Validatie en optimalisatie van een voxel fantoom en het design van een dosimeter bij het gebruik van een loden schort voor medisch personeel in de interventionele radiologie

Kim Kauwenberghs
Het aantal medisch nucleaire beeldvormingtechnieken die dagelijks gebruikt worden in onze ziekenhuizen neemt zienderogen toe. De verschillende medisch nucleaire toepassingen worden traditioneel onderverdeeld in radiologie, radiotherapie en nucleaire geneeskunde. De laatste jaren is een nieuwe categorie ontstaan: de interventionele radiologie. In de interventionele radiologie worden invasieve behandelingen, zoals bijvoorbeeld het verwijderen van tumoren, vervangen door eenvoudige kijkoperaties.

Validatie en optimalisatie van een voxel fantoom en het design van een dosimeter bij het gebruik van een loden schort voor medisch personeel in de interventionele radiologie

Het aantal medisch nucleaire beeldvormingtechnieken die dagelijks gebruikt worden in onze ziekenhuizen neemt zienderogen toe. De verschillende medisch nucleaire toepassingen worden traditioneel onderverdeeld in radiologie, radiotherapie en nucleaire geneeskunde. De laatste jaren is een nieuwe categorie ontstaan: de interventionele radiologie. In de interventionele radiologie worden invasieve behandelingen, zoals bijvoorbeeld het verwijderen van tumoren, vervangen door eenvoudige kijkoperaties. Hierbij wordt gebruik gemaakt van nucleaire medische beeldvormingtechnieken zoals CT (computed tomografie) en RX (klassieke radiografie). De complexe procedures vergen echter een groot aantal beeldopnamen, lange opnametijden en lange proceduretijden. Hierdoor is de hoeveelheid nucleaire straling, dosis genoemd, opgelopen door zowel de patiënt als het medisch personeel hoger in vergelijking met conventionele radiologie. De stralingshoeveelheid voor patiënten is medisch verantwoord. Medisch personeel daarentegen loopt ten gevolgen van de vele procedures die ze per dag uitvoeren, een behoorlijke jaarlijkse stralingsbelasting op. Persoonlijke dosisopvolging is hierdoor vereist.

    In België zijn alle menselijke activiteiten waarbij ioniserende straling aangewend wordt, onderworpen aan de reglementaire bepalingen die vermeld worden in het Koninklijk Besluit op de Stralingsbescherming van 20 juli 2001. Hierdoor is persoonlijke dosisopvolging voor medisch personeel bij wet verplicht. Dit gebeurt door middel van een dosimeter, d.i. een klein dun doosje met een detector binnenin, dat op borsthoogte gedragen dient te worden. De dosimeter wordt gedurende een periode van 1 maand of 3 maanden gedragen en wordt nadien door een gecertificeerde instantie uitgelezen. Op deze manier wordt de opgelopen dosis van een persoon gedurende gans zijn carrière opgevolgd en kunnen maatregelen genomen worden bij onregelmatige of te hoge uitleeswaarden.

   De dosimeters die momenteel beschikbaar zijn, geven echter geen goede indicatie van de opgelopen dosis indien het medisch personeel een loden schort en/of schildklierbeschermer draagt ter bescherming. Indien de detector namelijk boven de beschermingskledij gedragen wordt, geeft het een te grote uitleeswaarde doordat geen rekening wordt gehouden met de beschermende werking van het lood. Een dosimeter gedragen onder het lood geeft een te lage dosiswaarde, omdat geen rekening wordt gehouden met de lichaamsdelen die niet beschermd worden door het lood. In de praktijk wordt daarom gebruik gemaakt van dubbele dosimetrie, d.w.z. dat zowel een dosimeter boven als onder de loden schort gedragen wordt. Een wiskundige combinatie van de twee uitleeswaarden wordt gebruikt als maat voor de opgelopen dosiswaarde. Het probleem is echter dat het dragen van twee dosimeters niet economisch is en dat veel verschillende berekeningsalgoritmen in de wereld gehanteerd worden. Bovendien moeten de dosimeters consequent boven/onder het lood gedragen worden. Onderlinge verwisseling leidt tot een incorrecte dosiswaarde.

   Het studiecentrum voor Kernenergie (SCK•CEN) heeft één van zijn onderzoeken gewijd aan dit probleem. Samen met Kim Kauwenberghs, een laatstejaarsstudent Burgerlijk Ingenieur Toegepaste Natuurkunde van de universiteit Gent, heeft de expertisegroep Radiation Protection Dosimetry and Calibration van SCK•CEN getracht een nieuwe dosimeter te ontwerpen die een goede meetwaarde geeft van de stralingsdosis opgelopen door medisch personeel in de interventionele radiologie indien gebruik wordt gemaakt van een loden schort ter bescherming. Dubbele dosimetrie, en de hiermee samenhangende nadelen, worden door deze nieuwe dosimeter vermeden.

   Het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van het softwarepakket Monte Carlo N-Particle Transport (MCNP-X). In de praktijk wordt naast experimentele meetprocedures veel gebruik gemaakt van Monte Carlo simulaties: klinische situaties worden zeer nauwkeurig gesimuleerd en relevante dosimetrische grootheden worden berekend. Patiënten en/of medisch personeel worden in deze simulaties benaderd door een ICRU-slab fantoom, d.i. een kubus opgebouwd uit weefsel equivalent materiaal, een mathematisch fantoom, d.i. de anatomie van de mens voorgesteld met behulp van eenvoudige geometrische vormen zoals kubussen, ellipsoïden en kegels, en voxel fantomen, d.i. de anatomie van de mens gebaseerd op digitale beelden bekomen door CT of MRI (magnetic resonance imaging) van leden van de bevolking. Doordat voxel fantomen een realistische representatie geven van de anatomie van het menselijk lichaam, werd het Male Adult voXel fantoom (MAX) gebruikt bij dit onderzoek. In een eerste fase werd dit voxel fantoom geoptimaliseerd en gevalideerd.

   Het design van de nieuwe dosimeter werd stapsgewijs uitgevoerd. Hierbij werd aan de huidige dosimeter die gehanteerd wordt door SCK•CEN voor persoonsdosimetrie stap voor stap kleine veranderingen doorgevoerd. Het effect van de verandering op de gemeten dosiswaarde werd op deze manier onderzocht. Met behulp van deze gegevens werd getracht een nieuwe dosimeter geometrie te ontwerpen. De dosimeter werd bovendien zodanig ontworpen dat hij boven de persoonlijke beschermingsmiddelen gedragen dient te worden.

   Het beste resultaat werd bekomen door een 0.3 mm loden filter voor en een 8 cm teflon filter achter de detector toe te voegen in de originele dosimeter geometrie. De nieuwe dosimeter geeft een goede indicatie van de stralingsdosis opgelopen door medisch personeel in de interventionele radiologie die gebruik maken van een loden schort ter bescherming.

   Deze nieuwe dosimeter geometrie is echter niet in realiteit te verwezenlijken vanwege zijn 10 cm dikte. SCK•CEN zet het onderzoek verder in de hoop een detector te ontwerpen die niet enkel een goede indicatie geeft van de stralingsdosis opgelopen door medisch personeel in de interventionele radiologie die gebruik maken van een loden schort en/of een loden schildklierbeschermer, maar ook praktisch te verwezenlijken is.

Bibliografie
  • K. Kauwenberghs,  Validatie  van berekende energiespectra  en luchtkerma  rondom  een X-stralenbuis,  Xios hogeschool Limburg,(2008).
  • Stralingsbeschermingsdienst SBD-TU/e,  Persoonsdosimetrie voor uitwendige bestral- ing, Technische Universiteit  Eindhoven,  (2010).
  • G. J. Koteles, Editorial  Review:  The Low Dose Dilemma, Frederic  Joliot-Curie  Na- tional  Research  Institute for Rabiobiology  and  Radiohygiene,  cejoem,  vol.4. no.2.,103-113, (1998).
  • Koninkrijk  Belgi¨e ministerie  van binnenlandse  zaken, Koninklijk besluit houdende al- gemeen  reglement  op de bescherming  van  de bevolking, van  de werknemers  en  het leefmilieu tegen het  gevaar  van de ioniserende  stralingen.,  Federale  Overheidsdienst Justitie, (20 juli 2001).
  • H. Bosmans, L. Struelens, G. Maleux, G. Marchal, Patient dosimetry in interventional radiology, Departement of Radiology, University Hospitals of the KU Leuven, Belgium.
  • Fanc,   Het gebruik van  röntgenstralen  voor medische doeleinden, http://consilium.radiologicum.googlepages.com/fanc  nl.pdf, (1 augustus  2005).
  • L. Struelens,  L. Donaville, J. M. Bordy, F. W. Schultz, M. Fu¨lop,  C. Carrapi¸co, K. Ennow, C. Itie, M. Denoziere, J. Daures, MONTE CARLO MODELLING FOR MED- ICAL STAFF DOSIMETRY:  Summary  of the submitted problem solutions,  (oktober 2007).
  • Fanc, Koninklijk besluit van 20juli  2001 houdende algemeen reglement op de bescherming van de bevolking,  van de werknemers en  het  leefmilieu tegen  het gevaar van de ioniserende        stralingen, http://consilium.radiologicum.googlepages.com/fanc  nl.pdf, (20 juli 2001 ARBIS).
  • International Commission on Radiological Protection, Annals of the ICRP:  Conver- sion Coefficients for use in Radiological Protection  against  External  Radiation,  ICRP Publication 74, Permagon,  (1997).
  • H.  Jarvinen,  N.  Buls,  P.  Clerinx,   J.   Jansen,   S.  Miljanic,  D.  Nikodemova,   M. ogajec-Komor,  F. d’Errico,  Overview of double dosimetry  procedures  for the de- termination of the effective dose to the interventional radiology staff, Radiation  Pro- tection Dosimetry,  vol.129, no. 1-3, pp. 333-339, (2008).
  • F.  W.  Schultz,  J.  Zoetelief,  Estimating  effective dose for  a  cardiac  catheterisation procedure with single or double personal dosemeters, Radiation  Protection Dosimetry, vol.118, no. 2, pp. 196-204, (2006).
  • K.  Hayashi,   R.  Tayama,   K.  Shibata,   T.  Honda,   M.  Moritomo,   T.  Izumida,   T.
  • Horikawa, S. Kanaya, K. Kusakabe, Development of a simpla method to evaluate med- ical staff radiation dose ands its application  to a software system supporting  PET  fa- cility operation,  Radiation Protection Dosimetry, vol.116, no. 1-4, pp. 196-201, (2005).
  • SCK•CEN,     MAX-voxel     phantom,       http://www.sckcen.be/nl/media/images/our- research/max-voxel-phantom,  (2011).
  • E.  J Meeuwsen,  P.  Stoop,  H. Bijwaard,  Kwaliteitsborging  ter  optimalisatie  van  de pati¨entdosis in de interventieradiologie,  rivm rapport  300080002/2007, 1-30, (2007).
  • C. Wernli, Refresher Course RC-3b, External  Dosimetry:  Operational  Quantities  and their Measurement,  11the International Congress of the International Radiation  Pro- tection Association (IRPA),  Madrid,  1-9, (2004).
  • G. Dietze, K. Eckerman,  H. Menzel, J. Stather, C. Streffer, Updated draft after public consulation,  Basis for dosimetric  quantities  used in radiological protection  (Annex B of Main  Recommendations),  International  Commission  on Radiological  Protection, committee  2, 8-38 + 43, (2006).
  • H. Thierens,  Stralingsdosimetrie,  Universiteit  Gent,  (2010).
  • X. G Xu, W. D. Reece, Sex-specific tissue weighting factors for effective dose equivalent calculations, Health  Phyics, volume 70 number 1, 81-86, (januari  1996).
  • M. Zankl, G. Drexler, Some critical  remarks  on the use of sex-specific tissue weight- ing factors  for  effective dose equivalent calculations,  Health  Phyics Society, 486-487, (1997). 
  • International Commission on Radiological Protection, Annals of the ICRP:  Avoidance of Radiation  Injuries  from Medical Interventional Procedures,  ICRP  Publication 85, Permagon,  (2000).
  • European  Integrated Project  MAESTRO,  www.maestro-research.org,  Methods  and Advanced Equipment for Simulation  and Treatment in Radio Oncology, (2010).
  • Oxford  University,   Radiation   Protection Dosimetry, http://rpd.oxfordjournals.org/content/early/2007/05/20/rpd.ncm067/F3.ex…, (2011).
  • L. Struelens,  optimization  of patient  doses, linked to image quality, in vascular radi- ology, VUB, SCK•CEN, (2004).
  • SCK•CEN,  Welkom        bij       de       dienst         dosimetrie         van         het        SCK, http://www.sckcen.be/dosimetry/nl/index.htm,  (2010).
  • Nuclear Research and consultancy  Group  (NRG),  Toelichting persoonsdosimetrie,  b-08-033, (2010).
  • Universiteit Anntwerpen, Deel 1: Dosimetrie, http://www.ua.ac.be/main.aspx?c=*pbw& n=14617,  (2010). Tld   poland,   LiF:Mg,Ti   THERMOLUMINESCENT  PHOSPHOR   &  PELLETS, http://www.tld.com.pl/tld/mts.html#m,  (2011).
  • J. F. Briesmans,  MCNP-X:  A general Monte Carlo  N-Particle  Transport Code - ver- sion 4B, 1-190, (1997).
  • H. Janssens,  Medische dosimetrie,  4 Ind.  Ing. MNt  Medisch Nucleaire  Technieken, code I 153 000012152, Xios Hogeschool, (2008).
  • Kenneth  S. Krane, Iintroductory  Nuclear physics, second edition, John Wiley & Sons, 202, (1988).
  • Arcelor  Mittal,  Sikkel      kiest       voor      een       zinklaag       met       uitstraling         · · · , http://www.arcelormittal.com/gent/prg/selfware.pl?id sitemap=100&language=nl, (2010).
  • James Wittke,  Glossary   A,  http://www4.nau.edu/meteorite/meteorite/book- glossarya.html,  (2010).
  • Invision   Power  Board,  Physics  and technology discussion forum, http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/imgqua/compton.gif, (2010).
  • Kenneth  S. Krane, Iintroductory  Nuclear physics, second edition, John Wiley & Sons, p. 200, (1988).
  • X-5 Monte Carlo Team,  MCNP: A general Monte Carlo N-Particle  Transport Code - version 5, 1-340, (2003).
  • J. K. Shultis,  R. E. Faw, An MCNP Primer, Dept.  of Mechanical and Nuclear Engi- neering Kansas State  University, 1-40, (2006).
  • Nele De Belie, R. E. Faw, Waarschijnlijkheidsrekening en statistiek, Universiteit  Gent- departement ingenieurswetenschappen, (2007).
  • V. Taranenko,  M. Zankl,  H. Schlattl,  Voxel phantom  setup in MCNPX,  American Nuclear  Society Topical Meeting in Monte Carlo, Chattanooga, 1-5, (april 2005).
  • Z & Z Medical, Inc,  Your Source for Medical  Imaging Sup- plies,  Bar-Ray  Stretch Back Reverse Wrap  X-Ray Lead  Apron, http://www.zzmedical.com/zencart/barray-stretch-back-reverse-wrap-xray-…- apron-p-826.html?zenid=c99103eaa87c5161dfd3468de17f4464,  (2010).
  • Praxisdienst, R¨ontgenbescherming schildklier, http://www.praxisdienst.nl/nl/Diagnos- tiek/Vakspecifieke+diagnostiek/Roentgen+benodigdheden/Roentgenbescherming/ Roentgenbescherming+schildklier.html,  (2010).
  • Softwarepakket  mcnp-x versie 2.5.0.
  • International Commission on Radiological Protection, Annals of the ICRP:  The Rec- ommendations  of  the  International Commission  on  Radiological  Protection,   ICRP Publication 103, Permagon, (2007).
  • I. Clairand,  J.-M. Vordy, J. Daures, J. Debroas, M. Denozi`ere, L. Donadille, M. Gin- jaume,  C. Iti´e,  C.  Koukorava,  S. Krim,  A.-L. Lebacq,  P.  Martin,  L. Struelens,  M. Sans-Merc´e, M. Tosic, F. Vanhavere,  Active personal dosemeters in interventional ra- diology: testes in laboratory conditions and in hospitals, Radiation  Protection Dosime- try, vol. 144, no. 1-4, pp. 453-458, (24 december 2010).
  • S. D. King, F. W. Spiers, Photoelectron  enhancement of the absorbed dose from x rays to human bone  marrow:  experimental  and theoretical  studies,  Br. J.  Radiol.,  vol. 58, pp. 345-356, (1985).
  • Robert  Redus,  charge Trapping  in XR-100T-CdTe  and -CZT Detectors  Application Note (ANCZT-2 Rev. 3), http://www.amptek.com/cdte 12.png, april 2011.
  • Joey   Huston,  The Compton Effect, course  webpage: http://www.pa.msu.edu/h˜uston/phy192 s08/,  2011.
  • Frits  van der Meer, Afbeeldingskwaliteit van r¨ontgendiagnostische systemen - Gereed- schappen voor de klinische fysische praktijk, Erasmus Universiteit  Amsterdam,  1997.
  • Machinist-Materials,             Plastics        Comparison        Table,         http://www.machinist- materials.com/comparison table  for plastics.htm, 2011.
  • NIST  - Physical  Measurement Laboratory, Composition   of  POLY- TETRAFLUOROETHYLENE  (TEFLON),  http://physics.nist.gov/cgi- bin/Star/compos.pl?matno=227, 2011.
  • International Commission on Radiological Protection, Annals of the ICRP:  1990 Rec- ommendations  of  the  International Commission  on  Radiological  Protection,   ICRP Publication 60, Permagon,  (1991).
  • K. Cranley,  B. J.  Gilmore, G. W. A. Fogarty,  L.Desmonds, Catalogue of Diagnostic X-ray Spectra and Other Data,  The Institute of Physics and Engineering in Medicine, Report  No78, (1997).
  • ORAMED,  Optimization  of the use of active personal  dosemeters  in interventional radiology (Work Package 3), Deliverable 3.1: Report  on systematic  studies on APDs in laboratory  conditions  and in real conditions,  Hoofdstuk2, (2010).
  • ORAMED,  Eye-Lens Dosimetry,  A new Monte Carlo  approach  to define the opera- tional  quantity  H p(3), (2010).
  • D. B. Pelowitz,  MCNP-X  use‘s Manual  version  2.5.0.,  D-5 MCNP-X  Development Team Leader ORNL/RSICC, 1-187, (2005).
  • Indiamart,        Art/Rando   Phantoms, h, (maart ttp://www.indiamart.com/company/620141/products.html2011)
  • Wikipedia, Nauwkeurigheid en precisie, http://nl.wikipedia.org/wiki/precisie, (2010). [63] Urania,   De  Big   Bang   theorie voor  het  ontstaan van het  heelal, http://www.urania.be/sterrenkunde/kosmologie/bigbang.php, (2010).
  • Jerrold  T. Bushberg,  J. Anthony  Seibert,  Edwin M. Leidholdt,  John M. Boone, The essential physics of medical imaging, second edition, Lippencott  Williams & Wilkins, 21-48 97-144, (2002).
  • ir. jessica Pages, Calculation  of staff doses in complex radiological examinations,  Bel- gian Nuclear Higher Education  Network, (2005).
  • White  Rock Science, Moritz Geometry  Tool:  An interactive  Editor/Viewer for MC- NPX & MCNP.
  • R. Kramer,  J.W.  Vieira,  H.J.  Khoury,  F.de  Andrade  Lima,  MAX meets ADAM: a dosimetric  comparison  between a voxel-based and a mathematical  model for external exposure to photons, Physics in Medicine and Biology, no. 49, pp. 887-910, (2004).
  • H. Schlattl,  M. Zankl, N. Petoussi-Henss,  Organ dose conversion coefficients for voxel models of the  reference  male and female from idealized photon exposures, Physics in Medicine and Biology, no. 52, pp. 2123-2145, (2007).
  • R. Kramer, J.W. Vieira, H.J. Khoury, F.R.A. Lima, D. Fuelle, All about MAX: a male adult voxel  phantom  for Monte Carlo  calculations  in radiation protection  dosimetry, Physics in Medicine and Biology, no. 48, pp. 1239-1262, (2003).
  • M. Zankl, N. Petoussi-Henss,  U. Fill, D. Regulla, Organ dose conversion coefficients for external photon irradiation of male and female voxel models, Physics in Medicine and Biology, no. 47, pp. 2367-2385, (2002).
  • Fedarale  Overheidsdienst  Werkgelegenheid,  Arbeid  en Sociaal  Overleg,Persoonlijke Beschermingsmiddelen   (PBM),   http://www.werk.belgie.be/detaila z.aspx?id=1322,  (2010).

 

Universiteit of Hogeschool
Burgerlijk ingenieur Toegepaste Natuurkunde
Publicatiejaar
2011
Kernwoorden
Share this on: