MR-gestützte Dosimetrie an normoxischen Polymergelen

39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
MR-gestützte Dosimetrie an normoxischen Polymergelen:
Einflüsse der Dosisrate auf die Dosisantwort
Bayreder, Christian; Georg, Dietmar; Berg, Andreas
MR-gestützte Dosimetrie an normoxischen Polymergelen: Einflüsse der Dosisrate auf
die Dosisantwort
1. Einleitung
Polymer-Gel-dosimetrische Verfahren zeigen Vorteile gegenüber anderen Dosismessverfahren bei der
hochauflösenden 3-dimensionalen Darstellung der räumlichen Verteilung der zeitlich integrierten Dosis [1]. Die
häufig verwendeten Polymergele auf der Basis von Acrylamiden, z.B. BANGTM Gele, die unter
Sauerstoffausschluss hergestellt werden, zeigen keine oder nur geringe Abhängigkeiten der Dosisantwort von der
Dosisrate [2,3] bei typischen Dosisraten von
Linearbeschleunigern (1-5 Gy/min) für den klinischtherapeutischen Einsatz. Ihre Herstellung in sauerstofffreier Atmosphäre ist jedoch sehr aufwändig. Acrylamide
sind giftig, kanzerogen und potentiell erbgutverändernd. Viele Arbeitsgruppen setzen deshalb Methacrylsäure als
Monomerbestandteil der Polymergele ein. Durch die Zugabe eines Sauerstofffängers (z.B. Ascorbinsäure)
polymerisiert diese unter Applikation ionisierender Strahlen, auch wenn bei der Herstellung unter Anwesenheit
von Sauerstoff gearbeitet wurde. Ascorbinsäure als Sauerstofffänger hält den Polymerisationsinhibitor Sauerstoff
von den radikaltragenden Molekülen fern und ermöglicht ein Anwachsen der Monomere zu langen Ketten.
Ideale Dosimeter sollten keine Abhängigkeiten des Dosis-Messsignals von den im klinischen Alltag
verwendeten Dosisraten zeigen. Wir untersuchen in diesem Beitrag für 2 verschiedene normoxische
Polymergeltypen auf der Basis von Methacrylsäure als Monomer (MAGIC und MAGAT-Gele), ob bei den
typischen Dosisraten für Linearbeschleuniger Abhängigkeiten der Dosisantwort von der applizierten Dosisrate
auftreten. Die Ergebnisse sind wichtig für die Beurteilung der Einsetzbarkeit dieser Typen normoxischer
Polymergele in der Dosimetrie von strahlentherapeutischen Anwendungen.
2. Materialien und Methoden
Zwei verschiedene Polymergeltypen auf der Basis von Methacrylsäure als polymerisierendes Monomer, Gelatine
und Wasser wurden im hauseigenen Labor unter Sauerstoffatmosphäre hergestellt:
a) MAGAT-Gele (Metharylic-Acid-Gelatine And THPC (Tetrakis Hydroxy-Methyl-Phosphonium Chloride))
mit THPC (2mM) als Sauerstofffänger und b) MAGIC-Gele (Methacrylic Acid Gelatine and Ascorbic acid
Initiated by Copper) mit Ascorbinsäure als Sauerstofffänger.
Bestandteile für 1000 g
Polymergel
MAGAT-Gel
MAGIC-Gel
Deionisiertes Wasser
Gelatine
Methacrylsäure
Kupfer(II)sulfat-pentahydrat
Ascorbinsäure
THPC
87% (w/w)
8% (w/w)
5% (w/w)
80% (w/w)
14% (w/w)
6% (w/w)
0.025 g
0.3522 g (2mM)
0.3316 g (2 mM)
Die applizierten Dosen variierten je nach ungefährem linearem Dosisbereich der verschiedenen Geltypen
zwischen 2 und 9 Gy (MAGAT) und 2 -20 Gy (MAGIC). Der Linearbeschleuniger (ELEKTA Sli precise
accelerator, UK) ermöglichte Dosisraten zwischen 0.6 und 5 Gy/min bei Beschleunigungsspannungen von 25
MV (QI = 0,805).
Parameterselektive T2-Bilder wurden unter Einsatz von Multiecho-Sequenzen mit 20 Echos (TE=20, 40, 60,
..400 ms) in der Magnetresonanz-Bildgebung berechnet, und diese nach Kalibrierung unter Einsatz von
Kalibriergelen in Dosisbilder umgewandelt (TR = 10,5s; FOV = 18x18 cm2; Mtx: 128x128, Schichtzahl: 23,
Schichtdicke: 1mm, NEX = 4).
39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
3. Ergebnisse
3.1 MAGAT Gele
Abb. 1 Abhängigkeit der Relexationsrate R2=1/T2 von Dosisrate und Zeit
zwischen Bestrahlung und MR-Bildgebung für MAGAT-Gele
a) Niedrigdosisbereich(D=2Gy):
Es ist nur eine geringe Tendenz zu einer
reduzierten Dosisantwort bei höheren
Dosisraten erkennbar.
b) Hochdosisbereich (D=5Gy):
Das Dosismesssignal zeigt eine
deutliche Abhängigkeit von der
Dosisrate.
Abb. 2 MR-Messsignal (Relaxationsrate R2=1/T2) in Abhängigkeit von der
Dosis
mit
dem
Messparameter
Dosisrate. Die Sensitivität, gemessen
als Steigung im linearen Bereich zeigt
eine starke Abhängigkeit von der
Dosisrate.
MAGAT-Gele zeigen nahezu über den gesamten Dosisbereich der linearen Antwort eine signifikante
Dosisratenabhängigkeit bis zu ca. 20% (Abb. 1). Auch die Sensitivität, gemessen als relative Zunahme der
Relaxationsrate mit der Dosis, hängt deutlich von der Dosisrate ab (Abb. 2).
3.2 MAGIC-Gele
Abb. 3 Abhängigkeit der Relexationsrate R2=1/T2 von Dosisrate und Zeit
zwischen Bestrahlung und MR-Auslesevorgang für MAGIC Gele
a) Niedrigdosisbereich(D=5Gy):
b) Hochdosisbereich (D = 20 Gy)
Es ist keine signifikante Abhängigkeit Es ist nur eine geringe Tendenz zu
der Dosisantwort von der Dosisrate einer reduzierten Dosisantwort bei
erkennbar.
den höchsten Dosisraten erkennbar.
Abb. 4 MR-Messsignal (Relaxationsrate
R2=1/T2) in Abhängigkeit von der
Dosis
mit
dem
Messparameter
Dosisrate. Erst bei der höchsten
Dosisrate ist eine (nicht signifikante)
Tendenz
zu
einer
reduzierten
Sensitivität beobachtbar.
MAGIC-Gele sind nahezu über den gesamten Dosisbereich
der linearen Antwort nicht wesentlich von der Dosisrate im
untersuchten Ratenbereich abhängig (Abb. 3 und 4). Die Sensitivität hängt nicht signifikant von der Dosisrate ab (Abb. 5).
Conclusio
MAGAT-Polymergele haben zwar eine höhere Sensitivität
(inkrementelle Dosisunterscheidung) zeigen aber
eine
signifikante Abhängigkeit der Dosisantwort von der Dosisrate
schon im Niedrigdosisbereich und sind deshalb i.d.R. nicht
geeignet für dosimetrische Untersuchungen an klinischen
Linearbeschleunigern.
Abb. 5 Sensitivität in Abhängigkeit von der
MAGIC Gele weisen einen größeren Bereich einer linearen Dosisrate für MAGIC Gele. Fehlerbalken
Dosisantwort bis ca. 20 Gy auf. Sie zeigen im untersuchten kennzeichnen 95% Konfidenzintervalle.
Dosis- und Dosisratenbereich für Linearbeschleuniger keine signifikanten Abhängigkeiten im Rahmen der
Messfehler, wenn auch eine Tendenz zur reduzierten Dosisantwort bei hohen Dosen und maximaler Dosisrate (D
= 20Gy; dD/dt = 5Gy/min) zu beobachten ist.
[1] C. Bayreder, D. Georg, E.Moser, A.Berg; Med. Phys. 33 (7), 2506-2518 (2006)
[2] J. Novotny Jr., V. Spevacek, P. Dvorak, J Novotny. and T.Cechak; Med. Phys. 28, 2379-2386, (2001).
[3] Y. De Deene, K. Vergote, C. Claeys and C. De Wagter; Phys. Med. Biol. 51, 653–673 (2006).