The use of mosfet dosimeters and anthropomorphic phantoms in low dose dental cbct applications

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0595-0
Title: The use of mosfet dosimeters and anthropomorphic phantoms in low dose dental cbct applications
Author: Koivisto, Juha
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: URN:ISSN:0356-0961
Abstract: The growing number of x-ray examinations being routinely performed on patients using cone-beam computed tomography (CBCT) and multi-slice computed tomography (MSCT) devices have led to an emerging risk of and concern about radiation exposure. Typical CBCT absorbed doses range between 1 7 mGy, and thus values less than 1 mGy can be considered as low dose values. To date, most studies concerning effective dose assessment in the maxillofacial region use anthropomorphic phantoms in combination with thermoluminescent dosimeters (TLD). Recently, MOSFET dosimeters have been considered as a possible alternative to TLDs for in vitro dose assessment. The major benefit of MOSFET dosimeters is their real-time dose measurement capabilities. All 20 MOSFET dosimeters were characterized for CBCT photon energy ranges, dose properties, and organ dose measurements using TLD dosimeters (I). The MOSFET dosimeter energy dependencies were evaluated for two photon energy ranges in order to encompass the typical mean photon energies used in dental radiology. Furthermore, the MOSFET dosimeter uncertainty was assessed by repetitive measurements at different doses. The MOSFET angular sensitivity was investigated using dental photon energies and soft tissue equivalent backscatter material. After MOSFET characterization, a dose measurement setup was developed. The setup comprised 20 MOSFET dosimeters that were placed into the allocated grid holes of an anthropomorphic RANDO phantom. The MOSFET dose measurement setup was validated using two different methods: Monte Carlo simulations and TLD dosimeters. The setup was used for organ and effective dose assessments resulting from supine, prone, and oblique phantom positions in the maxillofacial region using a novel cone beam computed tomography (CBCT) device and from two conventional dental CBCTs and one multi-slice computed tomography (MSCT) device. All MOSFET dosimeters demonstrated a statistically insignificant energy dependency when using typical dental photon energies. Furthermore, the MOSFETs demonstrated excellent dose linearity and resulted in similar absorbed organ doses to those attained in the TLD measurements. The required low dose limit was achieved by averaging the values attained using eight MOSFET exposures. The MOSFET dosimeter angular dependency demonstrated a 5% standard deviation from the mean sensitivity value. The MOSFET dose assessment setup demonstrated similar effective doses to those attained using the Monte Carlo simulations and TLD measurements. Effective dose was strongly dependent on the vertical phantom positioning and minor vertical changes resulted in dose increases of up to 16%. The dose measurements acquired using the same FOV on all CBCT and MSCT devices 3 resulted in the following values: Planmed Verity CBCT scanner 247 μSv in supine, 192 μSv in prone, and 134 μSv in oblique position, the ProMax 3D MAX CBCT 168 μSv, i-CAT Next Generation 170 μSv, Philips Brilliance 64 MSCT 781 μSv. The results of this study demonstrate that the mean photon energy dose dependency corrections are not required in typical dental energy ranges. Furthermore, averaging eight MOSFET exposures attained typical TLD low dose values. Due to their variation in angular sensitivity, MOSFET dosimeters should always be calibrated in clinical settings for beam geometry and the angular range of the CBCT exposure. Based on the results of the Monte Carlo simulations and TLD measurements, the MOSFET measurement setup constitutes a feasible method for low dose assessment in CBCT and MSCT devices in the maxillofacial region. When using the same FOV and exposure parameters, the effective doses obtained in the supine position were 29% higher (247 μSv) than those obtained in the prone position (192 μSv). When the prone and oblique positions were compared, the observed effective dose in the oblique position was 30% lower. Thus, optimal patient positioning can reduce the dose and subsequently minimize the radiation risks. In summary, the fast and dependable low- dose measurement setup presented in this thesis provides an effective means of CBCT dose assessment using a variety of exposure parameters, patient positioning, and FOVs. Further, the setup presented in this study can be used to test and develop CBCT devices that would subsequently produce lower effective doses. Since radiologists commonly only have access to the radiation output of different devices, they lack the possibility to assess the actual effective dose. Therefore, the setup developed in this thesis can also be utilized to increase the awareness of the lifetime radiation risks amongst radiologists leading to dose reductionKartiokeila- ja monileiketietokonetomografialaitteilla (KKTT, TT) rutiininomaisesti tehtyjen tutkimusten nopea yleistyminen on lisännyt säteilyaltistusta ja herättänyt huolen potilaiden elinaikana saaman säderasituksen kasvusta. Kartiokeila-TT-laitteilla kuvattaessa potilasannokset ovat tyypillisesti 1-7 milligraytä (mGy), joista 1 mGy:tä pienempiä arvoja voidaan pitää matalan annoksen arvoina. Suurin osa säteilyn biologiset vaikutukset huomioivista pään alueen efektiivisen annoksen arviointitutkimuksista on tähän mennessä tehty antropomorfisia fantomeja sekä termoluminesenssidosimetrejä (TLD) käyttäen. Viime aikoina MOSFET-dosimetrien käyttöä on harkittu vaihtoehdoksi TLD-dosimetreille eri diagnostisiin annosmittauksiin. MOSFET-dosimetrien merkittävimpänä etuna TLD-dosimetreihin verrattuna pidetään niiden tarjoamaa reaaliaikaista annosmittausmahdollisuutta. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää MOSFET-dosimetrien soveltuvuutta kartiokeila-TT-laitteen pään alueelle tuottamien matalien säteilyannosten mittaamiseen sekä efektiivisen annoksen arviointiin antropomorfista fantomia käyttäen. MOSFET-dosimetrien annosmittausominaisuuksia arvioitiin KKTT-laitteen fotoninenergioilla sekä vertaamalla tuloksia TLD-dosimetreillä saatuihin vastaaviin elinannosmittaustuloksiin. MOSFET-dosimetrien säteilyn energiariippuvuusvastetta arvioitiin kahdella eri fotoninenergia-alueella, jotka kattavat hammaslääketieteessä tavallisesti käytetyt keskimääräiset fotoninenergia-alueet. MOSFET-dosimetrien mittausvarmuus arvioitiin eri annoksilla toistettavin mittauksin. Lisäksi MOSFET-dosimetrien säteilyn tulokulmasta johtuvaa herkkyysriippuvuutta tutkittiin käyttämällä hammaslääketieteellistä keskimääräistä fotoninenergiaa sekä pehmytkudosta vastaavaa takaisinsirontamateriaalia. Pään alueen efektiivisen annoksen arvioimiseksi kehitettiin kahdestakymmenestä antropomorfiseen RANDO-fantomiin asetetusta MOSFET-dosimetristä koostuva järjestelmä, joka mittaa pään alueen säteilyherkimpien elinten saamia annoksia. MOSFET-annosmittausjärjestelmällä saatujen efektiivisten annosten luotettavuus varmistettiin kahdella eri menetelmällä: matemaattiseen malliin perustuvilla Monte Carlo -simulaatioilla sekä samalla RANDO-fantomilla tehdyillä TLD-vertailumittauksilla. Kehitettyä mittausjärjestelmää käytettiin lopuksi efektiivisten annosten arvioimiseksi fantomin eri asennoissa pään ja raajojen kuvaamiseen tarkoitetulla KKTT-laitteella. Saatuja annoksia verrattiin kahdella tavanomaisella hammaslääketieteellisellä kartiokeila-TT- sekä monileike-TT-laitteella saatuihin annoksiin. MOSFET-dosimetrien suorituskykymittaukset osoittivat energiariippuvuuden olevan tilastollisesti merkityksetön tavanomaisia hammaslääketieteellisiä fotoninenergioita käytettäessä. MOSFET-dosimetreillä saadut arvot osoittivat erinomaista annoslineaarisuutta ja vastasivat TLD-dosimetrien arvoja. Matalien annosten mittaamisessa edellytettävä tarkkuus saavutettiin keskiarvoistamalla MOSFET-dosimetrien kahdeksalla valotuksella saadut arvot. MOSFET-dosimetrien herkkyydessä havaittiin 5%:n keskihajonta herkkyyden keskimääräisestä arvosta säteilyn tulokulmasta riippuen. MOSFET-annosmittausjärjestelmän luotettavuuden arviointi osoitti, että saadut efektiiviset annokset olivat virherajojen puitteissa samat, kuin Monte Carlo -simulaatioilla ja TLD-dosimetreillä saadut annokset. Lisäksi fantomin pystysuuntaisen asemoinnin havaittiin vaikuttavan merkittävästi efektiivisen annoksen suuruuteen ja vähäinen paikan muutos lisäsi annosta jopa 16%. KKTT-laitteella mitattiin fantomin eri asennoissa seuraavat efektiiviset annokset: selinmakuuasennossa 247 µSv, vatsamakuuasennossa 192 µSv sekä vinossa kuvausasennossa 134 µSv. Vastaavasti hammaslääketieteellisillä KKTT-laitteilla efektiivisiksi annoksiksi saatiin 168 µSv (ProMax 3D MAX CBCT), 170 µSv (i-CAT Next Generation) sekä TT-laitteella 781 µSv (Philips Brilliance 64 MSCT). Tutkimus osoitti, ettei MOSFET-dosimetreille tarvitse tehdä keskimääräisestä fotoninenergiasta riippuvaa korjausta tavanomaisten hammaslääketieteellisten laitteiden annoksia mitattaessa. Lisäksi tutkimus osoitti, että tyypillinen TLD-dosimetreillä mitattava matalan annoksen arvo voidaan saavuttaa laskemalla keskiarvo kahdeksalla peräkkäisellä valotuksella saatujen MOSFET-dosimetrien annoksesta. Dosimetrien säteilyn tulokulmasta johtuva herkkyysvaihtelu osoitti, että MOSFET-dosimetrit tulee kalibroida kulloinkin käytettävän kartiokeila-TT-laitteen säteilygeometrialla. Efektiivisen annoksen luotettavuuden arvioimisessa käytettyjen Monte Carlo -simulaatioiden ja TLD-mittausten perusteella MOSFET-mittausjärjestelmä osoittautui käyttökelpoiseksi kartiokeila- ja monileike-TT-laitteiden tuottamien pään alueen matalien annosten mittaamisessa. Tutkimuksella voitiin osoittaa, että potilasasennolla oli vaikutusta efektiivisen annoksen suuruuteen. Kuvaukset selinmakuuasennossa tuottivat 29% korkeamman efektiivisen annoksen (247µSv), kuin kuvaukset vatsamakuuasennossa (192µSv). Vastaavasti vinossa kuvausasennossa efektiivinen annos oli 30% pienempi, kuin vatsamakuuasennossa. Lisäksi tutkimus osoitti, että valotuksen optimaalisella suuntaamisella ja potilaan asemoinnilla voidaan merkittävästi pienentää potilaan saamaa efektiivistä annosta sekä vähentää elinikäistä säteilyaltistusta. Tässä väitöskirjassa esitetty mittausjärjestelmä osoittautui tehokkaaksi menetelmäksi KKTT-laitteiden efektiivisen annoksen arvioimiseksi eri kuvausvolyymeillä, potilasasetteluilla sekä eri valotusarvoja käyttäen. Toisin kuin aiemmin käytössä olleilla menetelmillä, tässä tutkimuksessa esitetyllä menetelmällä on mahdollista toteuttaa laajoja mittaussarjoja. Kehitettyä mittausjärjestelmää voidaankin käyttää uusien, entistä pienempää säderasitusta aiheuttavien KKTT-laitteiden kehittämiseksi sekä testaamiseksi ja siten vähentää säteilyn aiheuttamia eliaikaisia riskejä radiologisen dosimetrian keinoin.
URI: URN:ISBN:978-951-51-0595-0
http://hdl.handle.net/10138/156584
Date: 2015-10-16
Subject: fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
theuseof.pdf 2.773Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record