Development of Electron Paramagnetic Resonance Spectrometer with Impoved Accuracy for in-vivo Tooth Dosimetry

Abstract

A homebuilt EPR spectrometer has been developed as an in-vivo radiation

dosimeter in situ. The EPR spectrometer consisted of magnets, field driving

circuits, a bridge circuit, a surface-coil-type resonator, and operation software

programmed in LabVIEW. Using the developed system, radiation doses to

extracted tooth were estimated in terms of the standard error of inverse

prediction (SEIP). Then, we also conducted simulations and experiments for

the evaluation of feasibility for use as an in-vivo dosimeter.

For understanding of inter-tooth difference in EPR intensity, we generated

the simulation set. First, the structures of tooth were separately investigated

for enamel, dentin and pulp for each tooth. Second, we investigated the

variations of EPR signal with the tooth dimensions. Finally, we generated the

simulation set with the probable setup such as angle and distance between

tooth and resonator. Then, simulated RIS (radiation-induced signal)

amplitudes (sRIS) were calculated for each simulation set. For confirmation,

we performed the measurements to acquire mRIS (measured RIS). Then, we

calculated R2 value to find the relation among RIS and tooth dimensions using

linear regression fitting. We applied the geometric correction based on labial

enamel area for improvement of dose estimation. The SEIP was calculated

based on mRIS. Three head and neck (HN) volumetric-modulated arc therapy

(VMAT) plans were selected. The verification plans were generated using the

CT images of the head phantom based on the original HN 6 MV VMAT plans

using treatment planning system (TPS). Radiation treatment plans were

delivered to head phantom. Then, we compared the dose between TPS and in- vivo EPR.

The integrated magnet system was customized product manufactured by

Resonance Research Inc. (Billerica, MA). The gap between magnets was 17

cm which was proper size for insertion of human head. The maximum range

of sweep field was 38 mT to 43 mT. The fabricated resonator showed a

resonance peak was observed at 1.15 GHz. The variations in sRIS with angle

were less than ±16% and ±6% respect to y-axis and z-axis in range of ±6°.

The sRIS for incisors was rapidly decreased to 20% with distance between the

coil and tooth at 0.3 mm. The R2 value was higher than 0.8 between sRIS and

mRIS with tooth dimensions such as total enamel volume, labial enamel

volume and labial enamel area. The EPR intensity of RIS for all measured

tooth samples was linearly increased with increasing doses, of which the

slopes varied over tooth samples. With labial enamel area adjustment, relative

standard error of slope for the calibration curves were reduced to 2.9% from

7.1% of non-adjusted calibration curves. The estimated dose using in-vivo

EPR in dose range of TPS predicted except T2 and T3 of plan 1 among used

tooth for all plans in a beam delivery. The estimated dose using in-vivo EPR

in dose range of TPS predicted after beam delivery five times more.

The EPR spectrometer for in-vivo dosimetry was successfully developed

for human intact tooth for dose estimation instantly in 5 minutes. We also

found an evidence of geometry of tooth including enamel volume and area.

The developed system was broadened its applications to a routine in-vivo

dosimetry for radiation therapy.

현장에서 측정가능한 체내측정용(in-vivo) 방사선 선량추정(dose

estimation)을 위한 전자상자성공명(EPR)분광계를 개발했다. EPR분광계는 자석(magnet), 자기장 구동회로(field driving

circuit), 브릿지 회로(bridge circuit), 표면형 코일

공진기(surface-coil-type resonator), 그리고 LabVIEW로

구현한 제어 프로그램 등으로 구성됐다. 개발된 장비를 활용하여

추출한 치아의 방사선량을 반대예측표준오차(SEIP)를 추정했다. 그

다음, 체내 선량측정용 장비로서 활용가능성을 전산모사와 실험을

통해 평가했다. EPR신호의 치아간(inter-tooth) 차이를 이해하기 위하여, ANSYS

HFSS로 전산모사 세트들을 생성했다. 첫째로, 치아의 구조물인

법랑질(enamel), 상아질(dentin) 그리고 치수(pulp)를 분리하여

분석했다. 둘째로, EPR신호의 치아의 치수(tooth dimension)별

변화를 조사했다. 마지막으로, 공진기와 치아간 간격과 각도 등의

여러 측정상황 별 전산모사 세트들을 생성했다. 그 다음, 전산모사

RIS(Radiation-induced signal) 크기 (sRIS)를 각 전산모사 세트

별로 계산했다. 이 관계를 검증하기 위해 측정 RIS (mRIS)를

수집했다. 그 다음, RIS와 치아의 치수 별 관계를 이해하기 위하여

선형회귀분석으로 R

2값을 계산했다. 선량추정의 정확도를 개선하기

위해서 입술방향 치아면적(labial enamel area)을 활용해 기하학적

교정을 수행했다. SEIP는 mRIS를 바탕으로 계산했다. 3명의

두경부(HN) 체적변조방사선치료(VMAT) 치료계획을 선택하여, 검증을 위한 치료계획(verification plan)들은 두부팬톰(head

phantom)의 CT영상을 바탕으로 6MV VMAT 치료계획을

치료계획소프트웨어(TPS)로 생성했다. 이 방사선치료계획을

활용하여 두부팬톰에 방사선을 조사했다. 그 다음 TPS로 계산한

방사선량과 in-vivo EPR로 측정한 선량을 비교했다.

자기장발생부(integrated magnet system)은 Resonance

Research사에서 주문 제작했다. 자석 사이의 간격은 17 cm로

인체의 두부가 충분히 들어갈 수 있도록 설계됐다. 자기장 세기는

38 mT부터 43 mT까지 스윕이 가능 하도록 설계했다. 제작된

공진기는 1.15 GHz 근처에서 공진점을 확인했다. sRIS크기변화는

± 6˚각도 범위에서 y축에 대해서 ± 16% z축에 대해서 ± 6

이내였다. 치아와 코일간 거리가 0.3 mm 일 때, sRIS는 0 mm

대비 약 20% 감소했다. sRIS 및 mRIS과 법랑질의 체적, 법랑질의

입술방향 체적볼륨 그리고 법랑질의 입술방향 면적 등의 R

2값은

0.8 이상으로 높은 선형성을 보였다. 누적방사선량이 증가할수록

RIS도 선형적으로 증가함을 확인했고, 선량커브들의 기울기의

상대표준오차(RSE)는 치아 별 법랑질면적으로 교정 후 7.1%에서

2.9%로 개선됐다. 팬톰조사 결과에서 VMAT치료계획을 한 번

전달한 후의 Plan 1의 T2와 T3을 제외하고 선량추정결과가 모두

TPS로 계산한 방사선량의 범위 내에 들어왔다. 인간 치아를 대상으로 하는 체내 측정용 EPR분광계를 성공적으로

개발했으며, 선량추정결과는 측정 시작 후 5분 뒤에 0.5 Gy

선량추정오차로 확인 가능하다. 법랑질의 체적 및 면적을 포함한

치아의 기하학적인 인자들과 RIS간 관계의 증거를 확인했다. 또, 방사선 치료 시 체내 방사선량 측정장비로서 TPS의 선량결과와

개발한 EPR분광계의 방사선치료 시 체내측정용으로 적용범위를

확장했다.