3D printer in dosimetry and mammography – designing and testing an OSL dosemeter holder and a low contrast-detail phantom

Abstract

Introduction: Today, 3D printing is a versatile tool used in a wide range of fields. With the advent of more cost-effective fused deposition modelling (FDM) 3D printing technologies it is time to investi- gate what such a 3D printer has to offer in radiation science applications. This master thesis will inves- tigate if there is a possibility to use a FDM 3D printer to construct an optically stimulated lumines- cence dosemeter holder. Furthermore, the FDM 3D printer will also be used to construct and evaluate a low contrast-detail phantom, used for mammographic quality assurance (QA).

There is a wide range of materials used for 3D printing and different printing settings might affect the characteristic of the model. Thus, it is appropriate to benchmark some basic properties like Hounsfield Unit (HU), and effective atomic number (Zeff), depending on both material and print- ing properties. Passive personal dosemeters are commonly used for monitoring occupational exposure. This is a device that is worn at certain body part. Then, at regular intervals, the dosemeter is evaluated and an effective dose is determined. Many such passive dosemeters use either thermoluminescent (TL) or optical stimulated luminescence (OSL) dosemeter materials. NaCl can be used to obtain an OSL signal. NaCl is easily accessible and cheap, however it has a relatively high effective atomic number compared to tissue. Which lead to an overresponse compared to tissue for low energetic photons. The measured quantity in such dosemeters is called the personal dose equivalent, Hp(10), which is defined as the equivalent dose to tissue at a depth of 10 mm. Hp(10) can be calculated by adding filters to the dosemeter holder. Furthermore, the International Electrotechnical Commission (IEC) has specified recommendations of maximum under- and overestimation of the absorbed dose for personal doseme- ters that are commercially available. In mammography, contrast detail phantoms are used for QA of the clinical image. Com- mercially available phantoms are quite expensive, and not easily customisable for various research tasks. Hence, it is of interest to investigate the possible uses of a cost-effective 3D printer to create QA and research phantoms.

Methods: The materials that were investigated included PLA (polylactic acid), PMMA (Polymethyl methacrylate), TPU 95A (Thermoplastic polyurethane), Varishore TPU, PVA (Polyvinyl alcohol), and a PLA mixture of wood. Two different filling patterns were explored which result in two different printing patterns. Furthermore, the printing temperature of Varishore TPU and filling density of PMMA was investigated. In total, 18 cubes were printed. The printed cubes were imaged using a CT system to determine the Zeff.

A personal dosemeter was designed based on tests of the light transparency of the fila- ments. The dosemeter holder was constructed with four slots, where one of the slots was designed to measure Hp(10). The dosemeter was irradiated at angles of ±45° and 0° at energies of 40 keV and 662 keV for investigating the angular dependence.
For mammography, a low contrast detail phantom was designed using the same specifi- cations as a commercially available phantom. The prototype phantom was printed with two different filling methods that were imaged using a clinical mammography system. Contrast to noise ratio (CNR) was calculated and compared to the conventional phantom and the accuracy of the disk diameter was assessed.

Results and conclusion: There were no difference in term of HU and Zeff for the two different filling patterns. HU of tough PLA, PVA, PMMA and wooden filaments are within trabecular bone while Varishore TPU has a HU value similar to lung tissue. All 18 cubes had Zeff within the range 6.2≤ Zeff ≤6.8. TPU 95A showed some inconsistency in term of HU that need to be further investigated.

The angular dependence of the dosemeter holder was within IEC recommendations. However, Monte Carlo simulations are needed to determine proper filtering for the different slots. The 3D printed low contrast-detail phantom show roughly the same average CNR as the conventional phantom. However, the accuracy of the printer, using the current settings, is limited for disk objects with disk diameters below 1.78 mm. Thus, further benchmarking should be done for improving this accuracy and use a smaller printer nozzle. This MSc covers a broad field which demonstrates the strength of the 3D printer and that it is applicable in a wide range of fields.

Popular Abstract (Swedish)

Avancerade 3D skrivare är en etablerad teknologi och används inom många olika områden. Nu finns det möjligheter att 3D printa hus, proteser och även viss mat kan 3D printas. Detta visar att denna typ av 3D teknologi har en oerhörd bredd och potential. På senare tid har enklare 3D skrivare utvecklats för kommersiellt bruk. Detta har gjort att teknologin blivit mer lättillgänglig för allmänheten och di- verse Communitys på internet är både stort och aktivt. Med dessa mer tillgängliga 3D skrivare är det av intresse att undersöka vad de har att erbjuda inom medicinsk strålningsfysik.

De 3D skrivare som är kommersiellt tillgängliga idag skriver ut modellen linjevis i lager. Detta gör att osäkerheter introduceras och luft kan stängas in mellan linjerna. När joniserad strålning färdas genom materia sker växelverkan mellan strålningen och materian. I vilken grad denna växelverkan sker beror dels på strålningens energi, men även vad det är för material. Om det då finns luft instängd kommer detta påverka strålningens växelverkan i materialet. I detta arbete undersöks detta förhållande och hur olika utskriftsinställningar påverkar de radiologiska egenskaperna. Man brukar också prata om väv- nadsekvivalenta material. Detta är material som har ungefär samma radiologiska egenskaper som olika mänskliga vävnader. Detta är viktigt då man vill göra mätningar av effekten på biologisk vävnad eller simulera vissa anatomiska egenskaper i t.ex. bildtagning. Som exempel används plexiglas ofta då den växelverkar ungefär som mjuk vävnad. Vidare undersöks även vad en 3D printer kan användas för inom dosimetri och mammografi.

Dosimetri är läran om energideponeringen av den joniserande strålningen i materian. En av många rol- ler för en sjukhusfysiker är att ansvara för strålningssäkerheten där man kan förvänta sig en förhöjd strålningsmiljö. Detta kan innefatta sjukhus, kärnkraftsindustrin men även strålningsrelaterade olyckor eller attentat i allmänna områden. Ett grundläggande verktyg i detta arbete är dosimetri. En passiv do- simeter är ett mätverktyg som absorberar en vis andel av strålningens energi. Dessa är designade att bäras vid en specifik kroppsdel och simulera vissa anatomiska egenskaper, till exempel den strålnings- deponerade energin 10 mm in i vävnad. Dosimetern läses sedan ut efteråt och möjliggör att man kan utvärdera risken av exponeringen. Dessa kan vara dyra och vid till exempel en radiologisk olycka eller attentat, kan det finnas behov av fler dosimetrar än vad som finns direkt tillgängligt. Därför är det av intresse att undersöka om det är möjligt att designa och 3D printa egna dosimetrar, för att användas vid t.ex. radiologiska olyckor. Men det finns rekommendationer från IEC att dosimetern ska vara relativt vinkeloberoende. Det vill säga att den uppmätta risken från strålningen inte får under- eller överskattas med en viss procent oavsett om strålningen träffar dosimetern rakt framifrån eller med en vinkel.

Mammografi är en speciell undersökning där man undersöker bröst med röntgenstrålning. Här letar man efter skillnader i densitet och därför är det viktigt att man har god upplösning inte bara i densitets- skillnader (kontrast), men att man kan se små objekt och detaljer. Denna kvalitetssäkring är A och O för att kunna bedriva en patientsäker undersökning. För kontroll av mammografisystemen använder man sig av fantom. Detta är objekt som representerar anatomiska egenskaper i en bild som till exem- pel densitetsvariationer. Men de fantom som finns ute på marknaden är relativt dyra i förhållande till vad det kostar att printa ut en 3D modell från en kommersiell 3D printer. Svårigheten med ett sådant fantom är att den kräver små detaljer vilket ställer höga krav på precisionen av 3D printern.

Utav de ifyllnadsparametrar som undersöktes ändrades den radiologiska skillnaden inte nämnvärt. De flesta material påminde mer om trabekulär ben, men ett material hade radiologiska egenskaper i likhet med lungvävnad. Dosimetern som designades uppfyllde IEC krav men man bör utföra mer rigorösa tester. Fantomet som designades visar att det är möjligt att använda 3D printern, men den klarade inte riktigt att skriva ut detaljer mindre än 1,78 mm i diametern. Detta måste lösas genom optimering av utskriftsparametrar samt att använda ett munstycke med mindre diameter. Det här arbetet har inklude- rat i princip tre forskningsområden. Detta visar på 3D printern otroliga bredd då den kan appliceras över vitt skilda områden.

• author: Boll, Måns
• supervisor: Christian Bernhardsson; Predrag R Bakic
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20212
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9099267
• date added to LUP: 2022-09-03 14:51:20
• date last changed: 2022-09-03 14:51:20