Dosimetri i brachyterapi Taran Paulsen Hellebust Radiumhospitalet Statens

Dosimetri i brachyterapi Taran Paulsen Hellebust Radiumhospitalet / Statens strålevern

Disposisjon • • • Hva er brachyterapi? Ulike kilder Angivelse av kildestyrke Kalibrering av kilder i brachyterapi Dosefordeling rundt kilden – Tradisjonell – TG 43

Brachyterapi anno 1900 • Madame Curie oppdaget radioaktiv stråling fra 226 Ra i 1898 • Det ble raskt oppdaget at denne strålingen hadde en effekt på vev • Ikke lenge etter startet man å bruke disse kildene til å behandle kreft

Brachyterapi • Brachy = nær • Legger radioaktive kilder i eller i nærheten av målvolumet • Benytter kroppens naturlige hulrom; cervix, oesophagus ol. – endocavitær • Nåler i vevet – interstitsiell brachy

Åpne og kapslede kilder • I brachyterapi benyttes kapslede kilder. De kan foreligge som nåler, tråder eller små lineære kilder. Kapsling kan være av stål, gull eller platina og virker som betafilter og forhindrer kontaminering (gass, fragmenter) • Åpne kilder brukt i terapi 131 I administreres oftest av nukleærmedisinske avdelinger. Åpne kilder brukes også mye i forskning.

Radium-226 • Minst 49 fotoner emitteres med energi fra 0. 18 til 2. 45 Me. V - krever mye skjerming • Middelenergi 0. 83 Me. V ved likevekt og med 0. 5 mm platina filter • - og -komponentene blir absorbert i kapselen • Datterisotop en radioaktiv gass strålehygienisk problem

Radiumkilde

Radiumkilder

Cesium-137 • Kilden kapslet i rustfritt stål • Trenger mindre skjerming enn ved radium • Halveringstid 30. 2 år • Monoenergetisk 0. 662 Me. V • Forholdet mellom eksposisjon i vann og luft radielt fra kilden er lik for 226 Ra og 137 Cs. Forskjeller på endene (filtreringseffekt)

Cobolt-60 • Høyere spesifikk aktivitet mindre kilder • Kort halveringstid - 5. 26 år • Emitterer to fotonenergier på 1. 17 og 1. 33 Me. V • Lite brukt i moderne brachyterapi

Iridium-192 • Blanding av 30 % Ir og 70% Pt • Kan produseres som små kilder, wire eller nåler • Mindre skjerming • Kort halveringstid: 74. 2 dager • Komplekst spekter! Vanskelig dosimetri

Iridiumspekteret Meigooni et al PMB 1988

Endring av Iridiumspekteret ved ulik avstand fra kilden i vann og polyesteren Meigooni et al PMB 1988

Iod-125 • Benyttes til permanente implantater • Henfaller ved elektron innfanging til eksitert tilstand av 125 Te. Til grunntilstanden ved utsendelse av 35. 5 ke. V foton. Karakterisktisk stråling i området 27 til 35 ke. V. • Tilstedeværelse av titan og sveisingene gir anisotropiproblemer

Palladium-103 • Benyttes til permanente implantater • Henfaller ved elektron innfanging og sender ut fotoner med energi i området 20 til 23 ke. V og Auger-elektroner • Tilstedeværelse av blymarkører og sveisingene gir anisotropiproblemer

Det er en rekke I-125 og Pd-103 kilder tilgjengelig på markedet…. Pass på å benytte riktig dosimetrsik datasett!!! Jack Venselaar

Oppsummering

Nye kilder i brachy • Ytterbium 169: – – Middelenergi 93 Ke. V Halveringstid 32 dager Høy spesifikk aktivitet Kan benyttes både ved LDR og HDR • Cesium 131: – Middelenergi 21 Ke. V – Halveringstid 9. 7 dager

Hvordan skal kildestyrken angis? Vanskelig å lese dokumentasjon!!!

Hvordan skal kildestyrken angis? • Tradisjonelt har det blitt benyttet aktivitet • Aktivitet er definert som antall desintegrasjoner pr. tidsenhet 1 desintegrasjon pr. sekund = 1 Bq 1 Ci = 3. 7 · 1010 Bq

Hvordan skal kildestyrken angis? • Det anbefales å spesifisere kilden i kermarate i luft i 1 meter, kalles referansekermarate • SI-enhet er Gys-1, men bruker μGyh-1 for LDR og μGys-1 eller m. Gyh-1 for HDR

Luftkerma for brachy hvor g 0 fordi Eksposisjon – ladning pr. masse-enhet Energi-fluens Midlere energi abs. pr. ladningsenhet Masseenergiabs. koeff.

Eksposisjonsratekonstanten sammenhengen mellom eksposisjon og aktivitet

Eksposisjonsratekonstanten • Er vanskelig å finne, er avhengig av gode spektrometiske data, vil avhenge av kildens form og veggmateriale • For Iridium-192 har dette vært et problem. Det figurer ulike konstanter forskjellige leverandører • Det anbefales derfor å måle eksposisjon eller luftkerma direkte. Den måles ofte i 1 meter fra kilden

Luft-kerma styrke – uavhengig av avstanden SK = K l l 2 Enhet 1 U = 1μGym 2 h-1 = 1 c. Gycm 2 h-1

’Apparent activity’ = målt eksposisjon i 1 m / ufiltrert kilde i 1 m Radium-ekvivalent

Kalibrering av brachykilder AAPM Task Group 40 (TG 40): ”Each institute planning to provide brachytherapy should have the ability to independently verify the source strenght provided by the manufacturer”

Sporbarhet til PSDL IAEA-TECDOC-1274

Hver kildetype må kalibreres IAEA-TECDOC-1274

Kalibreringsmetoder på PSDL • 137 Cs, 60 Co, 192 Ir (LDR) – Sværiske kavitets kammer (med grafitt eller aluminiumsvegger) ref. Loftus et al J Res Nat Bur Stand 78 A (1974) 465 -476 og Loftus et al J Res Nat Bur Stand 85 (1980) 19 -25 • 192 Ir (HDR) – eksiterer ingen internasjonal standard – Ionisasjonskammeret må kalibreres ved hjelp etablerte eksterne strålekvalieter

Kalibreringsmetoder på PSDL, forts • Lavenergi-foton-emitterende kilder – 125 I, 103 Pd – NIST (USA) benytter Wide angle free air chamber (WAFAC), ref. ICRU rapport 64 – Lav energetisk karakt. x-ray (~4. 5 ke. V) fra Titankapsel har effekt på luftkalibrering, men har ingen effekt på dosen til vev ved en typisk behandlingsavstand på 1 cm – Etter januar 1999 ble disse fotonene filtrert bort standarden fra NIST ble endret 3 -7%!

Kalibreringsmetoder på PSDL, forts Internasjonal standard er å benytte dose til luft. Flere PSDL arbeider med standarder for dose til vann. Eks: Schneider et al. Towards a determination of the absorbed dose to water in water for low-energy photonemitting brachytherapy seeds Metrologia 44 (2007) 407 -414

Kalibreringsmetoder, SSDL og sykehus 1. Luftkalibrering med ionisasjonskammer • Kan ikke brukes for lavenergi-foton emitterende nuklider (125 I og 103 Pd) 2. Brønnkammer 3. Faststoff-fantom

Formalisme, luftkalibrering Luftkerma kan finnes ved KR = NK * Mu * kair * kscatt * kn *(d/ dref)2 Hvor NK er luftkerma-kalibreringsfaktoren for kammeret Mu måleavlesning korrigert for trykk, temp og rekomb. kair korreksjon for attn. av primære fotoner i luft kscatt korreksjon for spredt stråling fra tak, vegger etc. kn korreksjon for ikke-uniform elektronfluens i kammer d måleavstand, fra senter av kilde til senter av kammer dref referanseavstand 1 meter

Eksperimentelt oppsett

Kalibreringsavstand 1. 2. 3. 4. Fire effekter påvirker nøyaktigheten Usikkerhet pga effekten av størrelsen på kammeret. Avtar med økende avstand. Spredt stråling fra gulv, tak etc. relativt til målesignalet. Øker med økende avstand. Posisjonsusikkerhet. Følger avstandsloven. Avtar med økende avstand. Effekt av lekkasjestrøm. Øker med økende avstand Avstanden må være så stor at kilden kan oppfattes som punktkilde Kan kalibrere i flere avstander for å teste oppsettet

Korreksjon for spredt stråling • Måleutstyr settes midt i rommet, mist 1 meter over gulvet • To metoder: – Multiple distance method (Goetsch et al 1991), antar at faktoren er uavhengig av avstanden – Shadow shield method (Verhaegen et al 1992, Drugge 1995, Piermattei og Azario 1997)

Ikke-uniform korreksjonsfaktor • Når fotonene går gjennom indre vegg av ionisasjonskammeret genereres det sekundære elektroner • Ikke-uniform fluens av fotoner fører til ikke -uniform elektron fluens i luftkaviteten. • Korreksjonsfaktor avhengig av – – Dimensjon og form på kammer Måleavstand, kildegeometri (punkt, lineær) Materialet på den indre veggen av kammeret Energien på fotonene

Ikke-uniform korreksjonsfaktor

Korreksjon for attn. av primærstrålen i luft

Brønnkammer

Fast-stoff fantom

Doseberegning water distance d point source P

air point source air water point source water P distance d point source distance d P distance d water P

Dosefordeling rundt en lineær kilde i luft (ingen absorbsjon/spredning) P h d l lengde = l For et lite segment av den lineære kilden:

Kapslet kilde P h d T l lengde = L Det må tas hensyn til absorbsjon i kapselmaterialet. Eksposisjonsraten gitt av Sievert integralet:

Dosefordeling i vev/vann • Mange grupper har målt forholdet mellom eksposisjon i luft og vann som funksjon av avstanden fra kilden for en rekke nuklider • Resultatene spriker • Meisberger et al tilpasset et tredjegrads polynom til teoretiske og eksperimentelle data

Dose i vann/dose i luft Ref. Khan, The Physics of Radiation Therapy

’Dybdedosekurver’ for en punktkilde Ref. Khan, The Physics of Radiation Therapy

Dosefordeling rundt en lineær kilde Ingen filtrering, ingen spredning eller absorbsjon antatt. Anisotropi korreksjon: Topp: kun geometrikorreksjon Nedre venstre: Cs-137 kilde Nedre høyre: Ra-226 kilde

i 1995: Et ny formalisme ble foreslått AAPM-TG 43 formalisme

Doseberegning – TG 43 AAPM-TG 43 formalisme (unngå forvirring…) I dette eksemplet brukes aktivitet for å spesifisere kilden Tidligere, eksposisjonsratekonstanten for 192 Ir tabulert i litteraturen varierte fra 3. 9 - 5. 0 R. cm 2. m. Ci 1. h-1 Anta at en leverandør målte eksposisjons rate og regnet ut aktivitet ved bruk av omregningsfaktor 3. 9 Dersom en bruker benytter omregningsfaktor på 5. 0 for å regne tilbake til eksposisjonsrate: Et avvik på ca. 25% vil bli resultatet!

Doseberegning – TG 43 AAPM-TG 43 formalisme Doserate i vann for en sylindrisk kilde dosepunkt r q kilde

Doseberegning – TG 43 AAPM-TG 43 formalisme Air kerma strength for kildestyrke: Bassert på air kerma rate målinger ved stor avstand langs transversal aksen Angitt i U = c. Gy cm 2 h-1 kilde Ref. Punkt (1 cm, 90°)

Doseberegning – TG 43 AAPM-TG 43 formalisme Doserate konstant: Konverterer fra air kerma rate til doserate i vann i referansepunktet. Angis (måles) for hver kildetype. Den inkluderer derfor effekten av kildegeometri, innkapsling, selvfiltrering og spredning i vann. Målt i c. Gy h-1 U-1

Doseberegning – TG 43 AAPM-TG 43 formalisme Radiell dosefunksjon: Absorbsjon og spredning langs transversal aksen Normert til referansepunkt i 1 cm

Doseberegning – TG 43 AAPM-TG 43 formalisme Geometrifaktor: Uttrykker variasjon i relativ dose pga romlig fordeling av radioaktivt materiale. Tar altså ikke hensyn til absorpsjon og spredning.

Approksimasjon av G(r, θ) Punktkilde Lineær kilde 0 =0

Doseberegning – TG 43 AAPM-TG 43 formalisme Anisotropi funksjon: Anisotropi rundt kilden i spredematerialet

Hvor finner man TG 43 -data? ? ? AAPM-TG 43 formalisme Hver enkelt type kilde har et eget datasett: Monte Carlo beregninger og oppmålinger gir data for implementering i doseplansystem Eksempel:

Energifluens/h i 1 m fra 1 Ci kilde = Eksposisjonsratekonstanten – sammenhengen mellom eksposisjon og aktivitet

Eksempel, 60 Co 1. 00 1. 17 1. 33 0. 00270 0. 00261