Kritik organ için doz tayini ve absorblanmış doz için yeni geometri faktörün saptanması

Abstract

KRİTİK ORGAN İÇİN DOZ TAYİNİ VE ABSORBLANMIŞ DOZ İÇİN YENİ GEOMETRİ FAKTÖRÜN SAPTANMASI ÖZET Bu çalışmanın esas amacı, nükleer tip uygulamaları ve dozimetrik değerlendirmeler açısından önemli olan kritik organ için absorblanmış dozun deneysel olarak ölçümlenerek belirlenmesi ve teorik olarak hesaplanması ve değerlendirilmesidir. Genetik ve somatik etkilenme açısından en fazla etkilenme gösteren organlar olarak tanımlanan kritik organ esas itibariyle kemik iliği veya üreme organları nitelenmektedir. Bu çalışmada erkek üreme organı genetik ve somatik etkilenme açısından oldukça hassas olması keza tek ve belirli bir hacimde olması nedeniyle de `kritik organ` olarak seçilmiştir. Nükleer tıp uygulamaları çerçevesinde farklı organlar için sintigrafik çalışmalar yapılmaktadır. Bu organlar arasında karaciğer, dalak, böbrek, akciğerler, kemik, tiroid, ve lenf bezi sayılabilir. Bu organlar arasında karaciğer ve dalak her ikisi de karın boşluğunda yer almaktadır ve erkek üreme organı olan kritik organa yalan bulunmaktadır. Karaciğer ve dalak sintigrafik uygulamalarda kaynak organ durumuna gelmeleri halinde kritik organ için risk oluşturabilecekleri düşünülmüştür. Nükleer tıp alanında teşhis ve tedavide, kısa yan ömre sahip, partiküler radyasyon içermeyen ve yüksek enerjiye sahip olmaması nedeniyle Tc-99m radyoizotopu yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Bu çalışmada nükleer tıptaki sintigrafik uygulamalarda yaygın kullanımı nedeniyle Tc-99m deneysel izotop olarak seçilmiştir. Deneylerimiz süresince kullanılan aktivite miktarları, genellikle nükleer tıpta uygulanan 111 MBq (3 mCi), 148 MBq (4 mCi), 185 MBq (5 mCi) ve 222 MBq (6 mCi) aktivite düzeylerinde uygulanması kararlaştırılmıştır. Deneylerde, dozimetrik deneysel çalışmalar için geüştirilmiş `Rando fantom` ile çalışılması tercih edilmiştir. Fantom; `standart insan` ölçülerinde ve 0.985 g/cm3 yoğunluğa sahiptir. Fantom, 2.5 cm kalınlığa sahip 35 dilimden oluşmuş, 7.3 efektif atom numaralı, doku eşdeğeri malzemeden imal edilmiş bir erkek fantom olarak üretilmiştir. Araştırmamızda deneysel şartlar ve aktivite seviyeleri göz önüne alınarak kritik organ dozu saptamak için Termolüminesans Dozimetreler (TLD) tercih edilmiştir. TLD 1er radyasyon korunmasında ve absorblanmış doz ölçümünde yaygın bir şekilde kullanılan bir detektördür. Kritik organ geometrisinde ve çalışılan aktivitede yüksek verimle xviölçüm TLD fle uygun olacağı düşünülerek, bu tip dedektörler deneylerde esas itibariyle kullanılmıştır. Düşük doz ölçümlerinde diğer termolüminesans dozimetrelerden daha hassas olması nedeniyle TLD olarak CaF2:Dy fosforu yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. TLD'ler Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi, Sekonder Standard Dozimetre Laboratuvanndaki Cs-137 standart radyoaktif kaynağı karşısında kalibrasyon amacıyla titizlikle ışınlanrnıştır. Işınlanan TLD'ler (Harshaw 2000A) TLD okuma cihazında hassas olarak okunarak değerlendirilmiştir. öncelikle, kaynak organların bulunduğu Rando Fantom dilimleri belirlenmiştir. Daha sonra kaynak organ içeren dilimlerde kaynak organın bulunduğu kütle oranları ayrı ayrı olarak saptanarak polimer zarf içerisine konulan absorbant kağıtlara belirlenen oranlarda Tc-99m aktivitesi emdirümiştir. Tc-99m aktivitesi emdirilen kağıtlar kaynak organın bulunduğu dilimler arasına yerleştirildi ve aynı zamanda daha önce 500 °C'de 1 saat ısıtılan TLD'ler kritik organ bölgesine yerleştirilmiştir. Deneylerde TLD'ler 10'ark olarak gruplandınldı ve her grup bir yan ömür süresi içerisinde birer saat'hk periyotlarla kritik organ bölgesinden alınarak TLD okuma sisteminde okunarak değerlendirildi Bu yöntem dört farklı Tc-99m aktivite seviyesi için uygulanmıştır. Deneylerin kabaca sınanması için, G-M dedektörü ile de deneyler tekrarlanmıştır. G-M tüplerinin ölü zaman problemi ve verimlerinin düşük olması nedeniyle ölçülen dozlar TLD ile elde edilen değerlere göre düşük olmuştur. Ancak, absorblanmış doz değerlerinin farklı aktiviteler için zamana göre değişimi benzerlik göstermektedir. Bu durum TLD ile yapılan deneylerimizin güvenilir olduğunu göstermiştir. Aynı aktivitelerde MIRD metodu ve Marinelli metodu kullanılarak teorik hesaplamalar yapılmıştır. MIRD metodu nükleer tıpta organ dozu tayininde yaygın olarak kullanılmaktadır. Deneysel değerler ve teorik değerler arasında karşılaştırma yapılarak MIRD Metodu ile deneysel değerler `hayli uyumlu` olduğu görülmektedir. MIRD metodu ile hesaplanan sonuçlarla deneysel değerlere ortalama olarak % 16 hata ile yaklaşılmıştır. Buna karşın klasik geometri faktörü (Marinelli metodu) değerleri, deney değerlerinden hayli farklı olduğu ve misliyle hata verdiği gözlenmiştir. Bu nedenle absorblanmış doz değerlerinin hesaplanması için uygun geometri faktörü ile yapılabilirliği araştırılmıştır. Kritik organ için absorblanmış dozun belirlenmesi amacıyla yeni geometri faktörleri önerilmiştir. İlk olarak radyasyon ölçümlerinde sıklıkla kullanılmış olan disk-disk geometrisinin bu konuya uygulanması düşünülmüştür. Disk- disk geometrisinde merkezleri aynı dik doğru üzerinde olan bir şekildir. Gerekli hesaplamalar disk-disk geometrisi için yapılarak kritik organ için absorblanmış doz hesaplamaları yapılarak sonuçlar diğer metotlarla kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar `hayli tatminkardır`. Şöyle ki; disk-disk şekil geometri faktörü uygulaması, MIRD Metoduna göre daha iyi sonuçlar vermektedir. Disk-disk şekil geometrisi ile elde edilen absorblanmış doz değerlerinin deneylere göre ortalama hataları; MIRD Metodu ile hesaplanan absorblanmış doz değerlerine göre daha düşüktür. Ortalama hata % 10'un altındadır. xviiDisk-disk geometri faktörü metodu, merkezleri aynı dik doğru üzerindeki bir model olarak geliştirilmiştir. Fakat gerçekte kaynak ve hedef organlar vücut içerisinde genellikle merkezleri aynı dik doğru üzerinde değildir. Bu model nükleer tıpta absorblanmış doz ölçümlerinde bazan hata verebilir. Böylelikle özellikle merkezleri aynı dik doğru üzerinde olmayan yeni bir geometri faktörü ile çalışılması planlanmıştır. Bu bağlamda hücresel seviyedeki etkilenme olarak bir geometri faktörü metodunun geliştirilmesi planlandı. Deneyimizde kaynak organ olarak karaciğer ve dalak, hedef organ olarak gonad seçilmişti. Böylelikle hedef organ kaynak organdan oldukça küçük boyuta sahiptir ve genetik etkiler hücresel boyutta vukuu bulduğu için hedef organ da hücre boyutunda düşünüldü. Hedef organın sonsuz küçük diferansiyel yüzey elemanı(dAı) olarak tanımlanmasını kabul ettik. Kaynak organ, merkezleri aynı dik doğru üzerinde olmayan diferansiyel yüzey elemanına (dAj) paralel yüzey disk olarak önerilmiştir. Geometri faktörü, karaciğer ve dalak kaynak organ durumunda yeni geometri pozisyonuna göre hedef organ için absorblanmış doz değerleri yeni geometri faktörüyle Marinelli formülü kullanılarak hesaplanmıştır. Yeni önerilen, bu geometri faktörü ile yapılan hesaplamalarla elde edilen sonuçlar, deney sonuçlarıyla karşılaştırıldığında birbirleriyle uyumlu oldukları görülmüştür. Önerilen geometri faktörü ile elde edilen sonuçlar, deney sonuçlarına ortalama % 5 'in altında bir hata ile yaklaşmıştır. Ayrıca, bu yeni geometri faktörü önerisi ile kritik organ için hesaplanan absoblanmış doz değerlerinin, MIRD Metodu ve disk-disk geometri faktörü ile yapılan hesaplamalarla elde edilen kritik organ için absorblanmış doz değerlerinden daha ileri seviyede, deneylerle uyum içinde olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, nükleer tıpta dozimetrik hesaplama metotları için geometri faktörünün yeni uygulamaları orijinal olarak önerildi. Bu metotlardan biri nükleer uygulama alanı için yeni ve orijinal geometri faktörü uygulamasıdır. Genetik ve somatik etki çerçevesinde kritik organ absorblanmış doz için ortalama olarak % 10'dan daha düşük bir hata ile deney sonuçlarına ulaşılmıştır. xvm

DOSE DETERMINATION FOR CRITICAL ORGAN AND ASCERTAIN OF NEW GEOMETRY FACTOR FOR ABSORBED DOSE SUMMARY The main object of this study is to determine the absorbed dose on critical organ, which is very important in nuclear medicine. The theoretically calculated doses have been compared with the measured values. The critical organs are essentially marrow and gonad, which are defined as genetically and somatically the most influenced organs from radiation. In this study the male generation organ has been chosen as the critical one because it is the most sensitive organ for the genetic and somatic effects, and also it is single and has a certain volume. In nuclear medicine applications, sintigraphic studies have been applied for different organs, such as liver, spleen, hing, bone, kidneys, thyroid and lymph gland. Among these organs the liver and spleen are located in abdomen and both of them are near the gonad which is the male critical organ. They are source organs in sintigraphic applications which may generate a risk for the critical organ, gonad. Technetium-99m radionuclide is widely used for diagnostic purpose in nuclear medicine, because of its short half-life and not including particular radiation and low energy level Technetium-99m has been chosen as the experimental isotope in this study, because of its extensive usage in sintigraphic application in nuclear medicine,. The number of activities which have been used during our experiments were arranged such that they were generally applied in nuclear medicine, 111 MBq (3 mCi), 148 MBq (4 mCi) 185 MBq (5 mCi), 222 MBq (6 mCi). Rando-Phantom which has been developed for dosimetric experimental studies was preferred in the experiments. The phantom has the standard human body size and its density is 0.985 g/cm3. It is produced as a male Rando-Phantom from tissue material equivalent to effective atomic number 7.3 and has 35 slices with 2.5 cm thick. In the present research, mermoluminesans dosimeters (TLD) were used to determine the critical organ dose to keep in view the activity levels and experimental conditions. TLDs are widely used as detector at the radiation protection and for measurement of absorbed doses. These detectors are used, because it is thought that they would be suitable for the measurements with high yield on the geometry of critical organ. CaF2:Dy phosphate is widely used as TLD because it is more sensitive to the low dose measurements than any other. xixTLDs are exposed fastidiously for calibration procedure in front of Cs-137 standard radioactive source in Seconder Standard Dosimeter Laboratory in Çekmece Nuclear Research and Training Center. Irradiated TLDs with gamma radiation are read sensitively on the TLD Reading System (Harshaw 2000 A) After identifying slice number on the Rando-Phantom corresponding the source-organ mass ratios were determined. Tc-99m isotope for each source organ were prepared and placed according the weight of the source organ in question. The source-organ was prepared by sucking the Tc-99m homogeneously into absorbent paper and placing in a polymer envelope. TLDs were annihilated at 500 °C for 1 hour in oven, and were placed at the region of critical organ. In the experiments, 10 TLDs which were grouped together were taken out at 1 hour periods during one half-life and then were read at the TLD Reading System. This procedure was applied for four different activity levels of Tc-99m The experiments were repeated using GJM detector. The measurements with G.M detector were low compared to TLD results, because of its has dead time problem and low yield. But the variation of absorbed dose as a function of time for different activities, are quite similar. This situation indicates that the experiments which are made with TLD are reliable. MIRD and Marinelli methods have been used in theoretical calculations for the given source activities and the findings were compared with the experimental ones. The results obtained with MIRD is off by 16 % compared to the experimental one. However, the result of Marinelli method calculation were almost 100 % off. This may be due to course approximation used in Marinelli method. Consequently, it has been decided to use the most suitable geometry factor for calculation of absorbed dose values and new geometry factors were proposed for the absorbed dose calculations of critical organ. Therefore, disc-disc geometry has been used in this investigation, whereas frequently utilized in related radiation dose measurements. Disc-disc geometry is a shape on the same vertical line that their centers. Absorbed dose.for critical organ is calculated after that necessary verifications are made by disc-disc geometry factor and the results compared with other methods. Our findings are agrees quite well with the experimental results. Disc-disc geometry factor method, as it was originally planned has centered co-axially symmetricaL But, in the reality, source and target organs in a body are not co-axially centered. Due to this fact the model due sometimes erroneous results in absorbed dose measurements in nuclear medical application. Due to this fact, it has been decided to developed a geometry factor method in order to correct and have accurate measurements, in particular at cellular level respectively. Therefore target organ has the lower dimension than the source organs and in addition the target was taken on a cellular size, because of genetic effects occur in that size. We were accepted to define as infinite small differential plane element (dAi) of target organ. Then, source organ was proposed as parallel plane disc to the target differential plane element (dAi), but not centrally co-axial vertical line. xxNew geometry factor coefficient was evaluated for target organ using the new geometry positioning of the source organ liver and spleen respectively. In the calculation of absorbed dose for the target with the new geometry factor value the Marinelli method was used results obtained with the new geometry factor coefficients are compared with the experiment values and other calculations. The new geometry factor values are less than 10 % to the experimental values and better than MRD and disc-disc geometry methods calculations respectively. In conclusion, it is proposed geometry factor coefficient may be used in nuclear medical applications, which is an original proposed method. As generally accepted practice, the dose applied to somatic and to genetically vital organ must not exceed the error of ±10 %. Method of calculated organ dose to target organ is well below ± 10 % xxi