Feasibility of dose enhancement assessment: preliminary results by means of Gd-infused polymer gel dosimeter and Monte Carlo study

Abstract

Abstract. This work reports the experimental development of an integral Gd-infused dosimeter suitable for Gd dose enhancement assessment along with Monte Carlo simulations applied to determine the dose enhancement by radioactive and X-ray sources of interest in conventional and electronic brachytherapy. In this context, capability to elaborate a stable and reliable Gd-infused dosimeter was the first goal aimed at direct and accurate measurements of dose enhancement due to Gd presence. Dose-response was characterized for standard and Gd-infused PAGAT polymer gel dosimeters by means of optical transmission/absorbance. The developed Gd-infused PAGAT dosimeters demonstrated to be stable presenting similar dose-response as standard PAGAT within a linear trend up to 13 Gy along with good post-irradiation readout stability verified at 24 and 48 hours. Additionally, dose enhancement was evaluated for Gd-infused PAGAT dosimeters by means of Monte Carlo (PENELOPE) simulations considering scenarios for isotopic and X-ray generator sources. The obtained results demonstrated the feasibility of obtaining a maximum enhancement around of (14±1)% for 192Ir source and an average enhancement of (70±13)% for 241Am. However, dose enhancement up to (267±18)% may be achieved if suitable filtering is added to the 241Am source. On the other hand, optimized X-ray spectra may attain dose enhancements up to (253±22) %, which constitutes a promising future alternative for replacing radioactive sources by implementing electronic brachytherapy achieving high dose levels.Resumen. Este trabajo informa sobre el desarrollo experimental de un dosímetro integral infundido con Gd adecuado para la evaluación de aumento de dosis de Gd junto con simulaciones de Monte Carlo aplicadas para determinar el aumento de dosis por fuentes radiactivas y de rayos X de interés en braquiterapia convencional y electrónica. En este contexto, la capacidad de elaborar un dosímetro infundido con Gd estable y confiable fue el primer objetivo destinado a las mediciones directas y precisas de la mejora de la dosis debido a la presencia de Gd. La dosis-respuesta se caracterizó para dosímetros de gel de polímero PAGAT estándar y con infusión de Gd por medio de transmisión óptica/absorbancia. Los dosímetros PAGAT infundidos con Gd desarrollados demostraron ser estables y presentaron una respuesta de dosis similar a la del PAGAT estándar dentro de una tendencia lineal de hasta 13 Gy junto con una buena estabilidad de lectura posterior a la irradiación verificada a las 24 y 48 horas. Además, se evaluó la mejora de la dosis para dosímetros PAGAT infundidos con Gd mediante simulaciones de Monte Carlo (PENÉLOPE) considerando escenarios para fuentes isotópicas y generadoras de rayos X. Los resultados obtenidos demostraron la factibilidad de obtener una mejora máxima en torno al (14±1)% para la fuente de 192Ir y una mejora media del (70±13)% para la fuente de 241Am. Sin embargo, se puede lograr una mejora de la dosis de hasta (267±18) % si se agrega un filtrado adecuado a la fuente de 241Am. Por otro lado, los espectros de rayos X optimizados pueden lograr aumentos de dosis de hasta (253±22) %, lo que constituye una prometedora alternativa de futuro para reemplazar las fuentes radiactivas mediante la implementación de braquiterapia electrónica logrando niveles de dosis altos.