Utvärdering av OSL-system - nanodot

2013-12-04 Medicinskt servicecentrum Medicinsk fysik och teknik MFTr 2013/6 Medicinsk fysik Utvärdering av OSL-system - nanodot Sofia Åkerberg Henrik Bertilsson MFTr 2013/3 Sida 1

Innehållsförteckning UTVÄRDERING AV OSL-SYSTEM - NANODOT... 1 INNEHÅLLSFÖRTECKNING... 2 METOD... 3 JÄMFÖRELSE MELLAN JONKAMMARE OCH OSL (NANODOTS)... 3 Jonkammarmätning... 3 HVL-mätning... 3 OSL-mätning... 4 DOS EFTER NOLLNING... 4 DOSMÄTNING C-BÅGE... 5 Mätning av spridd strålning på C-bågens arm... 5 Mätning av spridd strålning till ögonhöjd... 5 MÄTNING PÅ I-131... 6 UNDERSÖKNING AV DOSLINJARITET... 7 UNDERSÖKNING AV FADING... 8 RESULTAT... 9 JÄMFÖRELSE MELLAN JONKAMMARE OCH OSL (NANODOTS)... 9 DOS EFTER NOLLNING... 10 DOSMÄTNING C-BÅGE... 10 MÄTNING AV I-131... 11 UNDERSÖKNING AV DOSLINJARITET... 12 UNDERSÖKNING AV FADING... 13 VINKELBEROENDE RÖNTGENENERGIER... 16 ÖVRIGT ATT TÄNKA PÅ... 18 MFTr 2013/3 Sida 2

Metod Jämförelse mellan jonkammare och OSL (nanodots) Jonkammarmätning En av SSM kalibrerad jonkammare placerades centralt i primärstrålfältet. Avståndet mellan röntgenröret och kammarens centrum var ungefär lika stort som avståndet mellan röntgenröret och OSL-dosimetrarna (i detta fall 93,5 cm). Häl-effekten togs i beaktning, vilket i praktiken innebar att jonkammaren placerades vinkelrätt mot röntgenröret, se Figur 1. I steg om 20 kv varierades spänningen från 40 kvp till 100 kvp. Även filtreringen varierades i steg om 1 mm Al, från 0 mm till 3 mm, medan mas och ma hölls konstanta på 100 mas respektive 200 ma under mätningarna. Med hjälp av jonkammarens kalibreringsfaktor samt temperatur- och tryckkorrektion beräknades sedan dosen för varje strålkvalitet. Figur 1: Uppställning jonkammarmätning. HVL-mätning RTI:s Piranha placerades i primärstrålfältet enligt Figur 2. Samma ma och mas som tidigare användes och återigen varierades spänningen i steg om 20 kv. Förutom den tidigare nämnda filtreringen så varierades även en tilläggsfiltrering från 0 mm Al upp till den tjocklek som krävdes för att programvaran Ocean skulle kunna beräkna ett HVL-värde för respektive strålkvalitet. De erhållna värdena på strålkvaliteternas HVL exporterades därefter till Excel och med hjälp av tabell från NIST 1 linjärinterpolerades de effektiva energierna i kev fram. 1 http://physics.nist.gov/physrefdata/xraymasscoef/elemtab/z13.html MFTr 2013/3 Sida 3

Figur 2: Piranhans placering vid mätning av HVL. OSL-mätning Alla OSL-dosimetrarna nollades samt numrerades med siffrorna 1-10. Dosimetrarnas referensnummer skrevs därefter in i Excelarket. Innan första exponering, samt mellan varje nollning och exponering, lästes varje dosimeter ut 5 gånger. Dosimetrarnas erhållna dos skrevs in i förberedda tabeller i Excel. Mellan varje avläsning togs dosimetrarna ut ur hållaren och placerades på nytt i hållaren, detta enligt instruktionen från leverantören. Figur 3: Placering av OSL-dosimetrarna vid bestrålning. Dos efter nollning Det upptäcktes att en ökad energi och/eller en ökad totaldos gav upphov till ett högre dosvärde på dosimetrarna efter nollning. För att kunna avgöra om detta var knutet till den ökade energin eller den ökade dosen bestrålades nanodotsen dels en gång med en högre spänning på 100 kvp och dels upprepade gånger med en lägre spänning (40 kvp) för att på så sätt erhålla ungefär samma totaldos. I praktiken utfördes detta enligt följande: MFTr 2013/3 Sida 4

Alla dosimetrar nollades först två gånger innan varje dosimeter lästes ut 5 gånger. Därefter bestrålades dosimetrarna på samma sätt som tidigare en gång med följande inställningar: 100 kvp, 1 mm Al, 100 mas och 200 ma. Dosimetrarna lästes därefter ut för att säkerställa att alla dosimetrarna hade erhållit någorlunda samma dos. Efter en nollning lästes återigen varje dosimeter ut. I nästa steg bestrålades dosimetrarna 6 gånger. Denna gång användes spänningen 40 kvp, i övrigt användes samma filtrering, mas samt ma som innan. Efter både andra och fjärde bestrålningen utfördes stickprovsmätningar för att kontrollera att dosimetrarna erhöll den dos som önskats. Efter det sjätte och sista bestrålningstillfället lästes alla dosimetrarna ut innan de nollades en gång innan de sista utläsningarna utfördes. Dosmätning C-båge Mätning av spridd strålning på C-bågens arm Jonkammare, Piranhans dosprobe samt fyra stycken OSL-dosimetrar placerades centralt på C-bågens arm enligt Figur 4. Dessutom placerades 20 cm plexiglas mellan bildförstärkaren och röntgenröret för att simulera en patient, dvs. ge upphov till spridd strålning. Dosautomatik användes och mättiden/exponeringen var 60 respektive 37 sekunder. Figur 4: Mätuppställning för mätning av spridd strålning i C-båge. Mätning av spridd strålning till ögonhöjd Jonkammare, Piranhans dosprobe samt fyra stycken OSL-dosimetrar placerades på jonkammarens hållare enligt Figur 5. Hela uppställningen placerades därefter på ungefärlig ögonhöjd (ca 165 cm ifrån golvet) och 20 cm plexiglas placerades mellan bildförstärkaren och röntgenröret för att simulera en patient, dvs. ge upphov till spridd strålning. Dosautomatik användes och mättiden/exponeringen var 120 sekunder. MFTr 2013/3 Sida 5

Figur 5: Mätuppställning för mätning av spridd strålning till ögonhöjd. Mätning på I-131 Då de använda OSL-dosimetrarna är kalibrerade för röntgenenergier behövs en kalibreringskurva tas fram för att dosimetrarna ska kunna användas för att till exempel mäta stråldoser från nuklider. I-131 har en ungefärlig gammaenergi på 365 kev och borde då, enligt data från Landauer, resultera i att den avlästa dosen är ungefär en faktor 3 mindre än den egentliga dosen. För att undersöka om detta stämmer beräknades först teoretiska doser på fyra avstånd från en glasvial med I-131 enligt följande ekvation: Där D är dosen i msv, A är jodets uppmätta aktivitet i MBq, t är bestrålningstiden i timmar, γ är gammakonstanten (6,36 x 10-5 msv/h) på avståndet 1 meter 2 (från en glasvial) och l är avståndet i meter mellan strålkällan och aktuell dosimeter. De 20 stycken dosimetrar som skulle användas nollades och lästes ut innan de placerades i plastfickor och märktes upp enligt Figur 6 nedan. Plastfickorna fästes i sin tur på gem som placerades ut på fyra bestämda avstånd (0,5, 1, 1,5 och 2 m) ifrån strålkällan. Hänsyn till att dosimetrarna ej skulle skymma varandra togs i möjliga mån, se figuren till vänster nedan. Totalt placerades fem stycken dosimetrar på varje avstånd. Därefter exponerades dosimetrarna i 80 min (1 h och 20 min). Jodets aktivitet uppmättes till 3,13 GBq strax före bestrålningen och ingen aktivitetskorrigering gjordes pga. jodets långa halveringstid (T 1/2 = 8,0 dygn) i förhållande till bestrålningstiden (0,056 dygn). 2 http://www.nuc.berkeley.edu/sites/default/files/radionuclide_data_handbook.pdf MFTr 2013/3 Sida 6

Figur 6: Försöksuppställning vid mätning av dos från I-131. Efter bestrålningen lästes varje dosimeter ut fem gånger och utifrån de erhållna dosvärdena beräknades en medeldos fram för varje dosimeter. Det erhållna värdet subtraherades med dosimeterns dos före bestrålningstillfället och avslutningsvis togs ett medelvärde av de fem dosimetrarna på varje avstånd fram (=medeldos för respektive avstånd). Undersökning av doslinjaritet 20 nanodot-dosimetrar nollades, lästes ut och placerades enligt Figur 7, på avståndet 93,5 cm från röntgenrörets fokus. Spänningen 60 kvp och strömmen 200 ma hölls konstanta under försöket, medan mas:en varierades enligt schemat i Tabell 1. Efter varje exponering plockades två dosimetrar bort enligt numreringarna i Figur 7. Efter exponeringarna lästes dosimetrarna ut fem gånger vardera och medelvärden för de erhållna doserna beräknades. 1 2 5 4 3 6 7 10 9 8 Figur 7: OSL-dosimetrarnas placering samt gruppering. MFTr 2013/3 Sida 7

Tabell 1: Schema över exponeringarna vid undersökning av OSL-dosimetrarnas doslinjaritet. Gruppnummer mas/exponering mas-exponering Antal bestrålade OSLD 1 4 4 20 2 4 8 18 3 4 12 16 4 4 16 14 5 8 24 12 6 16 40 10 7 32 72 8 8 64 136 6 9 125 261 4 10 250 511 2 Undersökning av fading Två bestrålade nanodots med en ungefärlig dos på 25 msv samt två precis nollade nanodots lästes ut fem gånger vardera och placerades därefter i ett kuvert på ett kontor för avläsning ungefär var sjunde dag under totalt 75 dagar. Vid varje avläsningstillfälle lästes respektive dosimeter ut fem gånger och doserna noterades i Excel innan dosimetrarna återigen placerades i kuvertet på kontoret. MFTr 2013/3 Sida 8

Resultat Jämförelse mellan jonkammare och OSL (nanodots) Som kan ses både i Tabell 2 samt i Figur 8 skiljer det maximalt ca 12 % mellan mätningarna utförda med jonkammare och mätningarna som är gjorda med OSL-dosimetrarna, vilket överensstämmer rätt så bra med leverantörens uppskattade energiberoende på ±10 % för röntgenenergier mellan 70 och 140 kvp 3 samt med deras uppskattade mätosäkerhet på ±5 % för nanodots kalibrerade för röntgenenergier. Slutsatsen man kan dra av detta är att det medför onödigt extraarbete att energikorrigera doserna uppmätta med OSL-dosimetrar för de energier som används vid röntgenverksamheten. Man bör dock vara medveten om att nanodotsen enligt leverantören har en lägsta detektionsgräns, LLD, på 0,1 msv. Tabell 2: Kvot och avvikelse mellan mätningar utförda med OSL samt jonkammare. HVL (mm Al) Eff. En (kev) Jonk./OSL Avvikelse 1,0 24,0 0,89 12,8 % 1,4 26,7 0,91 9,8 % 1,5 27,3 0,94 6,1 % 1,6 28,0 0,91 10,2 % 1,8 28,7 0,94 6,8 % 1,8 28,8 0,98 2,6 % 1,9 29,2 0,97 3,6 % 2,3 30,0 1,01-1,1 % 2,4 31,2 0,93 7,9 % 2,5 32,1 1,01-1,3 % 2,8 33,9 0,99 1,1 % 3,1 35,5 1,03-2,6 % 3,1 35,6 1,07-6,1 % 3,7 37,7 1,05-4,5 % 3,9 38,4 1,12-11,1 % 4,6 40,2 1,14-12,4 % 3 http://www.landauer.com/uploadedfiles/inlight_nanodot_fn.pdf MFTr 2013/3 Sida 9

Figur 8: Kvot mellan mätningar utförda med OSL respektive jonkammare med avseende på den effektive energin i kev. Dos efter nollning Eftersom de erhållna medeldoserna efter nollning blev ungefär samma oavsett om dosimetrarna bestrålats en gång eller flera gånger för att erhålla samma totaldos, se Tabell 3, kan man dra slutsatsen att det är dosen till dosimetrarna och inte den använda energin som avgör hur mycket dos som finns kvar efter nollning vid röntgenenergier. Detta gör det olämpligt att använda samma dosimetrar vid mätning av röntgenenergier som vid mätning av de energier som används vid strålterapi. Tabell 3: Erhållna medelvärden vid undersökning av dosimetrarnas beroende av dos eller energi. Använd strålkvalitet Erhållen medeldos (msv) Medeldos efter nollning (msv]) 40 kvp, 1 mm Al 12,11 0,056 100 kvp, 1 mm Al 11,93 0,053 Dosmätning C-båge Tyvärr visade sig mättiderna vara för korta för att ett ordentligt resultat skulle kunna erhållas. Erhållna mätvärden kan dock ses i Tabell 4 nedan. Det man däremot kan konstatera är att doserna i dessa fallen var lägre än lägsta detekterbara dosgränsen för OSL-dosimetrarna (0,1 msv). MFTr 2013/3 Sida 10

Tabell 4: Erhållna mätresultat vid mätning av spridd strålning från C-båge. Mätpunkt Mättid (s) Jonkammare (msv) Piranha (msv) OSL (msv) DAP (Gycm 2 ) Arm c-båge 37 0,0044 0,0040 0,0466 1,2526 Arm c-båge 60 0,01144 0,0087 0,0488 2,1062 Ögonhöjd 120 0,02024-0,0467 4,0719 Mätning av I-131 De beräknade och de erhållna doserna kan ses i Tabell 5 nedan. Som förväntat visade OSLdosimetrarna ungefär en faktor 3 lägre dos än beräknat, oavsett avstånd, vilket resulterade i en kalibreringsfaktor på ungefär 0,34. Tabell 5: Erhållna och beräknade doser samt beräknade kvoter vid mätning av I-131. Avstånd (m) Beräknad Uppmätt Beräknad dos/ Kalibreringsfaktor dos (msv) dos (msv) uppmätt dos (uppmätt dos/beräknad dos) 0,5 1,062 0,31 3,4 0,29 1 0,265 0,09 3,0 0,33 1,5 0,118 0,04 2,7 0,36 2 0,066 0,03 2,6 0,38 Medel: 3,0 0,34 Figur 9: De uppmätta samt beräknade doserna som funktion av avståndet från strålkällan. MFTr 2013/3 Sida 11

Figur 10: De erhållna kvoterna mellan de beräknade doserna och de uppmätta doserna, samt korrektionsfaktorerna som funktion av avståndet från strålkällan. Undersökning av doslinjaritet Inom det uppmätta dosintervallet (0,396 msv till 52,316 msv) kan dosimetrarna anses vara linjära mot dosen, se Figur 11 nedan. Det kan även konstateras att variationskoefficienten överlag minskar en aning med en ökad dos. Figur 11: Undersökning av OSL-dosimetrarnas doslinjaritet. MFTr 2013/3 Sida 12

Tabell 6: Erhållna medeldoser och standardavvikelser vid de olika mas-nivåerna. Medeldos Total mas Standardavvikelse Variationskoefficient [msv] 0,396 4 0,017 4,40 % 0,755 8 0,012 1,58 % 1,009 12 0,011 1,11 % 1,557 16 0,019 1,23 % 2,422 24 0,027 1,13 % 4,108 40 0,029 0,72 % 6,828 72 0,038 0,55 % 11,715 136 0,090 0,77 % 24,919 261 0,344 1,38 % 52,316 511 0,180 0,34 % Undersökning av fading Som kan ses i Figur 13 ackumulerar dosimetrarna en dos, högre än lägsta detekterbara dosen (LLD=0,1 msv) då den utsätts för den naturliga bakgrundsstrålningen under en längre tid. Detta visar på att det är viktigt att inte slarva med att dels nolla och läsa ut dosimetrarna före användning samt att alltid mäta bakgrunden vid personalmätningar och dyl. Dosimetrarna uppvisar tendens till fading på ett par procent per vecka. Detta är någonting som kan anses vara lämpligt att korrigera för vid långa mätningar. Dessutom påverkar antalet utläsningar osäkerheten i utlästa dosen, då signalförlusten per utläsning enligt leverantören ligger på 0,2 % och dosimetrarna dessutom har lästs ut fem gånger per avläsningstillfälle. MFTr 2013/3 Sida 13

Figur 12: Uppmätt medeldos för de bestrålade dosimetrarna, plottat mot dagen för avläsning efter bestrålningstillfället. Tabell 7: Medeldoserna, standardavvikelserna, variationskoefficienterna samt dosskillnaderna för de bestrålade dosimetrarna. Dag efter Medeldos Standardavvikelse Variationskoefficient bestrålning [msv] 1 24,923 0,344 1,38 % Total dosskillnad Dosskillnad från föregående mätning 7 23,931 0,197 0,82 % -4 % -4 % 14 23,075 0,215 0,93 % -7 % -4 % 21 22,877 0,193 0,84 % -8 % -1 % 55 21,619 0,212 0,98 % -13 % -5 % 61 20,991 0,162 0,77 % -16 % -3 % 69 20,381 0,112 0,55 % -18 % -3 % 75 20,577 0,163 0,79 % -17 % 1 % MFTr 2013/3 Sida 14

Figur 13: Ackumulerad medeldos för bakgrundsdosimetrarna plottade mot tiden i dagar efter nollningstillfället. Tabell 8: De ackumulerade medeldos för bakgrundsdosimetrarna med standardavvikelser, variationskoefficienter och dosförändringar. Dag efter Medeldos Standardavvikelse Variationskoefficient nollning [msv] 1 0,042 0,004 10,73% Total dosförändring Dosförändring föregående 7 0,043 0,003 7,20 % 3 % 3 % 14 0,052 0,005 9,31 % 26 % 22 % 21 0,062 0,004 6,32 % 50 % 19 % 55 0,092 0,004 4,54 % 121 % 48 % 61 0,098 0,005 5,29 % 135 % 6 % 69 0,104 0,007 6,54 % 150 % 7 % 75 0,110 0,006 5,80 % 165 % 6 % MFTr 2013/3 Sida 15

Vinkelberoende röntgenenergier Al Senan och Hatab studerade i artikeln Characteristics of an OSLD in the diagnostic energy range 4 dosimetrarnas vinkelberoende vid röntgenenergier. Åtta olika vinklar med 45 intervall användes; 0 definierades som att serienumret riktades rakt mot strålfältet och 180 då qr-koden riktades rakt mot strålfältet. Dosimetrarna vreds enligt Figur 14. Figur 14: Placering av nanodotsen vid 0 respektive 180. Pilarna visar hur dosimetrarna roterades vid försöken. Vid konventionell röntgen studerades vinkelberoendet både med och utan spridande material (PMMA-block med måtten 25,4x25,4x2,54 cm) och följande inställningar användes: 80 kvp/200 mas och 120 kvp/200 mas. Vinkelberoendet vid CT studerades genom att dosimetrarnas placerade i isocentrum med tejp, se Figur 15. Återigen användes 45 vinkelintervall, enligt samma struktur som ovan. Följande parametrar användes: 80 kvp/500 mas och 120 kvp/400 mas. Figur 15: Dosimetrarnas placering i isocentrum vid undersökning av vinkelberoendet vid CT-användning. De erhållna doserna normaliserades till doserna som erhölls vid vinkeln 0⁰ (serienumret mot strålfältet). Störst avvikelse erhölls vid 90⁰ för konventionell röntgen med det bakåtspridande materialet (ca 20%), medan variationerna var aningen mindre vid mätningarna utförda fritt i luft (-5% +15%). 4 R.M. Al Senan & M.R. Hatab, Charecteristics of an OSLD in the diagnostic energy range, Med Phys. 38(7), July 2011, p. 4396 MFTr 2013/3 Sida 16

Vinkelberoendet vid användning av CT visar sig ge variationer minde än 10%. Detta oavsett om dosimetrarna roterades i x/y- eller z-led. Figur 16: Dosimetrarnas vinkelberonden vid olika energier. Figur (a) visar vinkelberoendet vid mammografi, figur (b) & (c) visar vinkelberoendet vid konventionell röntgen och figur (d) & (e) visar beroendet vid CT. MFTr 2013/3 Sida 17

Övrigt att tänka på - Detekterbart dosintervall (enligt tillverkaren 5 ): 0.05 msv - 10 Sv för röntgenenergier (5 kev- 40 MeV). Troligtvis efter subtraherad bakgrund och/eller utläst dos före mätning/efter nollning. - Lower Limit of Detection (LLD): 0,1 msv 6 - Non-destructive read out (dock -0,2% 7 i signalförlust per utläsning) - 8-10 minuter lång stabiliseringstid efter exponering. - Persondosekvivalent (H p 0,07) 5 http://www.landauer.co.uk/documents/ft-sgd-001revc.pdf 6 http://www.landauer.com/uploadedfiles/inlight_nanodot_fn.pdf 7 http://rpc.mdanderson.org/rpc/services/osl_services/osl_tech.htm MFTr 2013/3 Sida 18