Εφαρμογή τρισδιάστατης χημικής δοσιμετρίας στην ακτινοθεραπεία δερματικών νόσων

Abstract

Accurate measurements of dose profiles using kilovoltage X ray beams are challenging due to energy dependence of available dosimeters and steep dose gradients demanding high spatial resolution and precise dosimeter positioning. The scope of this thesis is to evaluate the suitability of radiochromic EBT3 films as well as the one of a novel 3D radiochromic micelle gel dosimeter, LCV-Pluronic, coupled with 3D optical computed tomography (OCT) imaging system. EBT3 films were calibrated in air for all beam qualities of a clinical unit (40-220 kVp). These data along with Monte Carlo (MC) simulations facilitated the estimation of both components of EBT3 film energy dependence in air due to variance of: the difference between dose to reference medium and dose to film (f), and the intrinsic efficiency of film mechanism producing response (kbq). Total energy dependence was found less than 3.1%. Experimental percentage depth dose (PDD) results obtained using calibration data in air showed quality and depth dependent differences, beyond film dosimetry uncertainty (<3.3), from corresponding MC simulations (up to 8%). The observed differences reduced only slightly when spectral variation as a function of depth was accounted for. Experimental data along with additional MC simulations in geometry of the irradiation set-up in water indicated variation of energy dependence in air and water, as a result of radiation field perturbation from the film oriented along the central beam axis. This implies a directional dependence of film response which necessitates that the angular distribution of photons impinging on the film is the same in the calibration and measurement geometries. Calibration of the novel radiochromic micelle dosimeter samples in cuvettes was performed based on pre- and post-irradiation spectrophotometry measurements of samples. Good linearity of dose-response and a relatively small constant value of linear fit were found (0.036±0.004). MC simulations showed excellent water equivalence of the 3D LCV-Pluronic gel dosimeter with water and corresponding calculated PDD curves were found to differ less than 1%. For the same beam quality, two different PDD experiments were performed using this dosimeter coupled with 3D OCT imaging. Data analysis revealed good agreement of background signal values between PDD experiments (0294±0.005 and 0.0313±0.008) that agree with corresponding constant values of linear fit (0.02943±0.0002, 0.0304±0.0003). After subtraction of background from response values, experimental results were found to agree with MC calculated PDD in water within experimental uncertainty (2%-5%) for both experiments (which differed <2%). Therefore, the response of the studied 3D dosimetry system seems to depend insignificantly on energy and dose-rate in contrast with other LCV-gelatin dosimeters. Although 3D dosimetry system is subjected to possible effects of temperature, ambient UV light and local imaging artifacts, it introduces a promising dosimetric tool for relative dosimetry of kilovoltage X ray beams.

Η ακριβής μέτρηση σχετικών προφίλ δόσης σε θεραπευτικές δέσμες ακτίνων x είναι δύσκολη λόγω της ενεργειακής εξάρτησης των διαθέσιμων δοσιμέτρων και της μεγάλης βαθμίδας δόσης και των απαιτήσεων που αυτή επάγει σε χωρική διακριτική ικανότητα και ακρίβεια τοποθέτησης. Σκοπό της παρούσας διατριβής αποτελεί η δοκιμή ραδιοχρωμικών ΕΒΤ3 φιλμ καθώς επίσης και πρωτότυπου ραδιοχρωμικού δοσιμέτρου μικυλλίων λευκο-χρωστικής (Leuco Crystal Violet-LCV) και πολοξαμερούς (Pluronic F-127) σε συνδυασμό με τρισδιάστατη απεικόνιση οπτικής υπολογιστικής τομογραφίας (OCT), στη σχετική δοσιμετρία ακτίνων x. Φιλμ EBT3 βαθμονομήθηκαν σε αέρα σε όλες τις ποιότητες ακτινοθεραπευτικής λυχνίας ακτίνων x (40-220 kVp), και σε συνδυασμό με προσομοιώσεις Monte Carlo (MC), εκτιμήθηκαν οι επιμέρους συνιστώσες της ενεργειακής εξάρτησης της απόκρισης των φιλμ λόγω μεταβολής: της διαφοράς δόσης στο υλικό αναφοράς και στο φιλμ (f), και της εγγενούς απόδοσης του μηχανισμού παραγωγής σήματος στο φιλμ (kbq). Από αυτές η συνολική ενεργειακή εξάρτηση της απόκρισης φιλμ στον αέρα βρέθηκε έως 3.1% συμφωνώντας με δεδομένα βιβλιογραφίας. Μετρήσεις εκατοστιαίας δόσης-βάθους (PDD) σε νερό, με τη χρήση δεδομένων βαθμονόμησης φιλμ σε αέρα, παρουσίασαν αποκλίσεις εκτός των πειραματικών αβεβαιοτήτων (3.3%) από αντίστοιχα MC δεδομένα (έως 8%). Οι αποκλίσεις περιοριστήκαν ελάχιστα ύστερα από συνυπολογισμό της μεταβολής της ποιότητας δέσμης με το βάθος. Πειραματικά αποτελέσματα και προσομοιώσεις MC στη γεωμετρία μετρήσεων PDD δείχνουν μεταβολή της ενεργειακής εξάρτησης σε νερό και αέρα λόγω διαταραχής του πεδίου ακτινοβολίας. Η εξάρτηση της απόκρισης των φιλμ από τον προσανατολισμό τους απαιτεί η γωνιακή κατανομή προσπιπτόντων, στο φιλμ, φωτονίων να είναι ίδια μεταξύ της γεωμετρίας βαθμονόμησης με αντίστοιχη μέτρησης. Βαθμονόμηση του πρωτότυπου δοσιμέτρου LCV-Pluronic βάσει σπεκτροφωτομετρίας πριν και μετά την έκθεση δειγμάτων μικρού όγκου, έδειξε: γραμμικότητα της απόκρισης με τη δόση και σχετικά μικρό σταθερό όρο γραμμικής προσαρμογής (0.036±0.004), παραπλήσιο με σήμα δείγματος μηδενικής δόσης (0.0449±0.009). Προσομοιώσεις MC κατέδειξαν εξαιρετική ραδιοβιολογική ισοδυναμία του 3D δοσιμέτρου LCV-Pluronic με νερό και αντίστοιχα MC αποτελέσματα PDD βρέθηκαν να αποκλίνουν λιγότερο από 1%. Για την ίδια ποιότητα δέσμης, διεξήχθησαν δύο ανεξάρτητα πειράματα μέτρησης PDD βάσει τρισδιάστατης απεικόνισης OCT. Η επεξεργασία των αποτελεσμάτων κατέδειξε σχετικά επαναλήψιμο υπόβαθρο σήματος (0.029±0.005, 0.031±0.008), παραπλήσιο με σταθερό όρο, και για τα δύο πειράματα (0.02943±0.0002, 0.0304±0.0003). Αφαιρώντας το υπόβαθρο από δεδομένα σήματος, τα πειραματικά αποτελέσματα συμφώνησαν με αντίστοιχα MC αποτελέσματα PDD σε νερό εντός των πειραματικών αβεβαιοτήτων (2%-5%) και για τα δύο πειράματα (μεταξύ των οποίων σημειώθηκαν διαφορές <2%). Συνεπώς, η απόκριση του μελετώμενου 3D χημικού συστήματος δοσιμετρίας φαίνεται να μην εξαρτάται από την ενέργεια και το ρυθμό δόσης, σε αντίθεση με αντίστοιχα δοσίμετρα βασισμένα στη ζελατίνη. Παρά την πιθανή επίδραση της θερμοκρασίας, της υπεριώδους ακτινοβολίας, και τοπικών ψευδοσημάτων απεικόνισης, το μελετώμενο δοσιμετρικό σύστημα φαίνεται να αποτελεί εξαιρετική επιλογή για τη σχετική δοσιμετρία ακτίνων x χαμηλών/μεσαίων ενεργειών.