgt hauptsächlich durch die Kontrolle der Atmung und des Herzrhythmus mittels eines für Kleintiere geeigneten Vitalparameter-Monitoringsystems (z.B. Biovet, m2m Imaging Corp, Newark, USA oder Model 1030 Monitoring & Gating System, SA Instruments Inc. Stony Brook, USA). Eine visuelle/manuelle Überprüfung des Tieres ist nur erforderlich, wenn Abweichungen von einer physiologischen Spontanatmung oder dem Herzschlag auftreten. Außerdem ist bei diesem Arbeitsschritt die Distanz zum strahlenden Tier und der Röntgenquelle einfach zu maximieren.

Nachbereitung bzw. Aufwachphase des Tieres

Nach Abschluss des PET/CT-Scans wird das Tier in einen Käfig hinter einer Abschirmung überführt. Der Käfig wird durch eine Karte mit dem verwendeten Nuklid und dem Datum der Freigabe als radioaktiv markiert. Die Tiere verbleiben mindestens bis zum Abklingen des Radiotracers in der Einrichtung bzw. in Räumlichkeiten, für die eine Umgangsgenehmigung vorliegt. Nach dem Abklingen des Radiotracers ist eine Überführung in andere Tierhaltungsbereiche wieder möglich.

Wenn bei Versuchen die Tötung des Tieres und Entnahme von Organen direkt nach dem PET/CT-Scan erforderlich ist, wird dies unter besonderer Vorsicht zur Vermeidung von Kontaminationen durchgeführt. Der Tierkadaver oder die entnommenen Organe werden anschließend bis zum Abklingen des Radiotracers im Heißlabor aufbewahrt. Wird eine transkardiale Perfusion durchgeführt, müssen die zur Perfusion verwendeten Lösungen wie Kochsalz, PBS oder Paraformaldehyd in geeigneten Behältern aufgefangen und ebenfalls im Heißlabor gelagert werden, bis die Radioaktivität die Freigrenze für das jeweilige Nuklid erreicht hat.

Der Arbeitsplatz wird abschließend mittels Oberflächenkontaminationsmonitor auf radioaktive Kontaminationen überprüft ([Abb. 3]b). Bei Kontaminationen wird die Oberfläche gereinigt und erneut gemessen. Eine Fläche gilt als nicht kontaminiert, wenn die Freigabewerte nach Tabelle 1 Anlage 4 StrlSchV unterschritten werden [14]. Falls eine Dekontamination nicht möglich ist, wird der entsprechende Bereich abgegrenzt und mit einer Information über das Nuklid und den Zeitpunkt der Wiederfreigabe versehen. Eine temporäre Sperrung des gesamten Raumes ist möglich aber bei den in der präklinischen Bildgebung verwendeten, Nukliden und Aktivitäten in der Regel nicht notwendig. Die SSB müssen jedoch über den Vorfall informiert und eine unbewusste Verbreitung der Kontamination wirkungsvoll durch Eingrenzung und Kennzeichnung unterbunden werden. Zur Abschätzung einer ausreichenden Abklingzeit wird in der Praxis die 10-fache HWZ des eingesetzten radioaktiven Nuklids verwendet. Vor der Freigabe muss die kontaminierte Fläche erneut messtechnisch überprüft werden und kann erst dann freigegeben werden ([Abb. 3]d).

Abfallbeseitigung

Die radioaktiven Abfälle der Einrichtung werden isotopenspezifisch in verschiedenen abgeschirmten Behältnissen ([Abb. 3]a) bis zum Erreichen der nuklidspezifischen Freigrenze gemäß Tabelle 1 Anlage 4 der StrlSchV [14] gelagert und nach aktiver Freimessung im Hausmüll der Einrichtung entsorgt. Die Abfallmenge wird für die jährliche Meldung bei der zuständigen Behörde dokumentiert.

Verlassen der Strahlenschutzbereiche

Verlässt das Personal den Strahlenschutzbereich, ist eine Freimessung an einem Hand-Fuß- Kleiderkontaminationsmonitor notwendig, um einer Kontamination mit radioaktiven Stoffen außerhalb des Kontroll- bzw. Überwachungsbereiches vorzubeugen. Besonders die spätere, unbewusste Aufnahme von radioaktiven Stoffen in den Körper über Haut oder Hand-Mund-Ingestions- bzw. Inhalationspfade soll an dieser Stelle unterbunden werden.

Personendosimetrische Beispieldaten

Für MTR und ärztliches Personal in PET/CT-Arbeitsbereichen der Nuklearmedizin gibt es in der Literatur dokumentierte Werte für die Strahlenbelastung pro Mitarbeitendem [4] [8] [9] [22], z.B. in Form von aufgenommener Dosis normalisiert auf die injizierten Aktivitäten [23]. Für Arbeiten im Bereich der tierexperimentellen Forschung stehen diese Werte bislang nicht zur Verfügung. Deshalb haben wir eine retrospektive Betrachtung der amtlichen Personendosimeterauswertung unserer Core Facility für multimodale Kleintierbildgebung (CF) durchgeführt. Die CF verfügt über ein 7 Tesla BioSpec MRT (Bruker Biospin Gmbh, Ettlingen, Deutschland), ein Skyscan 1076 µCT (Bruker) und ein Inveon Multimodality PET/CT-Scanner (Siemens Healthineers AG, Zürich, Schweiz, [Abb. 2]). Bei den CT-Geräten handelt es sich um Vollschutzgeräte, weswegen die Strahlenbelastung während des Betriebes zu vernachlässigen ist.

Für die Analyse wurde ein Zeitraum von 4 Jahren (2019–2023) und wurden insgesamt 7 Mitarbeitende (MTR und wissenschaftliche Mitarbeitende) herangezogen. Im Betrachtungszeitraum waren maximal 5 Mitarbeitende gleichzeitig anwesend und haben zwischen 4 und 48 Monaten in der CF gearbeitet . In dieser Zeit wurden insgesamt 1295 Injektionen mit ⁶⁸Ga- und ¹⁸F-Radiotracern an Mäusen und Ratten durchgeführt. Dabei wurden insgesamt 20,3 GBq Aktivität mit je 15 ± 5 MBq pro Injektion injiziert. Die durch die amtlich ausgegebenen Körper- und Fingerdosimeter (Landesanstalt für Personendosimetrie und Strahlenschutzausbildung, [Abb. 4]) gemessenen, monatlichen Dosiswerte wurden mit der im jeweiligen Monat durch den Mitarbeitenden injizierten Aktivität normiert und sind in [Tab. 2] dargestellt. Zum Vergleich wurden aktuelle Literaturwerte herangezogen und den Werten aus der CF in [Tab. 2] gegenübergestellt. Dazu wurde PubMed nach den Schlüsselwörtern „occupational“, „dose“, „PET“ und „occupational exposure“, „PET“, „PET/CT“ durchsucht (Recherchezeitraum: 04.03.-15.03.2024). Die Einschlusskriterien für die Analyse waren wissenschaftliche Arbeiten in englischer und deutscher Sprache, die sich mit dem Strahlenschutz und der Personendosimetrie in der Kleintierbildgebung bzw. in klinischen Einrichtungen befassten.

Abb. 4 Personendosimeter – links: optisch stimulierte Lumineszenz-Dosimeter (OSL-Dosimeter) für die Erfassung der Tiefen-Personendosis Hp(10); Mitte: Thermolumineszenzdetektor (TLD) – Ringdosimeter für die Messung der Oberflächen-Personendosis Hp(0,07) zur Abschätzung einer lokalen Hautdosis bzw. Organdosis der Hände; rechts: TLD zur Messung der Augenlinsendosis Hp(3).

Tab. 2 Literaturübersicht zu publizierten Dosiswerten aus dem klinischen PET/CT-Betrieb normiert auf die injizierte Aktivität in µSv/GBq mit Angabe von Dosiswerten aus unserer Kleintierbildgebung. Angabe von Originalwerten aus der jeweiligen Literaturstelle mit zusätzlicher Umrechnung in µSv/GBq für die bessere Vergleichbarkeit. Umgerechnete Werte sind gekennzeichnet durch *.

Studie	Mitarbeitende	Hp(10)/A	Hp(0,07)/A
CF Kleintierbildgebung	MTR, Wissenschaftler (mit mindestens 1 Injektion)	194,70 ± 274,80 µSv/GBq (min-max: 0–1230 µSv/GBq)	13440 ± 15640 µSv/GBq (min-max: 0–74020 µSv/GBq)
Adliene et al. [24]	MTR (IRIDE Injektionssystem)	4,85 ± 0,18 nSv/MBq *(4,85 ± 0,18 µSv/GBq)	/
	MTR (ALTHEA Injektionssystem)	6,17 ± 0,23 nSv/MBq *(6,17 ± 0,23 µSv/GBq)	/
Costa et al. [25]	MTR	Min-max: 11,5 nSv/MBq–23,8 nSv/MBq *(min-max: 11,5 µSv/GBq–23,8 µSv/GBq)	/
Eakins et al. [26]	MTR	/	581 ± 779 µSv/GBq
	Medizinphysiker	/	163 ± 67 µSv/GBq
Farkas et al. [27]	MTR	/	0,0011665 μSv/MBq/technologist/d *(1,12 µSv/GBq/technologist/d)
Kollaard et al. [28]	Personal Nuklearmedizin	/	Min-max: 100–4430 µSv/GBq (Median 830 µSv/GBq)
McCann et al. [29]	MTR, Radiochemiker	/	0,25 mSv/GBq (min-max: 0,01–3,34 mSv/GBq) *250 µSv/GBq (min-max 10–3340 µSv/GBq)
Mosima et al. [30]	MTR (Radiographers)	Min-max: 0,25–1,43 µSv/mCi *(min-max: 6,76–38,65 µSv/GBq)	Min-max: 2,44–38,3 µSv/mCi *(min-max: 65,95–1035,1 µSv/GBq)
	Radiochemiker (Radiopharmacists)	Min-max: 0–0,32 µSv/mCi *(min-max: 0–8,65 µSv/GBq)
Pavičar et al. [31]	MTR, Pflegepersonal (Technologists, nurses)	Min-max: 15,61–18,55 µSv/GBq	Min-max:16,99–25,44 µSv/GBq
Riveira-Martin et al. [32]	Pflegepersonal (Nurse)	6,5 ± 2,3 µSv/GBq	318 ± 136 µSv/GBq (min-max: 228–474 µSv/GBq)
Soret et al. 2020 [33]	MTR (PET/MRT)	10,3 ± 4 nSv/MBq *(10,3 ± 4 µSv/GBq)	/
Soret at al. 2022 [34]	MTR (PET/CT)	4,7 ± 1,2 nSv/MBq *(4,7 ± 1,2 µSv/GBq)	/
	MTR (PET/MR)	10,3 ± 3,5 nSv/MBq *(10,3 ± 3,5 µSv/GBq)	/
Yin et al. [35]	MTR (Injecting nurse)	/	0,84 ± 0,47 mSv/Ci (min-max: 0,53–1,39 mSv/Ci) *(22,7 ± 12,70 µSv/GBq, min-max: 14,3–37,57 µSv/GBq)
	MTR (Dispensing technician)	/	0,75 ± 0,72 mSv/Ci (min-max: 0,19–1,94 mSv/Ci) *(20,27 ± 19,46 µSv/GBq, min-max: 5,14–52,43 µSv/GBq)

Aus [Tab. 2] geht hervor, dass im Vergleich zur Arbeit in der humanen PET/CT-Bildgebung in der Kleintierbildgebung eine erhöhte, normierte Dosis je Aktivität erreicht wird. Dabei ist zu beachten, dass sich die Werte in den genannten Studien stark unterscheiden. Beispielsweise zeigten Yin et al. eine geringe Fingerdosis je Aktivität von 14,3–37,57 µSv/GBq für MTR, während Eakins et al. eine normierte durchschnittliche Fingerdosis von 581 ± 779 µSv/GBq für MTR ermittelten [26] [35]. Diese Unterschiede sind wahrscheinlich dadurch bedingt, dass die Aufgabenfelder, wie das Abfüllen der Aktivität, die Injektion und die Patientenpositionierung im Scanner im klinischen Alltag auf verschiedene Personengruppen verteilt werden, und so Dosisangaben schwer zu vergleichen sind. In der Kleintierbildgebung werden zum großen Teil alle Arbeitsschritte von einer Person durchgeführt. Außerdem ist der Automatisierungsgrad, z.B. Injektionssysteme [24], in der klinischen Anwendung erhöht und durch die höheren Volumina ist der Einsatz von Spritzenabschirmungen gegenüber der Kleintierbildgebung vereinfacht. Durch die insgesamt geringe injizierte Aktivität je Tier ergeben sich jedoch trotz der sehr hohen auf die Aktivität normierten Dosis errechnete Gesamtdosen unterhalb der Grenzwerte. Bei maximaler Auslastung der CF ergäbe sich eine maximale Fingerjahresdosis von 323 mSv für einen Mitarbeitenden, wenn man die aufgenomme Dosis pro GBq Umgangsaktivität mit der gesamten injizierten Aktivität multipliziert. (Annahmen: 24 GBq gesamte Injektionsaktivität pro Jahr bei 200 Arbeitstagen, 8 Tiere pro Tag und 15 MBq injizierte Aktivität/Tier; 13440 µSv/GBq). Analog betrüge die maximal erreichbare Personenjahresdosis 4,7 mSv (24 GBq Gesamtinjektionsaktivität mal 195 µSv/GBq). Die errechneten Dosiswerte sind viel höher als die tatsächlich mittels amtlicher Dosimeter gemessenen Personendosen, da in der Realität die maximale Auslastung der CF nicht erreicht und Personal durch die verschiedenen Arbeitsplätze der CF rotiert wird.

[Abb. 5] stellt die tatsächlich gemessenen monatlichen Dosiswerte aus der CF und der Klinik für Nuklearmedizin dar. Dabei zeigt sich ein signifikanter Unterschied zwischen den monatlichen Körperdosiswerten von Mitarbeitenden in der Kleintierbildgebung mit mind. einer Injektion im Vergleich zu den monatlichen Körperdosiswerten der MTR im klinischen Arbeitsbereich (MW: 0,07 mSv vs. 0,17 mSv, p < 0,00001) und kein signifikanter Unterschied zwischen den Fingerdosiswerten (4,06 mSv vs. 5,51 mSv, p = 0,43). Die absoluten Werte der jährlichen Personendosis (0,5 ± 0,5 mSv/a, min-max 0–1,13 mSv/a) und Fingerdosis (20 ± 25 mSv/a, min-max 0–63 mSv/a) aller CF-Mitarbeitenden liegen unter den Werten für die humane PET/CT-Bildgebung (Personendosis: 2,1 ± 1,1 mSv/a, min-max 0,6–3,8 mSv/a; Fingerdosis: 62 ± 57 mSv/a, min-max 10–156 mSv/a). Eine statistische Absicherung dieser Aussage zur jährlichen Personen- und Fingerdosis ist an dieser Stelle jedoch aufgrund der kleinen Stichprobe und der im Jahresverlauf nicht kontinuierlich in der Kleintierbildgebung arbeitenden Personen nicht sinnvoll anzugeben. Insgesamt liegen die untersuchten Dosiswerte für Mitarbeiter der Core Facility weit unter den gesetzlichen Grenzwerten für beruflich exponierte Personen der Kategorie A (20 mSv/a, bzw. 500 mSv/a). Die normierten Dosiswerte lassen vermuten, dass die Schulung und das Training im Umgang mit radioaktiven Stoffen sowohl bei neuen als auch erfahrenen Mitarbeitenden essenziell sind, um die Exposition gering zu halten.

Abb. 5 Monatliche Dosiswerte der Mitarbeitenden in einer Kleintierbildgebungsforschungseinrichtung (n = 7, MTR und wissenschaftliche Mitarbeitende) und der Mitarbeitenden der Klinik für Nuklearmedizin (n = 7, nur MTR) mit PET/CT-Untersuchungen über einen Zeitraum von 4 Jahren (2020–2023) aufgeteilt nach a) Körperdosis ermittelt mit optisch stimulierte Lumineszenz-Dosimeter und b) Fingerdosis ermittelt mit Ringdosimeter. Dosis Monatswerte von längerfristig abwesenden Mitarbeitenden (z.B. durch Krankheit oder Elternzeit) wurden nicht berücksichtigt. Statistik: Kruskal-Wallis-Test mit post-hoc-Analyse durch Dunn’s Test für Mehrfachvergleiche, statistische Signifikanz für p<0,05, **** für p<0,0001, Whisker symbolisieren den Maximalwert).

Im tierexperimentellen Bereich ist auch die Analyse der Augenlinsendosis von Interesse, da aufgrund der kleinen Spritzen und Katheter (ID 0,28 mm) mit den Augen viel dichter an der Spritze und damit an der Aktivität gearbeitet wird als im Vergleich zur klinischen Anwendung. Diese Werte werden aktuell kontinuierlich erfasst, lassen aber noch keine sinnvolle Auswertung zu.

Fazit

Die Ermittlung der Strahlendosis für Mitarbeitende im Bereich der Kleintier-PET/CT-Bildgebung ist gesetzlich vorgeschrieben und wird von den entsprechenden Einrichtungen durchgeführt. Bisher fehlen jedoch in der wissenschaftlichen Literatur spezifische Werte für diesen Bereich. In diesem Beitrag präsentieren wir erstmalig retrospektiv analysierte Personen- und Fingerdosiswerte von wissenschaftlichem und technischem Personal, das in der tierexperimentellen Forschung mit offenen radioaktiven Stoffen arbeitet. Obwohl diese Dosiswerte im Vergleich zu veröffentlichten, auf die Aktivität normierten Werten aus der klinischen PET/CT-Bildgebung sehr hoch sind, zeigen die absoluten Dosiswerte pro Jahr, dass die Strahlenbelastung im Vergleich zu MTR einer universitären Klinik für Nuklearmedizin reduziert ist.

Empirische Daten könnten durch die Auswertung amtlicher Personendosimetriedaten, insbesondere der Augenlinsendosis, aus verschiedenen tierexperimentellen PET/CT-Einrichtungen gewonnen werden. Eine prospektive Datenerfassung ist dabei der retrospektiven Analyse vorzuziehen, um gezielt Expositionspfade zu identifizieren. Trotz der kleinen Datenbasis, die statistisch gesicherte Aussagen erschwert, weisen die hier präsentierten Dosiswerte auf eine sehr geringe Exposition der Mitarbeiter in der Kleintier-PET/CT hin. Dies ist von Vorteil, da die Anwendung von PET/CT-Bildgebung in der biomedizinischen Forschung aufgrund ihrer Nicht-Invasivität, der Möglichkeit zur Reduktion der Anzahl von Versuchstieren und der Darstellung verschiedenster physiologischer und pathophysiologischer Prozesse zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Conflict of Interest

The authors declare that they have no conflict of interest.

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Publication History

Received: 10 June 2024

Accepted after revision: 03 October 2024

Article published online:
04 December 2024