Buchner, K. (2022). Magnetic resonance-based polymer gel dosimetry: The impact of high Z elements as add-ons to gel dosimeters for increasing local dose in radiation therapy [Diploma Thesis, Technische Universität Wien; Medizinische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2022.82752
Um Langzeitfolgen der Strahlentherapie zu reduzieren ist es ein wichtiges Ziel der Strahlentherapie die zerstörende Wirkung ionisierender Strahlung auf den pathologischen Bereich (z.B. ein Tumor) einzugrenzen. Dadurch kann das Risiko von Langzeitfolgen wie zum Beispiel Sekundärtumoren im gesunden Gewebe reduziert werden. Die lokale Wirkung der ionisierenden Strahlung könnte erhöht werden, indem Moleküle hinzugefügt werden, die Atome einer hohen Ordnungszahl Z enthalten (high Z Moleküle). Ein Beispiel dafür sind Gefäßkontrastmittel für Tumore, die den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) aufweisen. Nach Röntgen- oder Gammabestrahlung ist die relative Dosis in diesen Regionen erhöht (rDE > 1). Die MRT-basierte Geldosimetrie ist in der Lage, Veränderungen der Dosisverteilung in hoher Auflösung in 3D zu visualisieren. Die Empfindlichkeit der Polymergel-Dosimeter mit Zusätzen aus chemischen Verbindungen mit Atomen hoher Ordnungszahl Z kann jedoch auch durch chemische Wechselwirkung verändert werden. Wir untersuchten den Einfluss verschiedener Additive mit Elementen hoher Kernladungszahl (high Z additives) auf die Dosis-Wirkung eines selbst hergestellten Gel-Dosimeters. Die Polymergel-Dosimeter wurden hausintern mit Dithiothreitol als Sauerstofffänger hergestellt. Wismut, Silberjodid und Iopromid (ULTRAVIStTM) wurden als Zusätze für die Polymergele gewählt. Der Bestrahlungsplan umfasste ein Kleintier-Bestrahlungsgerät basierend auf Röntgengeräten und dem Elektronen-LINAC ELEKTA der Radioonkologie im Allgemeinen Krankenhaus Wien (AKH). Die Dosisantwort kann als transversale Relaxationszeit T2 gemessen werden, die sich mit zunehmender radikalisch initiierter Polymerisation ändert. Parameter-selektive T2-Bilder wurden auf dem Ultra-Hochfeld (UHF) 7 T-MR-Tomographen für Humananwendungen und einem Mikrogradienten-Einsatz mit sensitiven Radiofrequenz-Detektoren gemessen. Die Relaxationsrate R2 = 1/T2 wurde zur Quantifizierung der Dosisreaktion der verschiedenen Polymergele verwendet. Die mit Iopromid dotierten Polymergele (wZ_Iopr/wdoped_Gel = 0.006) zeigten eine Dosiserhöhung um etwa 70 % (rDE etwa 1,7) im Vergleich zum nicht dotierten Polymergel. Eine weitere erwartete relative Dosiserhöhung (rDE) trat bei höheren Konzentrationen von ULTRAVIStTM nicht auf. Auch eine Dosiserhöhung von Polymergelen mit dem Zusatz Wismut konnte beobachtet werden. Bei niedrigeren Wismutkonzentrationen (wZ_Bi/wdoped_Gel = 0.003 und wZ_Bi/wdoped_Gel = 0.006) war eine Dosiserhöhung zu erkennen. Höhere Konzentrationen von Wismut (wZ_Bi/wdoped_Gel = 0.006) sind aufgrund von Agglomeration und Segregation problematisch. Für Silberjodid konnte in keiner der Konzentrationen eine relative Dosiserhöhung beobachtet werden. ULTRAVISTTM, ein derzeit eingesetztes Kontrastmittel, kann potenziell die lokal applizierte Dosis in einem pathologischen Bereich signifikant erhöhen.
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The main goal of radiation therapy is the confinement and/or limitation of the destructive power of ionizing radiation to the pathological region (e.g. tumour). This also reduces the risk of long-term consequences such as secondary tumours in adjacent healthy tissue. The local destructive power of radiation might be increased via dose enhancement by adding molecules containing atoms of a high atomic number Z, e.g. vessel contrast agents for tumours exhibiting vascular endothelial growth factor (VEGF). After Χ- or gamma irradiation the relative dose in these regions is enhanced (rDE > 1). MRI-based gel dosimetry is in principle capable to visualize changes in the dose distribution in all of the three dimensions with high spatial resolution (3D-dosimetry). However, the sensitivity of the polymer gel dosimeters with high Z add-ons might also be changed by chemical interaction. We investigated the impact of different high Z additives on the dose response of an in-house prepared gel-dosimeter.The polymer gel dosimeters were prepared in-house using dithiothreitol as oxygen scavenger. Bismuth, silver iodide and iopromide (ULTRAVISTTM) were chosen as add-ons for the polymer gels. These were expected from principle to modify the energy absorption due to containing high Z elements. The irradiation schedule comprised a small-animal irradiation apparatus based on X-ray devices and the electron-LINAC ELEKTA of the Radio-Oncology at the General Hospital of Vienna (AKH). The dose response was measured as transverse relaxation time T2, which changes with increasing radiation dose and radical initiated polymerization. Parameter selective T2-maps were obtained using the Ultra-High-Field (UHF) 7 T-MRI scanner for human applications equipped with a micro gradient insert and sensitive rf-coils. The relaxation rate R2 = 1/T2 was used for quantifying the dose response of the different polymer gels.The response of polymer gels doped with iopromide (w_Z_Iopr/wdoped_Gel = 0.006) showed a dose increase by about 70 % (rDE about 1.7) in comparison to the non-doped polymer gel. A further expected increase in rDE did not occur for higher concentrations of ULTRAVIST. A dose increase in polymer gel with the add-on Bismuth could be observed as well. At lower concentrations of bismuth (wZ_Bi/wdoped_Gel = 0.003 and w_Z_Bi/wdoped_Gel = 0.006) an increase in dose was measured. Higher concentrations of Bismuth (wZ_Bi/wdoped_Gel = 0.006) were problematic, due to agglomeration and segregation. For silver iodide, no dose increase was observed in any of the concentrations.A relative dose enhancement of about 70 % could be proven with the add-on ULTRAVISTcontaining the high Z element iodine. ULTRAVIST, a currently used contrast agent, can therefore potentially increase the locally applied dose in a pathological region significantly. The concept of applying locally chemical compounds or liquids used as diagnostic contrast agents containing elements with high Z could enhance the local effectiveness of radiation therapy in future. To our knowledge, we firstly observed this enhancement for iopromide using a polymer gel dosimeter.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers