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 TG43

Brachyterapi anno 1900 Madame Curie oppdaget radioaktiv stråling fra 226Ra 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 131I 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 MeV - krever mye skjerming Middelenergi 0.83 MeV 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 MeV Forholdet mellom eksposisjon i vann og luft radielt fra kilden er lik for 226Ra og 137Cs. 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 MeV 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 125Te. Til grunntilstanden ved utsendelse av 35.5 keV foton. Karakterisktisk stråling i området 27 til 35 keV. 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 keV og Auger-elektroner Tilstedeværelse av blymarkører og sveisingene gir anisotropiproblemer

Pass på å benytte riktig dosimetrsik datasett!!! 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: Cesium 131: Middelenergi 93 KeV Halveringstid 32 dager Høy spesifikk aktivitet Kan benyttes både ved LDR og HDR Cesium 131: Middelenergi 21 KeV 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 kerma-rate i luft i 1 meter, kalles referansekermarate SI-enhet er Gys-1, men bruker μGyh-1 for LDR og μGys-1 eller mGyh-1 for HDR

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

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 for 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 = Kl l2 Enhet 1U = 1μGym2h-1 = 1cGycm2h-1

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

Kalibrering av brachykilder AAPM Task Group 40 (TG40): ”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 137Cs, 60Co, 192Ir (LDR) Sværiske kavitets kammer (med grafitt eller aluminiumsvegger) ref. Loftus et al J Res Nat Bur Stand 78A (1974) 465-476 og Loftus et al J Res Nat Bur Stand 85 (1980) 19-25 192Ir (HDR) eksiterer ingen internasjonal standard Ionisasjonskammeret må kalibreres ved hjelp etablerte eksterne strålekvalieter

Kalibreringsmetoder på PSDL, forts Lavenergi-foton-emitterende kilder 125I, 103Pd NIST (USA) benytter Wide angle free air chamber (WAFAC), ref. ICRU rapport 64 Lav energetisk karakt. x-ray (~4.5 keV) fra Titan-kapsel 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 photon-emitting brachytherapy seeds Metrologia 44 (2007) 407-414

Kalibreringsmetoder, SSDL og sykehus Luftkalibrering med ionisasjonskammer Kan ikke brukes for lavenergi-foton emitterende nuklider (125I og 103Pd) Brønnkammer 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 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 primær- strålen i luft

Brønnkammer

Fast-stoff fantom

Doseberegning P point source water distance d

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

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

Eksposisjonsraten gitt av Sievert integralet: 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

’Dybdedose-kurver’ 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-TG43 formalisme

Doseberegning – TG43 AAPM-TG43 formalisme (unngå forvirring…) I dette eksemplet brukes aktivitet for å spesifisere kilden Tidligere, eksposisjonsratekonstanten for 192Ir tabulert i litteraturen varierte fra 3.9 - 5.0 R.cm2.mCi-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 – TG43 AAPM-TG43 formalisme Doserate i vann for en sylindrisk kilde q r kilde dosepunkt

Doseberegning – TG43 AAPM-TG43 formalisme Air kerma strength for kildestyrke: Bassert på air kerma rate målinger ved stor avstand langs transversal aksen Angitt i U = cGy cm2 h-1 Ref. Punkt (1cm, 90°) kilde

Doseberegning – TG43 AAPM-TG43 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 cGy h-1 U-1

Doseberegning – TG43 AAPM-TG43 formalisme Radiell dosefunksjon: Absorbsjon og spredning langs transversal aksen Normert til referansepunkt i 1 cm

Doseberegning – TG43 AAPM-TG43 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 – TG43 AAPM-TG43 formalisme Anisotropi funksjon: Anisotropi rundt kilden i spredematerialet

Hvor finner man TG43-data??? AAPM-TG43 formalisme Hver enkelt type kilde har et eget datasett: Monte Carlo beregninger og oppmålinger gir data for implementering i doseplansystem Eksempel:

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

Eksempel, 60Co 1.00 1.17 0.00270 1.33 0.00261