Göm menyn

ESR-dosimetri

Bakgrund
En mätbar biologiskt viktig strålningseffekt är alstrandet av fria radikaler. I flera kristallina organiska ämnen som aminosyror, sockerarter samt ben och tandemalj induceras mycket långlivade, i det närmaste stabila, radikaler vid bestrålning. Med Elektron Spinn Resonans, ESR-spektroskopi kan man påvisa och kvantifiera mängden fria radikaler. Metoden är selektiv och man registrerar endast den bråkdel av fria radikaler som finns bland alla opåverkade molekyler. ESR-signalen som ger ett mått på radikaltätheten är proportionell mot den medelabsorberade dosen i provet inom ett brett dosområde från lägsta detekterbara dos upp till flera kGy. Väljer man organiska ämnena har de flesta liknande atomär samman-sättning som vatten eller vävnad och därmed samma energiabsorptionsegenskaper. En stor fördel är att signalen inte förstörs vid utläsning, en ESR dosimeter kan därmed användas för integrerande dosbestämningar och läsas ut mellan varje bestrålning.

Dosimetri för radioterapi

Dosimetri baserad på analys med Elektron Spinn Resonans, ESR-spektrometer är en sedan många år etablerad metod (Regulla, 2000). Dock har den fått tillämpningar inom strålterapi först på senare år genom en förbättrad teknik för känsligare ESR spektrometrar och genom utvecklingen av känsligare dosimeter system. Vi har under de senaste 10 åren utvecklat ett antal lovande känsliga dosimetermaterial av vilka litiumformiat har visat sig vara det mest robusta materialet. Vi kommer att arbeta med att ytterligare öka känsligheten framför allt genom att utnyttja det nya systemet en Bruker E500 X-band/L-band ESR och EPSI med en SuperX High Power Microwave Bridge system som kommer att installeras under sommaren 2009 vid IFM.

Vid strålbehandling strävar man efter att ge så hög dos som möjligt till tumören och skydda de friska organen. Före strålbehandlingen görs en datorberäkning en dosplan över hur man vill fördela strålningen. Denna måste verifieras ofta genom att man mäter doser direkt på patienten vid behandling eller som vid intensitetsmodulerad radioterapi IMRT i ett fantom som man dosplanerat exakt som på patienten. Detta görs inför behandling och doserna mäts i bestämda punkter direkt med en jonkammare. Vi har jämfört dessa mätningar med dosbestämningar gjorda med passiva EPR dosimetrar av litiumformiat och funnit att EPR dosimetrin är tillräckligt noggrann och genomförbar inom 20 minuter.

Vid IMRT använder man sig av många olikformade strålfält som ibland är mycket smala och där penumbra delen av fältet kommer att få ett stort inflytande. Det är mycket svårt att göra bra dosberäkningar i dessa fall och vi utnyttjar EPR dosimetrarnas linjära respons i ett brett dosområde för att bestämma dosfördelningen i penumbraregionen. Vi använder då särskilt tunna dosimetrar och hoppas på ännu bättre noggrannhet när en ny EPR spektrometer kan tas i bruk till hösten. Den har nära 10 gånger högre känslighet än den vi hittills använt på IFM.

Skarpa dosgradienter har vi också vid brachyterpi och EPR dosimetrarna har visat sig mycket användbara med hög precision och reproducerbarhet när dosfördelningar verifierats i fantom runt en 192Ir källa som stegats fram. http://www.imh.liu.se/radiologiska-vetenskaper/forskning-dosimetri
Brachyterapi genomförs i allmänhet med källor som har en fotonenergi i området 30-400 keV. Fotoner från dessa källor genererar elektroner med högre LET än de kalibreringsfält som man vanligen utnyttjar, vilket kräver känt LET-beroende hos dosimetrarna. Vi har undersökt dosresponsen för röntgenfält med olika effektiva energier med kända spektra och funnit ett betydligt lägre LET beroende för litiumformiat dosimetrar jämfört med TL- LiF dosimetrar t ex.

För dessa undersökningar har litiumformiattabletter preparerats för bästa möjliga homogenitet och omsorgsfullt kalibrerats. Protokoll för klinisk användning av litiumformiat-dosimetri utarbetas för närvarande innefattande en standardiserad tillverkningsprocedur, en kvalitetssäkring av de tillverkade dosimetrarna samt en utläsningsprocedur som är standardiserad men som kan anpassas efter mätsituationen.

Strålterapi med tunga laddade partiklar blir allt vanligare och därmed ökar intresset för robusta dosimetrisystem att användas för dosbestämningar i dessa strålkvaliteter. Normalt krävs att de ESR-dosimetrar som skall användas för dosimetri i protonstrålar eller jonstrålar kalibreras för aktuell strålkvalitet eftersom ESR-dosimetrarnas känslighet är mer eller mindre LET-beroende beroende på dosimetermaterial. Det har även visat sig att ESR-signalens utseende kan vara LET-beroende och därmed öppna för möjligheten till bestämning av LET med ESR-dosimetri. Vi har undersökt kaliumditionats LET-beroende i kväve- och koljonstrålar vid TSL och ämnar bestämma dosrespons och spektrumformförändringar för varierande LET även i protonstråle. Vi bestrålar en 5 mm dosimeter som då täcker hela Braggtoppen som för dessa energier runt 30MeV/u ligger på ca 3 mm djup.
Eva Lund, Håkan Gustafsson, Sara Olsson, Åsa Carlsson Tedgren, Laura Antonovic, och Emelie Adolfsson.

Bildgivande ESR

Visualisering av radikalfördelningen i ett prov med hjälp av ESRI är möjligt genom att provet befinner sig i ett område med kraftiga magnetfältsgradienter. Utvecklingen mot bildgivande ESR har tidigare varit långsam pågrund av speciellt två orsaker: koncentrationen av radikaler är låg i de flesta prover vilket ställer stora krav på spektrometerkänslighet för en acceptabel bildkontrast och elektronernas korta relaxationstid kräver extremt starka magnetfältsgradienter för en användbar upplösning i bilderna. Tillgången till dagens känsliga ESR-spektrometrar tillsammans med utvecklingen av mycket kraftiga magnetfältsgradienter har gjort att bildgivande ESR nyligen blev kommersiellt tillgängligt.

För att kunna avbilda dosfördelningar och/eller LET-fördelningar gäller att finna ett ESR-dosimetermaterial som inte bara är mycket känsligt utan även har ett ESR-spektrum med en ensam smal signal. Vidden på ESR-signalen har betydelse för hur bra upplösningen kan bli vid visualiseringen av dosfördelningar.

Dosimetermaterialet kaliumditionat (K2S2O6) har visat sig vara speciellt intressant då ESR-signalen är sammansatt av två toppar vars relativa intensitet varierar beroende på LET. I ett samarbetsprojekt med professor S Schlick i Detroit har vi avbildat dosfördelningen i tabletter av kaliumditionat bestrålade med N7+ och C6+ -joner och, såvitt vi vet, för första gången med hjälp av ESRI avbildat dosfördelningen och LET-fördelningen längs varsin riktning se nedan. Vi har lyckats avbilda dosfördelningar och/eller LET-fördelningar med mycket hög spatiell upplösning i storleksordningen 5 μm.


 

Fig 1

Figur 1. EPR-avbildning där intensiteten som funktion av penetrationsdjupet av N7+ jonerna syns i ena riktningen och spektrum formen, absorptionsspektrum, i den andra riktningen. I figuren till höger syns tydligare spektrumvariationerna med penetrationsdjupet.


När dosgradienterna är mycket branta som t ex i penumbraregionen av ett strålfält eller intill en gränsyta mellan exempelvis vävnad och metallimplantat eller proteser. Penumbraregionen har för större strålfält mycket liten betydelse men får det vid stereotaktisk strålbehandling med fältstorlekar < 2cmx2cm eller vid IMRT där man adderar många även mycket smala fält från olika riktningar.I ett första försök kartlägger vi dosen i penumbraregionen med tunna lithiumformiattabletter 1 mm tjocka men avser också att avbilda penumbrat med ESRI av en dosimeter.

Vi har även sökt forskningsmedel för att avbilda dosfördelningen i tandemaljen när en hel tand bestrålats med tandläkarröntgen eller UV ljus.
Eva Lund och Håkan Gustafsson
Retrospektiv dosimetri grundat på ESR analys
Retrospektiv dosimetri på tandemalj
Retrospektiv dosimetri på utdragna tänder grundar sig på ESR analys av emaljen. Tandemalj är det hårdaste materialet i kroppen och består till 97% av oorganiskt material. I tandemalj är det huvudsakligen CO2- radikalen som skapas vid bestrålning och den är stabil. Dessutom finns det en bakgrundssignal från den organiska komponenten som är mycket mer dominerande i dentinet. Tänderna måste prepareras väl för att kunna användas för retrospektiv dosimetri, emaljen skall noggrant skiljas från dentinet och krossas till små flisor. Därvid induceras eventuellt också radikaler. I bagrundsspektret tagna från utdragna visdomständer, får vi också en komponent från tandläkar-behandlingar både från röntgen och blåljuset som används vid härdning at plastfyllningar. Röntgenstrålningen är lågenergetisk och avtar snabbt i intensitet genom emaljen och UV komponenten av blåljuset påverkar bara ytan. Vi vill avbilda dessa fördelningar av bildade radikaler med hjälp av EPRI för att klarlägga hur stor osäkerhet vi introducerar när vi stubtraherar en bakgrund baserad på medelvärdet av ett antal ”obehandlade”tänder. Detta är nödvändigt för att kunna bestämma dosen till offer för en kärnteknisk olycka eller terrorattack.
 

Fig2a och 2b

Fig 2 a Grön linje visar totala spektret röd den organiska signalen och blått den dosimetriska efter subtraktion vid 200 mGy, b) visar en tandemaljspektrum efter bestrålning med 10 Gy.

Retrospektiv dosimetri på sockerarter, sötningsmedel, godis och tuggummi
Om man inte lyckas använda något kroppseget material från bestrålade individer kan man utnyttja material som man bär på sig. Vi har valt att undersöka sockerarter, sackaros och sötningsmedel för att kunna analysera t ex tuggummi eller sötsaker som många bär med sig i fickan. I dessa ingår flera sötningsmedel som vi nu analyserar avseende dosrespons stabilitet och känslighet varför sig och i detalj. Med den kunskapen kan vi säkrare bestämma dosen bestämd från ESR signalen i tuggummi. Hittills har vi kunnat bestämma en okänd dos med 10 % noggrannhet och minsta detekterabara dos 120 mGy. Med känsligar spektrometer och bättre detaljkunskap om de ingående sötningsmedlens spektra räknar vi att avsevärt minska osäkerheten. Även laktos har studerats för möjligheten att utifrån mediciner med fyllnadsmedlet laktos kunna göra retrospektiva dosbestämningar.
Eva Lund, Håkan Gustafsson och Axel Israelsson

Eva Lund
Namn: Eva Lund
Befattning: Professor emerita
Institution: IMH
Avdelning: Radiologiska vetenskaper



KONTAKT


Telefon: 013-286851
E-post: eva.lund@liu.se

Besöksadress:
Gula Villan
plan 11
Campus US

Postadress:
Linköpings universitet
Eva Lund
EmeritUSakademin
Gula Villan
581 85 Linköping


Sidansvarig: sandra.malmstrom@liu.se
Senast uppdaterad: 2015-09-23