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The use of low energy photons in brachytherapy : dosimetric and microdosimetric studies around 103Pd and 125I seeds

by Reniers, Brigitte

Abstract (Summary)
The general context of this work is the use of low energy photon sealed sources in brachytherapy. We have worked in particular on two isotopes: I-125 (mean energy of 27 keV) and Pd-103 (mean energy of 21 keV). The sealed sources are prepared as cylindrical seeds 4.5 mm in length and 0.8 mm in radius. Even if the external dimensions are standard, the internal design can be extremely different from one model to the other as the manufacturers try to improve the dosimetric characteristics of their sources. These isotopes are used mainly as permanent implants for prostate tumours but can also be used in the treatment of eye tumours. Compared to the higher energy photon sources, they offer the physical advantages of a safer manipulation from a radioprotection point of view and of the reduction of the dose to the surrounding healthy tissues. When performing a clinical treatment, it is absolutely mandatory to be able to report very precisely various parameters that can have an impact on the patient treatment outcomes. These parameters are, for example, the prescribed dose, the doses at different organs, the degree of uniformity that has been achieved on the target or some dose-volume information. The brachytherapy treatment planning systems (TPS) also permit more and more to conform the treatment to the patient anatomy, like in external treatments. In the case of prostate tumours, it has been possible for a few years, using ultrasound imaging, to check the positioning of the seeds and to calculate the dose distribution in real time during the implantation procedure. It is clear that to achieve a good precision in the treatment itself, the sources dosimetric characteristics must be known with a maximum of precision. As at these low energies the dosimetric characteristics are very dependant on the internal design, this implies a thorough study of any new source design. This is the subject of the first part of this work with the determination of the dosimetric characteristics of two new models of seed produced by the IBt Company. That determination has been done using measurements with thermoluminescent detectors and Monte Carlo calculations with two codes: MCNP4C and EGSnrc. The comparison of these two codes with the measurements has brought into evidence the necessity to use up to date cross section libraries during the calculations and to take into account the presence of the detectors during the measurements. However, the dosimetry is only one part of the problem when dealing with these low energy sources in radiotherapy. The irradiated materials are complex living tissues, composed of many substructures on which radiations have not always the same impact. It is now largely accepted that the most radiosensitive part of a living cell is the DNA. When photons interact with matter, they produce electrons that deposit their energy as ionisations and excitations of the atoms. These ionisations, if they occur with or close to the DNA molecule, are responsible for damaging it. That structure can support a certain amount of damage and stay functional thanks to repair mechanisms, but these mechanisms have limits in the way they can handle multiple breaks in the DNA strands. If these breaks are too close in space and time, repair is not possible and the cell dies. The density of ionisations increases when the energy of the incoming photon decreases so it is expected that low energy photons will have a higher efficiency at killing cells and so a higher Relative Biological Effect than high energy photons. To study that subject, one must reduce the volume of matter considered during energy deposition events to reach the sizes relevant for cells, micron or even nanometre volumes. That is why the part of radiation physics dealing with that problem is called microdosimetry. The second part of this work is dedicated to a theoretical microdosimetric study of these low energy photon sources using the microdosimetric functions for volumes of 1µm and a cluster analysis study for nanometric volumes. The two types of studies show that the photons of 20-30 keV are effectively more biologically efficient than high energy photons. The microdosimetric results give a ratio of the relative to Co-60 of 2.6 for Pd-103 and 2.2 for I-125, which is concordant with the experimental values published by Wuu et al. (1996). The cluster analysis also shows that the electrons generated by photons of 20-30 keV produce more high order clusters than electrons of 300 keV. The mean cluster order for clusters of 10 nm is 3.0 for Pd-103 and is 3.3 for I-125 compared to 2.1 for electrons of 300 keV. In this case, I-125 shows a higher mean cluster order, which is related to a potentially higher biological efficiency. This is explained by the fact that I-125 photons interact with a probability of 51% by Compton Effect, when that probability decreases to 27% for Pd-103. Compton interactions generate a high number of very low electrons that deposit their energy very locally with a very high density of ionisations. More radiobiological studies are needed to determine which volume site is more relevant and therefore which kind of study better reflects the reality. / Le cadre général de ce travail est l'utilisation de sources scellées de photons de basse énergie en curiethérapie. Nous avons travaillé en particulier avec deux isotopes : I-125 (énergie moyenne de 27 keV) et le Pd-103 (énergie moyenne de 21 keV). Les sources scellées se présentent sous la forme de grains cylindriques de 4.5 mm de long et 0.8 mm de rayon. Bien que les dimensions externes soient standards, la configuration interne peut être extrêmement différente d'un modèle à l'autre vu que les fabricants essaient d'améliorer les caractéristiques dosimétriques de leurs sources. Ces isotopes sont utilisés comme implants permanents pour les tumeurs de la prostate mais peuvent aussi être utilisés dans le traitement des tumeurs ophtalmiques. Comparés aux sources de plus haute énergie, ils offrent l'avantage physique d'une manipulation plus facile du point de vue de la radioprotection et d'une réduction de la dose aux tissus sains avoisinants. Lors d'un traitement clinique, il est important de pouvoir rapporter précisément certains paramètres qui peuvent avoir un impact sur les résultats du traitement pour le patient. Ces paramètres sont par exemple la dose prescrite, les doses à différents organes, le degré d'uniformité atteint sur le volume cible ou certaines information dose-volume. Les systèmes de calcul de dose pour la curiethérapie permettent également de mieux en mieux de conformer le traitement à l'anatomie du patient, comme en radiothérapie externe. Dans le cas des tumeurs de la prostate, il est possible depuis quelques années de vérifier la position des sources et de calculer les distributions de dose en temps réel lors de l'implantation grâce à l'utilisation d'une sonde ultrason. Il est clair que pour arriver à une bonne précision lors du traitement lui-même, il est indispensable de connaître les caractéristiques dosimétriques des sources avec un maximum de précision. Vu que, à ces basses énergies, les caractéristiques dosimétriques sont très dépendantes de la structure interne de sources, cela implique une étude minutieuse et complète de chaque nouveau modèle de grain mis sur le marché. Ceci forme le cadre de la première partie de ce travail qui est la détermination des caractéristiques dosimétriques de deux nouveaux modèles de grains produits par la compagnie IBt. Cette détermination a été réalisée grâce à l'utilisation de détecteurs thermoluminescents et de calculs de Monte Carlo avec deux codes : MCNP4C et EGSnrc. La comparaison de ces deux codes avec les mesures a permit de mettre en évidence la nécessité d'utiliser des bibliothèques de sections efficaces récentes lors des calculs et de prendre en compte la présence des détecteurs lors des mesures. Cependant, la dosimétrie est seulement une partie du problème de l'étude des sources de basse énergie utilisée en radiothérapie. Les milieux irradiés sont des tissus vivants complexes, composés de plusieurs sous-structures sur lesquelles les radiations n'ont pas toujours le même effet. Il est maintenant largement accepté que la partie la plus radiosensible d'une cellule vivante est la molécule d'ADN. Lorsque des photons interagissent avec la matière, ils produisent des électrons qui eux-mêmes déposent leur énergie sous forme d'ionisation et d'excitations des atomes. Ces ionisations, si elles se passent à proximité ou dans la molécule d'ADN, peuvent endommager celle-ci. Cette structure peut supporter une certaine quantité de dommages tout en restant fonctionnelle grâce à des mécanismes de réparation, mais ces mécanismes connaissent des limitations dans la manière dont ils peuvent gérer les cassures multiples des brins d'ADN. Si ces cassures sont trop proches dans le temps et l'espace, la réparation n'est plus possible et la cellule meurt. La densité d'ionisation augmente lorsque l'énergie du photon décroît. Il est donc attendu que les photons de basse énergie auront un efficacité accrue pour tuer les cellules et donc une plus haute Efficacité Biologique Relative que les photons de haute énergie. Pour étudier cet effet, il faut réduire le volume de matière considéré lors des évènements responsables du dépôt d'énergie afin d'atteindre des dimensions d'un ordre représentatif pour les cellules, microns ou même nanomètres. C'est pourquoi la partie de la physique des radiations dédiée à ce problème est appelée microdosimétrie. La seconde partie de ce travail est dédiée à une étude microdosimétrique théorique des ces sources de photons de basse énergie utilisant le concept de fonctions microdosimétriques pour des volumes de 1 µm et une analyse de cluster pour des volumes de l'ordre du nanomètre. Les deux types d'étude montrent que les photons de 20-30 keV sont effectivement plus efficaces radiobiologiquement que les photons de hautes énergie. Les résultats microdosimétriques donnent un rapport de yD relatif au Co-60 de 2.6 pour le Pd-103 et de 2.2 pour l'I-125, ce qui est concordant avec les valeurs expérimentales publiées par Wuu et al. (1996). L'analyse de cluster montre aussi que les électrons générés par les photons de 20-30 keV produisent plus de clusters d'ordre élevé que les électrons de 300 keV. L'ordre de cluster moyen pour des clusters de 10 nm est de 3.0 pour le 103Pd et de 3.3 pour l'I-125 comparé à 2.1 pour des électrons de 300keV. Dans ce cas, l'I-125 montre un ordre de cluster moyen plus élevé, ce qui est lié à une efficacité biologique potentiellement plus élevée. Ceci est expliqué par le fait que les photons de l'I-125 interagissent par effet Compton avec une probabilité de 51 %, cette probabilité tombe à 27 % dans le cas du Pd-103. Les interactions Compton génèrent un grand nombre d'électrons de très basse énergie qui déposent leur énergie très localement avec une très haute densité d'ionisations. D'autres études biologiques sont nécessaires pour déterminer quel volume est plus adapté et donc quel type d'étude reflète le mieux la réalité.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Université catholique de Louvain

School Location:Belgium

Source Type:Master's Thesis

Keywords:physique médicale calcul de monte carlo détecteurs thermoluminescents cross section libra cluster analysis analyse calculation medical physics track librairie efficace thermoluminescent

ISBN:

Date of Publication:02/16/2005

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