Experimental characterization and Monte Carlo simulations of the dose enhancement on the millimeter scale of PAGAT infused with gadolinium

Abstract

This study reports on the determination of the K-edge dose enhancement factor achieved in a polymer gel dosimeter based on acrylamide, known as PAGAT, infused with a high concentration of a clinical gadolinium-based compound. PAGAT dosimeters infused with gadolinium concentrations of 10 mg/mL and 20 mg/mL are characterized in terms of dose-response and sensitivity, obtaining the dose enhancement between two beam qualities for these Gd concentrations of clinical interest. Additionally, the dose enhancement ratio between these two concentrations was evaluated for each beam quality. To this aim, Gadodiamide solution, a Gd-based agent commonly used in clinics for magnetic resonance scanning, is used to manufacture Gd-infused dosimeters that are further irradiated with a 50 kVp X-ray beam in order to assess dose enhancement contributions exclusively from absorption from lower edges (L, M, etc.); subsequently, a 160 kVp spectrum optimized by yttrium and indium filtration is used to evaluate K-edge contributions. Gel dosimeter samples are prepared in spectrophotometric vials, and their readout is performed by optical density measurements, which is correlated with the absorbed dose. An appreciable increase was found in the K-edge dose enhancement factor (160kVp/50 kVp) for the samples with concentrations of 20 mg/mL and 10 mg/mL ranging from 1.20 to 1.61 and 1.10–1.41, respectively. These results could be interpreted as the contribution to the absorbed dose due the increment in the secondary radiation emitted from Gd atoms by K-edge interactions. Similarly, a relevant increase was observed in the dose enhancement when the Gd concentration is incremented from 10 mg/mL to 20 mg/mL obtaining factors of around 1.10–1.33 and 1.34–1.47 for the beam qualities 50 kVp and the optimized 160 kVp, respectively. Monte Carlo simulations using the PENELOPE main code are implemented aimed at complementing and comparing with the experimental results, showing differences of less than 4% for the K-edge dose enhancement factor and differences of less than 3% for the dose enhancement ratio for the studied beam qualities. In this regard, the results from the simulations support the reliability of the experimental measurements with this type of dosimeters within the studied concentration range. Finally, it is noticeable that the appreciable dose enhancement reported through this work was obtained infusing mass Gd as part of the Gadodiamide compound, already used as a contrast agent for magnetic resonance imaging, thus ensuring its suitability for clinical practices in humans.

Este estudio informa sobre la determinación del factor de mejora de la dosis K-edge logrado en un dosímetro de gel de polímero basado en acrilamida, conocido como PAGAT, infundido con una alta concentración de un compuesto clínico basado en gadolinio. Los dosímetros de PAGAT infundidos con concentraciones de gadolinio de 10 mg / mL y 20 mg / mL se caracterizan en términos de dosis-respuesta y sensibilidad, obteniendo el aumento de dosis entre dos calidades de haz para estas concentraciones de Gd de interés clínico. Además, se evaluó la relación de aumento de dosis entre estas dos concentraciones para cada calidad de haz. Con este objetivo, la solución de gadodiamida, un agente basado en Gd comúnmente utilizado en clínicas para escaneo por resonancia magnética, se utiliza para fabricar dosímetros infundidos con Gd que se irradian más con un haz de rayos X de 50 kVp para evaluar las contribuciones de mejora de la dosis exclusivamente de absorción de los bordes inferiores (L, M, etc.); Posteriormente, se utiliza un espectro de 160 kVp optimizado por filtración de itrio e indio para evaluar las contribuciones del borde K. Las muestras del dosímetro de gel se preparan en viales espectrofotométricos y su lectura se realiza mediante mediciones de densidad óptica, que se correlaciona con la dosis absorbida. Se encontró un aumento apreciable en el factor de mejora de la dosis del borde K (160 kVp / 50 kVp) para las muestras con concentraciones de 20 mg / mL y 10 mg / mL que varían de 1,20 a 1,61 y 1,10–1,41, respectivamente. Estos resultados podrían interpretarse como la contribución a la dosis absorbida debido al incremento de la radiación secundaria emitida por los átomos de Gd por las interacciones del borde K. Del mismo modo, se observó un aumento relevante en el aumento de dosis cuando la concentración de Gd se incrementa de 10 mg / mL a 20 mg / mL obteniendo factores de alrededor de 1,10-1,33 y 1,34-1,47 para las calidades de haz 50 kVp y la optimizada 160 kVp, respectivamente. Las simulaciones de Monte Carlo que utilizan el código principal de PENELOPE se implementan con el objetivo de complementar y comparar los resultados experimentales, mostrando diferencias de menos del 4% para el factor de mejora de la dosis de K-edge y diferencias de menos del 3% para la relación de mejora de la dosis para el estudio. calidades de la viga. En este sentido, los resultados de las simulaciones apoyan la fiabilidad de las medidas experimentales con este tipo de dosímetros dentro del rango de concentración estudiado. Finalmente, se destaca que la apreciable mejora de dosis reportada a través de este trabajo se obtuvo infundiendo masa Gd como parte del compuesto Gadodiamida, ya utilizado como agente de contraste para la resonancia magnética, asegurando así su idoneidad para la práctica clínica en humanos.