Characterization and Clinical Application of Normoxic Polymer Gel in Radiation Therapy Dosimetry

Abstract

Cancer is one of the main causes of death in the world, particularly in developing countries and is considered as a major public health problem. Radiation therapy has been an important modality for treatment of cancer for many decades. It can be used as a sole treatment modality or in combination with for example surgery, chemotherapy, hormone therapy and/or immune therapy. It has been calculated that 52% of all cancer patients, at least once during their illness, would benefit from external beam radiation therapy. The purpose of radiation therapy is to deliver an accurate and homogenous absorbed dose of radiation to the tumour sufficient to either cure the patient or to shrink the tumour for pain relief. To reduce the probability of complications the absorbed dose to surrounding normal tissue should be minimized. For a successful outcome of the treatment it is therefore crucial to deliver geometrically and dosimetrically precise absorbed dose distributions. Polymer gel dosimetry has successfully been used in several studies for evaluation of the dosimetry in clinical situations and geometries. Measured absorbed dose distributions can be evaluated in three dimensions with high spatial resolution. For absorbed dose verification of clinical high energy photon beams, other great advantages of polymer gel dosimeters include negligible dependence on beam quality and near radiological soft tissue equivalence. The complete treatment chain, which involves CT-scanning, treatment planning and absorbed dose delivery, can be verified. A complete volume can be simultaneously evaluated and the gel-filled phantom can be anthropomorphically shaped. Nevertheless, gel dosimetry is still at times considered to be a research project and not a fully established clinical dosimetry system.



In this thesis a ?good practice strategy? on how to use normoxic polymer gel dosimetry for the measurement of absorbed dose in the clinical radiation therapy setting was suggested. The recommendations were based on estimation and evaluation of the uncertainties in normoxic polymer gel dosimetry, performed in accordance with an accepted standard. To achieve the above and to facilitate clinical use of the dosimeter an image processing software was designed and developed to be used for all steps in polymer gel dosimetry. Furthermore, the absorbed dose integrating property was investigated for three different normoxic polymer gel dosimeters as part of the overall uncertainty evaluation. For all three systems the absorbed dose response was found to be dependent on the fractionation scheme. The feasibility of using normoxic polymer gel dosimetry for complete relative absorbed dose verification was investigated. The clinical applications of polymer gel dosimetry together with a point-based dosimeter for normalization of relative absorbed dose distributions were evaluated and were found to be of great value. Further, a low-density normoxic polymer gel dosimeter that can be used to simulate lung tissue was developed.



Using the proposed "good practice strategy" the combined standard uncertainty for gel dosimetry was found to be comparable to corresponding figures for other detector systems.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Varje år diagnostiseras över 50 000 nya cancerfall i Sverige varav drygt hälften botas. Sedan början på 1970-talet har cancer blivit allt vanligare. Ökningen beror delvis på att vi blivit allt äldre - cancer är en ålderssjukdom. Dödligheten har däremot varit ganska konstant under en längre tid eftersom diagnostik och behandling av cancer har förbättrats.



De vanligaste behandlingsmetoderna är kirurgi, strålbehandling, cytostatika (cellgift) och hormonbehandling. Ofta används flera behandlingsmetoder i kombination. Uppskattningsvis behandlas ungefär hälften av alla cancersjuka i Sverige med strålbehandling någon gång under sin sjukdomstid vilket i sin tur betyder att var femte svensk (!) får strålbehandling någon gång under sitt liv. Ibland är strålbehandling som ensam behandlingsform tillräcklig för att bota cancer, men oftast används den i kombination med någon annan behandlingsform. Strålning kan också användas för att lindra besvären från en cancer som inte går att bota, så kallad palliativ behandling.



Redan i slutet av 1800-talet började man använda strålbehandling för att behandla cancer. Sedan dess har behandlingsteknikerna ständigt utvecklats. Syftet med all strålbehandling är att ge en tillräckligt hög stråldos till tumören samtidigt som stråldosen till omkringliggande frisk vävnad och organ hålls så låg som möjligt. För hög stråldos till frisk vävnad kan ge såväl akuta biverkningar, som förlamningar, illamående, trötthet och hudirritation. På längre sikt kan man få effekter på t ex hud och blodkärl i form av minskad elasticitet och funktion. Vid behandling av unga patienter är det också viktigt att begränsa stråldosen till organ och vävnader utanför tumörvolymen på grund av risken för en sekundär cancer längre fram i livet ? även om denna risk är liten. Utveckling av nya behandlingstekniker gör att behandlingsresultaten blir bättre samtidigt som biverkningarna blir allt färre. Med de nya teknikerna kan man bättre forma stråldosen runt tumören. Med hjälp av så kallade flerbladskollimatorer som består ett stort antal centimeterbreda blylameller som kan flyttas oberoende av varandra, får strålfälten önskad form. Vid vissa behandlingar kan stavarna flyttas under behandlingen, vilket gör det möjligt att variera stråldosen i fältet. Med hjälp av ny diagnostikteknik (datortomografi, PET/CT, magnetresonansavbildning mm) kan man bestämma exakt var man vill stråla. Även små störningar i tekniken kan få stora konsekvenser för behandlingen. Det är därför viktigt att kontrollera att blylamellerna rör sig som det är tänkt, och att man uppnår den planerade dosfördelningen i patienten. Man måste undvika såväl över- som underdosering i behandlingsområdet. Att inte ge för hög dos kan kännas självklart framförallt till den friska vävnaden. Det är lika viktigt att inte ge för låg dos till tumörvolymen, eftersom det kan innebära att man inte uppnår det önskade behandlingsresultatet.



För att veta att det blir som man planerat, måste man göra kontrollmätningar av stråldosen. I de fall då tumören är placerad i närheten av någon av kroppens naturliga håligheter kan en dosmätare (dosimeter) placeras där. Detta gör man t ex vid behandling av cancer i näsa, mun, mat- eller luftstrupe. I de flesta övriga fall placeras en detektor på huden mellan strålkällan och tumörvolymen. Med hjälp av den stråldos man mäter där kan man sedan räkna ut stråldosen till tumören.



När det gäller nya och ändrade behandlingstekniker måste man kontrollera själva behandlingstekniken innan patienten kommer för behandling. Detta kan utföras med hjälp av en modell av patienten, t ex en plastavgjutning av en del av kroppen (jämför en skyltdocka). I plastmodellen görs ett antal hål där detektorer placeras. Gemensamt för dessa sätt att kontrollera stråldosen är att man får ett mått på dosen i den eller de punkter där man placerat dosimetern/dosimetrarna. Stråldosen utanför och runt dessa punkter får man inget mått på.



Med geldosimetern kan man mäta stråldosen i en hel volym i stället för i en eller flera punkter. Den ofärgade gelen hälls i en plastavgjutning av en kroppsdel. I gelen finns så kallade monomerer. Vid bestrålning bryts kemiska bindningar hos monomererna och de bildar långa kedjor, så kallade polymerer (processen kallas polymerisation). De delar av gelen där polymerisation har skett, dvs. bestrålade delar, syns med blotta ögat som vita områden. De syns också på magnetresonansbilder (MR-bilder) på grund av att de magnetiska egenskaperna förändras av polymerisationen. MR-bilden ger alltså en bild av hur dosfördelningen verkligen ser ut för just den här ?behandlingen?. MR-bilden ger i motsats till ögat också kvantitativ information om stråldosens storlek.



I denna studie har geldosimetern både utvecklats och använts för att kontrollera kliniska strålbehandlingar. Grundläggande studier av geldetektorns dosrespons då den totala stråldosen levererats i olika stora delar har utförts. Att dela upp den totala stråldosen i delar motsvarar då man använder geldetektorn för att kontrollera behandlingar med flera fält, för att bygga upp stråldosen till tumören. Geldetektorn har använts för kontroll av såväl s.k. intensitetsmodulerad strålbehandling där flerbladskollimatorer användes för att ge strålfältet önskad form och intensitet som stereotaktisk behandling av kärlmissbildningar i hjärnan. Stereotaktisk behandling innebär att man precisionsbehandlar (prickskjuter), med många små korsande strålfält. För att vara säker på att verkligen träffa rätt så används särskild utrustning för att spänna fast patienten under behandlingen. En geldosimeter med lägre densitet har utvecklats. Denna typ av gel kan potentiellt användas för att mäta stråldos till lungvävnad. I studien ingår också en analys av mätosäkerheterna då man använder geldosimetern. En "kokbok" med förslag om hur gelen ska blandas, användas och utvärderas sammanställdes med analysen av mätosäkerheterna som grund.

• author: Karlsson, Anna
• supervisor: Sven Bäck; Helen Gustafsson
• opponent: Dr, Chief Physicist, Adjunct Associate Professor Schreiner, L John, Kingston General Hospital, Kingston, Ontario, Canda
• organization: Medical Radiation Physics, Malmö (research group)
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: 3D dose verification, uncertainties, low-density gel, fractionation dependence, characterization, normoxic gel, polymer gel dosimetry, MRI, Physics, Fysik
• pages: 58 pages
• defense location: Rum 2005, plan 2 Diagnostiskt centrum Universitetssjukhuset MAS, Malmö
• defense date: 2007-10-19 10:15:00
• ISBN: 978-91-628-7244-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ddfe7edf-3e52-4cfc-9c2b-5ec21021bbea (old id 598980)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:09:20
• date last changed: 2018-11-21 21:03:00