Development and characterization of lithium formate EPR dosimetry for proton radiation therapy

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Main Author: Costa, Tatiana Pedro Cordeiro
Publication Date: 2017
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: http://hdl.handle.net/10451/31900
Summary: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017
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spelling Development and characterization of lithium formate EPR dosimetry for proton radiation therapyRessonância Paramagnética EletrónicaFormato de lítioTerapia de protõesCurvas dose-respostaDesvanecimento do sinalTeses de mestrado - 2017Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaTese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017A técnica de Ressonância Paramagnética Eletrónica, RPE (EPR do inglês Electron Paramagnetic Resonance) utiliza métodos de espectroscopia para a deteção de eletrões livres - ou radicais livres - em moléculas cuja estrutura cristalina permite a retenção e estabilização destes radicais. Os radicais livres formam-se, entre outras causas, devido à exposição das moléculas a radiação eletromagnética de energia considerável sendo a quantidade de radicais formados e retidos na molécula proporcional à dose de radiação absorvida por esta. Esta relação é o principio básico da RPE e diz-nos que através da contabilização dos radicais formados, por espectroscopia, é possível inferir acerca da dose radiativa absorvida por uma molécula, sendo este o principal objetivo da dosimetria. Apesar da utilização da RPE para fins de dosimetria em radioterapia ser uma aplicação relativamente recente, trata-se de uma técnica já muito bem estabelecida em outras áreas. Em particular, a técnica RPE com dosímetros de alanina é mesmo recomendada pela Agência Internacional de Energia Atómica (IAEA do inglês International Atomic Energy Agency) não só para fins de dosimetria retrospetiva como também para a medição de doses de radiação superiores a 6 Gy. As vantagens da utilização de alanina como material dosimétrico recaem na estabilidade dos seus radicais, na resposta linear num intervalo alargado de dose e no facto de ser um material cujas características de dispersão e absorção de radiação ionizante serem muito semelhantes às dos tecidos corporais. No entanto, apesar de todas as vantagens, a baixa sensibilidade da alanina não permite a sua utilização para a medição e verificação de doses inferiores a 6Gy, comummente utilizadas em tratamentos radioterapêuticos. Deste modo, foram estudados diversos materiais para encontrar o dosímetro mais adequado que, mantendo as características vantajosas da alanina, colmatasse o problema encontrado. A melhor alternativa encontrada foi o formato de lítio que apresenta uma sensibilidade quase sete vezes superior à da alanina e uma maior equivalência à água no que respeita os coeficientes de absorção massa-energia em dose de radiação relevantes em tratamentos de radioterapia. Por conseguinte, o sistema de RPE com dosímetros de formato de lítio começou a ser considerado como uma melhor opção e diversos testes de caracterização têm vindo a ser realizados para aferir acerca da qualidade, estabilidade e adequabilidade desde novo sistema a várias aplicações em radioterapia. O sistema em questão foi aplicado, com sucesso, para verificações dosimétricas em tratamentos de Radioterapia Externa como radioterapia de intensidade modulada (IMRT) ou radioterapia conformacional tridimensional (3D-CRT), em que doses de cerca de 2 Gy por dia – dependendo do plano de tratamento - são depositadas no tumor do paciente por um feixe de fotões produzidos num acelerador linear, e em tratamentos de Braquiterapia, em que radioisótopos são colocadas dentro ou próximo do alvo do tratamento. Em ambos os casos o sistema dosimétrico de formato de lítio mostrou ser robusto, ter uma resposta linear às diferentes doses absorvidas e permitir determinações das doses com uma incerteza inferior a 2.5 %. Assim, mesmo não sendo uma técnica considerada para uso diário em clínicas, devido ao moroso processo de leitura do sinal de RPE, o sistema de dosimetria RPE de formato de lítio torna-se uma das mais vantajosas alternativas aos sistemas utilizados atualmente em aplicações em que a obtenção de medições de alta precisão é priorizada relativamente à eficácia de tempo, tendo já sido considerado um ótimo candidato para auditorias de dosimetria nas técnicas estudadas. No entanto, apesar das elevadas expectativas, nenhuma investigação tinha sido ainda realizada relativamente ao funcionamento do sistema de formato de lítio após irradiação com partículas mais pesadas como protões, cujas interações com a matéria são consideravelmente diferentes das dos fotões. Apesar do número de clínicas especializadas em terapia de protões ser relativamente reduzido devido aos elevados custos associados e, por conseguinte, a oferta deste tratamento ser ainda limitada, trata-se de uma alternativa à radioterapia convencional, com claras vantagens no que diz respeito à precisão e eficácia do tratamento que advêm principalmente da deposição de energia característica dos protões e do associado pico de Bragg, cuja profundidade de ocorrência é definida pela energia inicial dada às partículas. Os protões entram no novo meio com uma energia muito elevada e uma taxa de depositação de energia reduzida mas, com o aumento da profundidade e a diminuição da energia da partícula, esta taxa de deposição aumenta gradualmente, atingindo o seu máximo na profundidade do pico de Bragg, onde toda a restante energia das partículas é depositada e as partículas ficam em repouso, não depositando mais energia. Assim, controlando a profundidade do pico de Bragg, a maior dose pode ser depositada na área tumoral e os órgãos e tecidos envolventes podem ser poupados, evitando-se os danos colaterais associados à radioterapia convencional. Deste modo, é de extrema importância a existência de um sistema de dosimetria de elevada qualidade que permita, com elevada precisão, a verificação das doses de radiação entregues pelos feixes de protões utilizados, devendo o sistema RPE ser considerado para esta aplicação. O trabalho de investigação apresentado nesta dissertação foi realizado com o objetivo de aferir acerca das características do sistema RPE com formato de lítio após irradiações de protões e da influência que a diferente deposição de energia e interações destas partículas com a matéria podem ter no sistema em questão. A investigação e consequente caracterização foi feita relativamente a dois tópicos principais: a taxa de resposta do sinal de RPE obtido pelos dosímetros aquando submetidos a doses de radiação entre os 0 Gy e os 9 Gy, através da obtenção e análise da curva Dose-Resposta do sistema, e do estudo do desvanecimento do sinal durante um período de um mês. Adicionalmente foi realizado um “teste cego” a fim de verificar a exatidão conseguida na estimação da dose absorvida por um dosímetro somente através do seu sinal RPE e da curva Dose-Resposta. Este trabalho de investigação foi realizado na Universidade de Linköping, na Suécia, em parceria com a recente clínica de terapia de protões Skandionkliniken, em Uppsala (Suécia), onde todas as irradiações de protões foram realizadas. Os resultados confirmaram a elevada qualidade e precisão do sistema para verificações dosimétricas em terapia de protões. A curva Dose-resposta mostrou uma relação linear entre o sinal de RPE dos dosímetros e a dose absorvida por estes pelo que um maior sinal corresponde a uma maior dose absorvida pelo respetivo dosímetro. A elevado valor do coeficiente de correlação de Pearson entre as variáveis foi interpretada como um forte indicador da qualidade das estimações que se obteriam através da relação encontrada e isto foi confirmado no teste às cegas em que, utilizando apenas dois grupos de dosímetros para determinar a curva de Dose-Resposta, a dose desconhecida fornecida a um terceiro grupo de dosímetros foi estimada com um erro de somente 1 %, apenas com base nos seus sinais de RPE e na regressão obtida. Relativamente ao estudo do desvanecimento do sinal, cada grupo de dosímetros foi irradiado em semanas consecutivas durante um mês, tendo o sinal de RPE de todos os dosímetros sido medido no final desse mês, no mesmo dia. Os resultados foram evidentes: os sinais de RPE dos dosímetros cujas irradiações decorreram nas primeiras semanas da experiência sofreram um desvanecimento maior, tendo sido registado um desvanecimento máximo na ordem dos 6.50 % durante o período de tempo estudado. Este fenómeno, que não havia sido verificado nos sinais de dosímetros sujeitos a radiação de fotões, constitui assim um dos mais importantes fatores a ter em conta aquando da utilização do sistema para verificações dosimétricas neste tipo de irradiações com feixes de protões. Após os testes efetuados, é possível afirmar que o sistema de dosimetria RPE com formato de lítio mostrou ser robusto e bastante eficaz em verificações dosimétricas também nesta aplicação. No entanto, e apesar de uma análise mais extensa deste fenómeno ser necessária, foi comprovado o desvanecimento do sinal de RPE com o tempo pelo que o intervalo de tempo decorrido entre a irradiação e a leitura do sinal do dosímetro se torna num elemento preponderante e determinante na medição de doses absorvidas com a maior precisão possível. Assim, apesar de poderem ser necessárias algumas correções aos sinais obtidos no espectrómetro, quando a leitura destes sinais não é imediata à irradiação, o potencial deste sistema é inquestionável, devendo o sistema RPE com formato de lítio ser visto como um forte candidato a ser usado, por exemplo, em auditorias de dosimetria em terapia de protões.Electron Paramagnetic Resonance (EPR) dosimetry using lithium formate dosimeters started to be studied as an alternative to the well-established dosimetry method that uses alanine as dosimeter material, so that a higher precision and accuracy in the measurements of low absorbed doses commonly used in radiation therapy could be achieved. Lithium formate has shown to be a material with properties very similar to alanine and thus very suitable for EPR dosimetry, but with the advantage of being up to seven times more sensitive to smaller radiation doses. The proposed dosimetry system was tested in both external beam therapy (photon therapy) and in brachytherapy and the system showed to be very robust, allowed dose determinations with a standard uncertainty lower than 2.5 % and was considered a good candidate for dosimetry audits in both radiotherapy modalities. The next step and the aim of the present dissertation work is the study and characterization of the lithium formate system under proton beam irradiations. The use of heavy charged particles is associated to very different interactions of the energy with matter and, consequently, to different dose deposition processes that may influence the dosimetry system performance. So, despite the suitability of the system for the other clinical applications, no assumptions can be made about the system quality for dose measurements in proton therapy. In this way, the system was studied regarding two main characteristics: the dose response and the phenomenon of signal fading. This research work was mainly based in Linköping University (Sweden) but it involved a partnership with Skandionkliniken in Uppsala (Sweden) to perform the necessary proton irradiations. The first test studied the relation between the EPR signals and the absorbed dose and the results showed that not only the obtained regression that characterizes that relation is, as expected, linear but also allowed absorbed dose to water estimations with an average estimation uncertainty below the 2 %. To complement this test and to verify what accuracy could be reached with a linear regression estimated with only two groups of dosimeters, a group of four dosimeters was irradiated with an unknown dose that was further estimated with an error of 1 %, confirming the great determinations that can be achieved with the present dosimetry system. The second study indicated that, after proton irradiations, the EPR signal stored in the lithium formate dosimeters decreases with time and, for a period of 31 days, a maximum fading of 6.50 % was discovered. This phenomenon is not unexpected in irradiations with heavy particle beams and needs to be considered if the irradiation and the EPR signal measurement are not done in the same day because if a smaller signal than the one associated to the real absorbed dose is considered, erroneous conclusions will be consequently taken regarding the absorbed dose by the dosimeter. Overall, though more studies need to be done, especially regarding the fading associated to the dosimeters EPR signals, the lithium formate dosimetry system is considered a very promising tool for dose verifications in proton beam irradiations. The system not only presents a linear behaviour as it allows dose estimations with uncertainties lower than the 4 % uncertainty limit accepted in dose delivery processes. Therefore, the lithium formate dosimetry system might actually be a good candidate for audits in proton radiation therapy.Peralta, Luís Filipe dos Santos Garcia,1961-Lund, EvaRepositório da Universidade de LisboaCosta, Tatiana Pedro Cordeiro2018-02-21T16:10:45Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/31900TID:201853850enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2025-03-17T13:49:57Zoai:repositorio.ulisboa.pt:10451/31900Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T02:55:28.903891Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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