Dozymetria żelowa
Dozymetry żelowe , zwane także dozymetrami żelowymi Fricke'a , są wytwarzane z wrażliwych na promieniowanie substancji chemicznych, które pod wpływem napromieniowania promieniowaniem jonizującym ulegają zasadniczej zmianie swoich właściwości w funkcji pochłoniętej dawki promieniowania.
Przez wiele lat ludzie próbowali mierzyć rozkłady pochłoniętych dawek promieniowania za pomocą żeli. Już w 1950 r. wywołana promieniowaniem zmiana barwy barwników była wykorzystywana do badania dawek promieniowania w żelach. Ponadto w 1957 r. zbadano za pomocą spektrofotometrii głębokie dawki fotonów i elektronów w żelach agarowych. Dzisiejsza dozymetria żelowa opiera się jednak głównie na pracach Gore'a i wsp. , którzy w 1984 r. wykazali, że zmiany spowodowane promieniowaniem jonizującym w roztworach dozymetrycznych Fricke'a, opracowanych w latach dwudziestych XX wieku, można mierzyć za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR).
Dozymetry żelowe generalnie składają się z dwóch typów; Fricke'a i polimerowych dozymetrów żelowych i są zwykle oceniane lub „odczytywane” za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI), optycznej tomografii komputerowej (CT), rentgenowskiej tomografii komputerowej lub ultradźwięków .
Od 1999 roku w różnych międzynarodowych miejscach odbywają się serie konferencji DosGel i IC3DDose na temat dozymetrii żelowej.
Dozymetry żelowe firmy Fricke
Gore i wsp. zbadali właściwości relaksacyjne jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR) napromieniowanych roztworów dozymetrycznych Fricke'a lub siarczanu żelazawego, wykazując, że zmiany wywołane promieniowaniem, w których jony żelaza (Fe 2+ ) są przekształcane w jony żelaza (Fe 3+ ), mogą być określono ilościowo za pomocą pomiarów relaksacji NMR. W 1986 Appleby i wsp. donieśli, że roztwory dozymetryczne Fricke'a rozproszone w żelowej matrycy mogą być użyte do uzyskania trójwymiarowej (3D) przestrzennej informacji o dawce za pomocą obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI). Następnie wykazano, że napromieniowane dozymetry żelowe typu Fricke'a nie zachowywały przestrzennie stabilnego rozkładu dawki z powodu dyfuzji jonów w napromieniowanych dozymetrach. Zbadano roztwory Fricke'a z różnymi środkami żelującymi, takimi jak żelatyna, agaroza, sephadeks i alkohol poliwinylowy (PVA), a także czynniki chelatujące, takie jak oranż ksylenolowy (XO), aby zmniejszyć dyfuzję. Wielu autorów następnie opublikowało wyniki swojej pracy nad hamowaniem dyfuzji jonów z ograniczonym powodzeniem, co zostało podsumowane przez Baldocka i in .
Dozymetry żelu polimerowego
Systemy polimerowe do stosowania dozymetrii promieniowania zostały po raz pierwszy zaproponowane już w 1954 r., Kiedy Alexander i wsp. Omówili wpływ promieniowania jonizującego na polimetakrylan metylu. Następnie Hoecker i in. w 1958 r. zbadali dozymetrię polimeryzacji indukowanej promieniowaniem w cieczach, aw 1961 r. Boni użył poliakryloamidu jako dozymetru promieniowania gamma. Znacznie później, w 1991 roku, Audet i in . opisali zmiany w pomiarach relaksacji poprzecznej NMR napromienionego tlenku polietylenu. W 1992 roku Kennan i wsp . donieśli o badaniach wzdłużnej relaksacji NMR przeprowadzonych na napromienionym wodnym roztworze N,N'-metyleno-bis-akryloamidu i agarozy, które wykazały, że szybkość relaksacji wzrasta wraz z pochłoniętą dawką.
i wsp . zaproponowali nową formułę dozymetrii żelowej , opartą na polimeryzacji monomerów akryloamidu i N,N'-metyleno-bis-akryloamidu (bis) wlewanych do wodnej matrycy agarozowej. Systemowi temu nadano akronim BANANA ze względu na zastosowanie składników chemicznych (bis, akrylamid, podtlenek azotu i agaroza). Ten typ dozymetru żelowego nie miał związanego z tym problemu dyfuzji żeli Fricke'a i wykazano, że ma stosunkowo stabilny rozkład dawki po napromieniowaniu. Reakcja polimeryzacji zachodziła poprzez sieciowanie monomerów indukowane przez wolnorodnikowe produkty radiolizy wody. W 1994 roku preparat BANANA został udoskonalony poprzez zastąpienie agarozy żelatyną i otrzymał akronim BANG (bis, akrylamid, azot i wodna żelatyna), pierwszy z serii nowych preparatów żelowych polimerów. W 1994 roku ten preparat został opatentowany i stał się dostępny na rynku przez MGS Research Inc. jako BANG® . Następnie, ze względu na nazewnictwo produktu handlowego, PAG stał się akronimem dozymetru w żelu polimerowym wybieranym przez większość autorów. Wielu autorów opublikowało następnie wyniki prac badających różne składy i formuły dozymetrów z żelem polimerowym, które zostały podsumowane przez Lepage'a i in .
Chociaż dozymetry polimerowe nie miały ograniczeń dyfuzyjnych dozymetrów żelowych typu Fricke'a, istniało inne istotne ograniczenie w ich stosowaniu. Ze względu na charakter chemii wolnorodnikowej dozymetry z żelem polimerowym były podatne na inhibicję procesów polimeryzacji przez tlen atmosferyczny. W rezultacie te dozymetry żelowe musiały być wytwarzane w środowisku beztlenowym, na przykład w komorze rękawicowej pompowanej azotem. Wraz ze stosowaniem potencjalnie toksycznych chemikaliów było to istotnym ograniczeniem we wprowadzaniu dozymetrii żelowej do kliniki.
W tym okresie podjęto szereg badań w celu zbadania zastosowań klinicznych radiologicznych równoważnych tkankowo dozymetrów żelowych typu PAG przy użyciu MRI. De Deene i wsp. podjęli się zbadania ogólnej dokładności fantomu dozymetrycznego antropomorficznego polimeru żelowego w celu weryfikacji konformalnych metod radioterapii. Ustalono, że istotne problemy związane z dokładnością tej techniki dozymetrycznej wynikają z inhibicji tlenu w żelu polimerowym oraz artefaktów obrazowania MRI.
Autorzy kontynuowali badanie aspektów klinicznych dozymetrii żelu polimerowego za pomocą MRI, w tym terapii konformalnej, IMRT i IMAT, radiochirurgii stereotaktycznej, brachyterapii, niskoenergetycznych promieni rentgenowskich, terapii o wysokim LET i terapii protonowej, terapii neutronowej wychwytującej bor oraz niejednorodności tkanek.
Normoksyczne dozymetry żelowe polimerowe
i wsp. opublikowali w 2001 roku wyniki stosowania alternatywnej formuły dozymetru z żelem polimerowym. Ten nowy typ dozymetru z żelem polimerowym, znany jako żel MAGIC, wiązał tlen atmosferyczny w metaloorganiczny kompleks, usuwając w ten sposób problem inhibicji tlenowej i umożliwiając wytwarzanie żeli polimerowych na stole laboratoryjnym. Stworzyło to coś, co miało być znane jako normoksyczny dozymetr żelowy, w porównaniu z poprzednim preparatem PAG, który później stał się znany jako dozymetr żelowy hipoksyjny. Preparat żelu polimerowego MAGIC składał się z kwasu metakrylowego, kwasu askorbinowego, żelatyny i miedzi. Podstawą żelu MAGIC jest wychwytujący tlen kwas askorbinowy. Kwas askorbinowy wiąże wolny tlen zawarty w wodnej matrycy żelatyny w kompleksy metaloorganiczne, a proces ten jest inicjowany przez siarczan miedzi. i wsp. wykazali w 2002 r., że inne przeciwutleniacze mogą być stosowane do wytwarzania żeli normoksycznych, w tym chlorek tetrakis (hydroksymetylo) fosfoniowy, po raz pierwszy zasugerowany Baldockowi przez Billinghama w 1996 r. Wielu autorów opublikowało następnie wyniki prac badających różne składy i preparaty normoksycznych dozymetrów żelowych polimerów i zostały podsumowane przez Sendena. Inne prace obejmowały również opracowanie mniej toksycznych żeli polimerowych.
Podstawowe nauki leżące u podstaw dozymetrii w żelu polimerowym zostały poddane przeglądowi wraz z różnymi technikami „odczytu” i oceny oraz zastosowaniami dozymetrii klinicznej w publikacji Topical Review z 2010 r. autorstwa Baldocka i in .
Seria konferencji DosGel i IC3DDose
W czerwcu 1995 r., podczas dorocznego spotkania Amerykańskiego Stowarzyszenia Fizyków Medycyny (AAPM) w Bostonie, USA, Clive Baldock i L. John Schreiner dyskutowali o zasadności zorganizowania jakiejś formy specjalistycznego spotkania lub warsztatu dotyczącego dozymetrii żelowej. We wrześniu 1996 roku Clive Baldock i Lars Olsson, uczestnicząc w dorocznym spotkaniu Europejskiego Towarzystwa Radioterapii i Onkologii (ESTRO) w Wiedniu, Austria, zainicjowali organizację międzynarodowej serii konferencji na temat dozymetrii żelowej, która rozpoczęła się jako DosGel 99, 1st International Workshop on Radiation Therapy Gel Dosimetry, która odbyła się w Lexington w stanie Kentucky w 1999 r., a jej gospodarzem był Geoff Ibbott. Od 1999 roku kolejne DosGel odbywały się w Brisbane w Australii (2001), Gandawie w Belgii (2004), Sherbrooke w Kanadzie (2006) i Krecie w Grecji (2008). W 2010 roku konferencja odbyła się w Hilton Head, South Carolina, USA i przeszła zmianę nazwy na IC3DDose . Kolejne IC3DDose odbyły się w Sydney w Australii (2012), Ystad w Szwecji (2014), Galveston w Teksasie w USA (2016), Kushan w Chinach (2018) i wirtualnie (2021).
Celem pierwszego warsztatu było zgromadzenie osób, zarówno badaczy, jak i użytkowników, zainteresowanych zastosowaniem trójwymiarowych technik dozymetrii promieniowania w leczeniu raka, z mieszanką prezentacji od nauk podstawowych do zastosowań klinicznych . Pozostało to celem wszystkich konferencji. że jednym z powodów powstania DosGel 99 było wspieranie rosnącej klinicznej implementacji dozymetrii żelowej, ponieważ wydawało się, że w tamtym czasie technika ta opuszczała laboratoria entuzjastów dozymetrii żelowej i wkraczała do praktyki klinicznej. Najwyraźniej przez oznaczenie pierwszego warsztatu jako pierwszego, pojawiła się wizja kontynuacji serii, która została spełniona. Z drugiej strony oczekiwanie na szerokie kliniczne zastosowanie dozymetrii żelowej być może nie było tym, czego oczekiwano i oczekiwano. Niemniej jednak szybko rosnące zapotrzebowanie na zaawansowaną, precyzyjną technologię i techniki radioterapii 3D utrzymuje się w szybkim tempie. Zapotrzebowanie na praktyczne i dokładne metody dozymetrii 3D do opracowywania i zapewniania jakości tylko wzrosło. Na szóstym spotkaniu, które odbyło się w Południowej Karolinie w 2010 r., Komitet Naukowy Konferencji dostrzegł szerszy rozwój systemów i metod 3D i postanowił rozszerzyć zakres, zachowując ten sam zakres od nauk podstawowych do zastosowań. Zostało to zasygnalizowane zmianą nazwy z DosGel na IC3DDose , która jest kontynuowana do ostatniej konferencji, 11. konferencji IC3DDose , która odbyła się wirtualnie w maju 2021 r.