Determination of absorbed dose by radiophotoluminescence dosimetry and Monte Carlo simulations
Saikkonen, Aleksi (2023-04-21)
Determination of absorbed dose by radiophotoluminescence dosimetry and Monte Carlo simulations
(21.04.2023)
Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-9210-2
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-9210-2
Tiivistelmä
Radiation therapy (RT) utilizes the harmfulness of ionizing radiation for good, with the goal of destroying cancer cells without damaging too much healthy tissue. Dosimetry is always needed to achieve this goal. Dosimetry is a branch of physics the purpose of which is to quantify the amount of radiation energy absorbed by a mass, i.e., a dose. Dose measurement has always been the basis of safe RT, and knowledge of the properties of dosimeters used is essential to obtain the most accurate results. Radiophotoluminescence dosimeters (RPLD) made of phosphate glass use the luminescence phenomenon to quantify the absorbed dose. Monte Carlo (MC) simulations, the gold standard for dose calculation, has been used in dosimetry research for a long time. By combining these two methods, flexible and accurate measurements with calculated theoretical values providing valuable information for research can be obtained.
The aim of this thesis was to investigate the use of radiophotoluminescence (RPL) dosimetry with MC simulations for verification of the planned absorbed dose in different geometries and radiation treatment modalities and beam qualities. Each part of this thesis had two objectives, the first of which was to investigate the irradiation system, the treatment modality, or both, and the second of which was to investigate dosimeters and calculation. The measurements used different dosimetric methods to compare the results with RPLDs and/or MC simulations.
The results suggest that RPLDs are versatile and rather easy-to-use dosimeters that are suitable for many different purposes. Their small size and energy response must be taken into account when planning measurements. The accuracy of MC simulations is widely known, although the results can only be as accurate as the model used. When creating a phantom, even with extra care a perfect model cannot be achieved due to the random nature of the materials. Both methods, RPL dosimetry and MC simulations, have their strengths and weaknesses, but together they complement each other. The theme of the thesis can be considered timely; the results will contribute to a better understanding of the advantages and limitations of the dosimetry methods currently used and assist in the development of clinical RT treatments. Absorboituneen annoksen määritys radiofotoluminesenssidosimetriaa ja Monte Carlo -simulaatioita käyttäen
Sädehoito on kirurgian ja lääkehoidon ohella syöpäsairauksien perushoitomuoto, jonka vaikutus perustuu toisaalta syöpäsolujen sädeherkkyyteen ja toisaalta normaalikudoksen kykyyn toipua sädetyksestä. Sädehoidon onnistumisen edellytyksenä on se, että määrätty annos on oikean suuruinen ja että se saadaan kohdennettua halutulle alueelle siten, etteivät kriittiset elimet tai kudokset saa niille asetettuja toleranssirajoja suurempia annoksia. Tämän tavoitteen saavuttamiseen tarvitaan dosimetriaa, fysiikan osa-aluetta, jonka tarkoituksena on määrittää absorboituneen säteilyn energiamäärä massayksikköä kohden, eli absorboitunut annos. Annosmittaukset ovat aina olleet turvallisen sädehoidon perusta, ja dosimetrien eli annosmittarien tunteminen mahdollistaa tarkkojen tuloksien saavuttamiseen. Radiofotoluminesenssidosimetrit (RPLD) ovat fosfaattilasista valmistettuja annosmittareita, jotka hyödyntävät annoksen tallentamiseen luminesenssiilmiötä. Monte Carlo (MC) –simulointia voidaan sanoa annoslaskennan kultaiseksi standardiksi ja sitä on käytetty jo kauan annosmittaustutkimuksissa. Yhdistämällä nämä kaksi tapaa, monimuotoinen ja tarkka annosmittaus ja teoreettinen annoslaskenta, on tutkimuksen kannalta tärkeä tieto tällöin saavutettavissa.
Väitöskirjan tavoitteena oli tutkia radiofotoluminesenssi (RPL) -dosimetriaa ja MC-simulaatioita suunnitellun annoksen varmistamiseksi, kun käytössä on eri sädetysgeometrioita ja -energioita. Jokaisella osatyöllä on kaksi tarkoitusta, joista ensimmäinen on kyseisen säteilylaitteen, hoitomuodon tai molempien tutkiminen ja toinen on annosmittausten ja -laskennan tutkiminen. Mittauksissa käytettiin useita eri annosmittausmenetelmiä, joilla saavutettuja tuloksia verrattiin RPLD-mittausten ja MC-simulointien tuottamiin tuloksiin.
Tutkimustulokset osoittavat RPLD:ien olevan monipuolisia ja suhteellisen helppokäyttöisiä annosmittareita, jotka soveltuvat useisiin eri käyttötarkoituksiin. Niiden pieni koko, suuntariippuvuus ja energiavaste tulee kuitenkin huomioida huolellisesti mittausten suunnittelussa. MC-simulointi on tarkkuudestaan tunnettu menetelmä, mutta on hyvä tiedostaa, että laskennalla saatavien tulosten tarkkuus vastaa käytettyjen mallien tarkkuutta. Mallien ja fantomien valmistamisessa täytyy muistaa, vaikka noudattaisikin erityistä huolellisuutta, että materiaalin satunnaisen rakenteen takia ei täysin täydellistä mallia pystytä koskaan luomaan. Molemmilla menetelmillä, RPL-dosimetria ja MC-simulointi, on omat vahvuutensa ja heikkoutensa, mutta yhdessä käytettynä ne täydentävät hyvin toisiaan. Väitöskirjan tutkimusaihetta voidaan pitää ajankohtaisena, ja tutkimustulokset ovat suoraan hyödynnettävissä kliinisen sädehoidon kehitystyössä.
The aim of this thesis was to investigate the use of radiophotoluminescence (RPL) dosimetry with MC simulations for verification of the planned absorbed dose in different geometries and radiation treatment modalities and beam qualities. Each part of this thesis had two objectives, the first of which was to investigate the irradiation system, the treatment modality, or both, and the second of which was to investigate dosimeters and calculation. The measurements used different dosimetric methods to compare the results with RPLDs and/or MC simulations.
The results suggest that RPLDs are versatile and rather easy-to-use dosimeters that are suitable for many different purposes. Their small size and energy response must be taken into account when planning measurements. The accuracy of MC simulations is widely known, although the results can only be as accurate as the model used. When creating a phantom, even with extra care a perfect model cannot be achieved due to the random nature of the materials. Both methods, RPL dosimetry and MC simulations, have their strengths and weaknesses, but together they complement each other. The theme of the thesis can be considered timely; the results will contribute to a better understanding of the advantages and limitations of the dosimetry methods currently used and assist in the development of clinical RT treatments.
Sädehoito on kirurgian ja lääkehoidon ohella syöpäsairauksien perushoitomuoto, jonka vaikutus perustuu toisaalta syöpäsolujen sädeherkkyyteen ja toisaalta normaalikudoksen kykyyn toipua sädetyksestä. Sädehoidon onnistumisen edellytyksenä on se, että määrätty annos on oikean suuruinen ja että se saadaan kohdennettua halutulle alueelle siten, etteivät kriittiset elimet tai kudokset saa niille asetettuja toleranssirajoja suurempia annoksia. Tämän tavoitteen saavuttamiseen tarvitaan dosimetriaa, fysiikan osa-aluetta, jonka tarkoituksena on määrittää absorboituneen säteilyn energiamäärä massayksikköä kohden, eli absorboitunut annos. Annosmittaukset ovat aina olleet turvallisen sädehoidon perusta, ja dosimetrien eli annosmittarien tunteminen mahdollistaa tarkkojen tuloksien saavuttamiseen. Radiofotoluminesenssidosimetrit (RPLD) ovat fosfaattilasista valmistettuja annosmittareita, jotka hyödyntävät annoksen tallentamiseen luminesenssiilmiötä. Monte Carlo (MC) –simulointia voidaan sanoa annoslaskennan kultaiseksi standardiksi ja sitä on käytetty jo kauan annosmittaustutkimuksissa. Yhdistämällä nämä kaksi tapaa, monimuotoinen ja tarkka annosmittaus ja teoreettinen annoslaskenta, on tutkimuksen kannalta tärkeä tieto tällöin saavutettavissa.
Väitöskirjan tavoitteena oli tutkia radiofotoluminesenssi (RPL) -dosimetriaa ja MC-simulaatioita suunnitellun annoksen varmistamiseksi, kun käytössä on eri sädetysgeometrioita ja -energioita. Jokaisella osatyöllä on kaksi tarkoitusta, joista ensimmäinen on kyseisen säteilylaitteen, hoitomuodon tai molempien tutkiminen ja toinen on annosmittausten ja -laskennan tutkiminen. Mittauksissa käytettiin useita eri annosmittausmenetelmiä, joilla saavutettuja tuloksia verrattiin RPLD-mittausten ja MC-simulointien tuottamiin tuloksiin.
Tutkimustulokset osoittavat RPLD:ien olevan monipuolisia ja suhteellisen helppokäyttöisiä annosmittareita, jotka soveltuvat useisiin eri käyttötarkoituksiin. Niiden pieni koko, suuntariippuvuus ja energiavaste tulee kuitenkin huomioida huolellisesti mittausten suunnittelussa. MC-simulointi on tarkkuudestaan tunnettu menetelmä, mutta on hyvä tiedostaa, että laskennalla saatavien tulosten tarkkuus vastaa käytettyjen mallien tarkkuutta. Mallien ja fantomien valmistamisessa täytyy muistaa, vaikka noudattaisikin erityistä huolellisuutta, että materiaalin satunnaisen rakenteen takia ei täysin täydellistä mallia pystytä koskaan luomaan. Molemmilla menetelmillä, RPL-dosimetria ja MC-simulointi, on omat vahvuutensa ja heikkoutensa, mutta yhdessä käytettynä ne täydentävät hyvin toisiaan. Väitöskirjan tutkimusaihetta voidaan pitää ajankohtaisena, ja tutkimustulokset ovat suoraan hyödynnettävissä kliinisen sädehoidon kehitystyössä.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2895]