Titelaufnahme

Titel
High-resolution magnetic resonance based dosimetry using normoxic polymer gels / Christian Bayreder
VerfasserBayreder, Christian
Begutachter / BegutachterinBerg, Andreas
Erschienen2008
Umfang122 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2008
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Polymergeldosimetrie / Hochauflösung / Magnetresonanz / Polymergel / Dosimetrie / Strahlentherapie / Präzision / Genauigkeit / Dosisratenabhängigkeit / Brachytherapie
Schlagwörter (EN)polymer gel dosimetry / high resolution/ magnetic resonance / polymer gel / dosimetry / radiation therapy / precision / accuracy / dose rate dependence / brachytherapy
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-2841 Persistent Identifier (URN)
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High-resolution magnetic resonance based dosimetry using normoxic polymer gels [8.78 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Moderne strahlentherapeutische Anwendungen in der Onkologie zielen im wesentlichen auf eine hohe Ortsselektivität der Strahlenwirkung. Die 3-dimensionale dosimetrische Erfassung der zugehörigen hohen Dosisgradienten ist mit den bisher verfügbaren klinisch-dosimetrischen Systemen nur bedingt und unter hohem Aufwand möglich. Magnetresonanz (MR) gestützte Polymergeldosimetrie stellt einen vielversprechenden Ansatz zur schnellen hochaufgelösten 3D-Messung komplexer räumlicher Dosisverteilungen dar. Eine der größten Schwierigkeiten der Polymergeldosimetrie ist die Unterdrückung der strahleninduzierte Polymerisation durch Sauerstoff. Die Zugabe eines Antioxidants ermöglicht neuerdings die Herstellung von Polymergelen unter normalen atmosphärischen Bedingungen ohne spezielle Laborausstattung. Diese Gele werden diese "normoxische" Polymergele genannt.

In dieser Arbeit wurden normoxische Polymergele mit den Sauerstofffängern Ascorbinsäure (MAGIC Gel) und Tetrakis-hydroxy-methyl-phosphonium-chlorid (THPC, MAGAT Gel) hergestellt. Die Auswertung erfolgte mittels eines 3 Tesla MR-Scanners, ausgestattet mit einem Mikroskopie-Gradientensystem und sensitiven Detektoren. Die erreichbare Ortsauflösung in der MR-Polymergel-Dosimetrie wurde an sehr feinen Dosismodulationen mit einer halben Periode von 200 m getestet. Diese Arbeit zeigt Vorteile in vielen Kriterien für MAGIC Polymer Gele gegenüber MAGAT Gelen. MAGIC Gele besitzen gute zeitliche Stabilität der Dosisverteilung, eine lineare Dosis-R2-Antwort und eine geringe Dosisratenabhängigkeit. Eine Genauigkeit besser als 5% und eine Präzisionsabweichung weniger als 3% war erreichbar. Die Dosismodulationstransferfunktion (DMTF) wurde für die höchste Ortsauflösung und kleinsten bisher in der parameterselektiven MRI erreichten Voxelgrößen (0.094 x 0.094 x 1 mm3) gemessen.

DMTF-Methodische Vergleiche mit Film-gestützter Dosimetrie und Monte Carlo Simulationen sowie dosimetrische Vergleiche bei stereotaktischen Bestrahlungen ergaben Hinweise auf Dosisüberhöhungen bei steilen Dosisgradienten im Hochdosis-Bereich bei THPC-Polymergelen. Eine IMRT- und Brachytherapiebestrahlung zeigten eine starke Unterdrückung der strahleninduzierten Polymerisation in der Nähe der Behälterwand und des Katheters. Im Unterschied zu den etablierten Dosismeßverfahren in der Strahlentherapie erlaubt die Polymergeldosimetrie als einzige Methode die quantitative Auswertung von 3D-Dosisverteilungen in einer Messung.

Speziell normoxische MAGIC Polymer Gele besitzen daher ein großes Potential als 3D-Dosimeter in der klinischen Routine.

Zusammenfassung (Englisch)

Polymer gel dosimetry in combination with magnetic resonance imaging (MRI) represents a new method specially suited for high-resolution three-dimensional dosimetry of complex dose distributions. This is not possible for conventional dosimetric methods such as ionization chambers, diodes, diamond detectors and film dosimetry, which also suffer from non-tissue equivalence. One of the major difficulties with polymer gel dosimeters is their sensitivity to oxygen, because it suppresses the radiation-induced polymerization reaction. This main problem can be avoided by adding an antioxidant to the polymer gel, which scavenges free oxygen. Hence, these gels are called "normoxic" gels as they can be produced under normal atmospheric conditions without special laboratory equipment.

In this work, normoxic polymer gels with the oxygen scavengers' ascorbic acid (MAGIC gel) and tetrakis-hydroxy-methyl-phosphonium-chloride (THPC, MAGAT gel) are prepared in-house. The investigations are performed on a 3 Tesla MR-scanner equipped with a dedicated microscopy gradient system.

Basic properties such as precision and accuracy, temporal stability, energy and dose rate dependence of the normoxic polymer gels have been investigated. Very high spatial resolution MR polymer gel dosimetry is performed on very fine dose modulations with a half period of 200 m and on clinical irradiation schemes.

This work reveals, that MAGIC polymer gels have superior properties in comparison with MAGAT gels. MAGIC polymer gels show a good temporal stability of the dose distribution regarding pre- and post-irradiation time intervals, a linear dose-R2-response and hardly any dose rate dependence. An accuracy smaller than 5% and a precision smaller than 3% is possible. The dose modulation transfer function (DMTF) is measured for the highest spatial resolution achieved in parameter-selective MRI up to now (0.094 x 0.094 x 1 mm3). Comparisons of film dosimetry and Monte Carlo simulations and a stereotactic irradiation applied to a MAGIC polymer gel showed a strong evidence for the so-called edge enhancement effect. An IMRT and a brachytherapy irradiation scheme are applied to a MACIC polymer gel. Due to lack of suitable containers and catheters with sufficient oxygen barrier properties a strong inhibition of the radiation-induced polymerization is observed in the polymer gel.

Polymer gel dosimetry is the only method for the evaluation of 3-dimensional dose distributions in one measurement. In particular normoxic MAGIC polymer gels have great potential for establishing in three-dimensional clinical dosimetry in future.