Hammasröntgentutkimusten termoluminesenssidosimetria

Tavanomaisten hammasröntgenlaitteiden säteilyannoksia valvotaan postitettavien testipakettien ja paikan päällä tehtävien tarkastusten avulla. Säteilyannoksen valvontaan käytetään termoluminesenssidosimetrejä (Thermoluminescence Dosimetry, TLD). Dosimetreissä on TL-materiaalista valmistettuja loistekiteitä, joihin absorboitunut säteilyenergia vapautuu valona materiaalia lämmitettäessä. Prosessissa vapautuvan valon intensiteetti on suoraan verrannollinen absorboituneeseen säteilyannokseen. TLD:llä mitataan rekisteröityjen intraoraalilaitteiden tuottamaa säteilyannosta potilaan posken kohdalla. Säteilyturvakeskus (STUK) ylläpitää rekisteriä ilmoitusvelvollisuuden alaisista hammasröntgenlaitteista. Nyt hammaslaiterekisteriä ollaan uudistamassa siten, että TLD-mittaustulosten käsittely ja annoslaskenta siirtyvät rekisteristä WinTLD-laskentaohjelmaan, jossa on kaikki tarvittavat parametrit annoksen laskemiseksi. Tässä työssä TLD-mittausjärjestelmän kalibrointituloksia analysoitiin vuosilta 1996-2011 ja määritettiin uudelleen laskennassa käytetty energiakorjauskerroin, joka on osa tulevaa WinTLD-konfigurointia. Mittauksissa tarvittavat standardisäteilylaadut (ISO H-laadut) pystytettiin osana työtä. Henkilödosimetrien suorituskykytestauksessa käytetään ISO N-säteilylaatuja. Mirion Technologies (RADOS) käyttää TLD-systeemiä henkilödosimetriassa, ja hammas-TLD on tämän järjestelmän sovellus potilasdosimetriaan. ISO H-laadut otettiin käyttöön, jotta dosimetrien vastetta voitiin ISO N-laatujen tapaan tutkia jatkuvana fotonienergian funktiona Cs-137 ja Co-60 gammasäteilylaatuihin asti ja koska niillä voitiin jäljitellä todellista kliinistä suodatusta. Energiakorjauskerroin kalibroinnissa käytettävän Co-gammasäteilyn ja intraoraalikuvauksissa käytettävän röntgensäteilyn välillä määritettiin uudelleen. Sen arvoksi (yksikkö mGy/mGy) saatiin ISO N-60-laadulla 0,671 ja ISO H-60-laadulla 0,677, jotka ovat numeerisesti hyvin lähellä aikaisemmin määritettyä kerrointa 0,679. Energiakorjauskertoimen epävarmuudeksi saatiin 3,5 % (2std) ja annosmittauksen epävarmuudeksi 7,8 %. Energiavasteiden perusteella dosimetreissä käytetty materiaali on kahdesta vaihtoehdosta MTS-N (LiF:Mg,Ti) eikä MCP-N (LiF:Mg,Cu,P). TLD-järjestelmää voidaan kehittää ja konfiguroida uusien tulosten perusteella, jolloin otetaan käyttöön muun muassa uudelleenmääritetty energiakorjauskerroin. ISO H-säteilylaadut otettiin 22.3.2011 virallisesti käyttöön STUKissa ja niitä käytetään dosimetritestauksessa tarvittaessa suuria annosnopeuksia ja annoksia

Organ dose determination in X-ray imaging

Organ dose is the absorbed radiation energy from ionizing radiation to an organ, divided by the organ mass. Organ doses of a patient cannot be measured directly in the patient, but their determination requires dose measurements in anthropomorphic patient models i.e. phantoms or Monte Carlo simulations. Monte Carlo simulations can be performed for example by using computational phantoms or patient s computed tomography (CT) images. Organ doses can be estimated based on measurable dose quantities, such as air kerma, kerma-area product and volume-weighted CT dose index, by using suitable conversion coefficients. Conversion coefficient is the organ dose divided by the measured or calculated examination-specific dose quantity. According to the current knowledge, the probability of radiation induced stochastic effects, which include cancer risk and risk of hereditary effects, increases linearly as a function of the radiation dose. The organ dose is a better quantity for estimating the patient specific risk than the effective dose, which is meant to be used only for populations, and it does not consider patient age or gender. Moreover, the tissue weighting factors that are used in the effective dose calculation are based on whole body irradiations, but in X-ray examinations only a part of the patient is exposed to radiation. The phantoms used in medical dosimetry are either computational or physical, and computational phantoms are further divided into mathematical and voxel phantoms. Phantoms from simplified to as realistic as possible have been developed to simulate different targets, but the organ doses determined based on them can differ largely from the real organ doses of the patient. There are also standard and reference phantoms in use, which offer a dose estimate to a so called average patient. Due to the considerable variation within patient anatomies, the real dose might differ from the dose to a standard or reference phantom. The aim of this thesis was to determine organ doses based on dose measurements and Monte Carlo simulations in four X-ray imaging modalities, including general radiography, CT, mammography and dental radiography. The effect of the patient and phantom thickness and radiation quality on the organ doses in a projection X-ray examination of the thorax was studied via Monte Carlo simulations by using both mathematical phantoms and patient CT images. The effect of the breast thickness on the mean glandular doses (MGDs) was determined based on measurements with phantoms of different thicknesses and collected diagnostic and screening data from patient examinations, and the radiation qualities used in patient and phantom exposures were studied. For fetal dose estimation, fetal dose conversion coefficients were determined based on phantom measurements in CT and dental radiography examinations. Additionally, the effect of lead shields on fetal and breast doses was determined in dental examinations. The difference between Monte Carlo simulated organ doses in patients and mathematical phantoms was large, for the examined organs up to 55% in projection imaging. In mammographic examinations, the difference between MGDs calculated based on collected patient data and phantom measurements was up to 30%. In mammography, patient dose data cannot be replaced by phantom measurements. The properties and limitations of the phantoms must be known when they are used. The estimation of the fetal dose based on conversion coefficients requires understanding about the cases where conversion coefficients are applicable. When used correctly, they provide a method for simple dose estimation, where the application specific dose quantity can be taken into account. The conversion coefficients determined in this thesis can be used to estimate the fetal dose in CT examination based on the volume-weighted CT dose index (CTDIvol), and in dental examinations based on the dose-area product (DAP). In projection imaging, the lung and breast doses decreased as the patient s anterior-posterior thickness increased, but in mammography, the MGDs increased as the compressed breast thickness increased. In CT examinations, the fetal dose remained almost constant in examination where the fetus was totally within the primary radiation beam. When the fetus was outside of the primary beam, the fetal dose increased exponentially with the decreasing distance of the fetus from the scan range. As a function of the half value layer (HVL), the conversion coefficients in the studied projection imaging examination were more convergent than as a function of the tube voltage. The HVL alone describes better the radiation quality than the tube voltage alone, which requires also the definition of the total filtration. In mammography, it is possible to irradiate a phantom and a patient with the same equivalent thickness with different radiation qualities when automatic exposure control is used. Despite the relatively large shielding effect achieved with lead shielding in dental imaging, the fetal dose without lead shielding and the related exposure-induced increase in the risk of childhood cancer death are minimal (less than 10 µGy and 10^-5 %), so there is no need for abdominal shielding. The exposure-induced increase in the risk of breast cancer death is of the same order of magnitude as the increase in the risk of childhood cancer death, so also breast shielding was considered irrelevant. Most important is that a clinically justified dental radiographic examination must never be avoided or postponed due to a pregnancy.Elinannoksella tarkoitetaan elimeen ionisoivasta säteilystä absorboitunutta säteilyenergiaa jaettuna elimen massalla. Potilaan elinannoksia ei voi mitata suoraan potilaassa, vaan niiden määrittämiseen on käytettävä annosmittauksia ihmistä jäljittelevissä potilasvastineissa eli fantomeissa tai Monte Carlo simulaatioita. Monte Carlo simulaatioita voidaan tehdä käyttäen esimerkiksi laskennallisia fantomeita tai potilaan tietokonetomografiakuvia (TT-kuvia). Elinannoksia voidaan arvioida mitattavissa olevien annossuureiden, kuten ilmakerman, kerman ja pinta-alan tulon ja TT:n tilavuusannosindeksin, perusteella käyttäen sopivia konversiokertoimia. Konversiokertoimella tarkoitetaan elinannoksen ja mitatun tai lasketun tutkimuskohtaisen annossuureen suhdetta. Nykykäsityksen mukaan säteilyn aiheuttamien satunnaisten vaikutusten todennäköisyys, joihin kuuluvat syöpäriski ja perinnöllisten vaikutusten riski, kasvaa lineaarisesti säteilyannoksen kasvaessa. Elinannos on parempi suure potilaskohtaisen riskin arviointiin kuin efektiivinen annos, joka on tarkoitettu käytettäväksi ainoastaan väestötasolla, eikä se huomioi potilaan ikää tai sukupuolta. Lisäksi efektiivisen annoksen laskennassa käytettävät kudosten painotuskertoimet perustuvat kokokehosäteilytyksiin, mutta röntgentutkimuksissa vain osa potilaan kehosta altistuu säteilylle. Lääketieteellisessä dosimetriassa käytetyt fantomit ovat joko laskennallisia tai fysikaalisia, ja laskennalliset fantomit jaetaan edelleen matemaattisiin ja vokselifantomeihin. Fantomeita yksinkertaistetuista mahdollisimman realistisiin on kehitetty simuloimaan erilaisia kohteita, mutta niiden avulla määritetyt elinannokset voivat poiketa suurestikin potilaan todellisista elinannoksista. Käytössä on myös standardi- ja referenssifantomeita, joilla saadaan annosarvio niin sanotulle keskimääräiselle potilaalle. Koska potilaiden ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti, saattaa todellinen annos poiketa standardi- tai referenssifantomin annoksesta. Tämän työn tarkoituksena oli määrittää elinannoksia annosmittausten ja Monte Carlo simulaatioiden perusteella neljässä röntgenkuvausmodeliteetissa, mukaan lukien natiiviröntgentutkimukset, TT-tutkimukset, mammografiatutkimukset ja hammasröntgentutkimukset. Potilaan ja fantomin paksuuden ja säteilylaadun vaikutusta elinannoksiin rintakehän projektiotutkimuksessa selvitettiin Monte Carlo simulointien avulla käyttäen sekä matemaattisia fantomeita että potilaiden TT-kuvia. Rinnan paksuuden vaikutus keskimääräisiin rauhaskudosannoksiin mammografiassa määritettiin käyttäen mittauksissa eri paksuisia rintafantomeita sekä kerättyä diagnostista ja seulontamammografiadataa potilastutkimuksista, sekä tarkasteltiin potilas-ja fantomisäteilytyksissä käytettyjä säteilylaatuja. Sikiön annosarviointia varten määritettiin fantomimittausten avulla sikiön annoksen konversiokertoimia TT- ja hammasröntgentutkimuksille. Lisäksi määritettiin lyijysuojien vaikutus sikiön ja rintojen annoksiin hammasröntgentutkimuksissa. Eron potilaiden ja matemaattisen fantomin Monte Carlo simuloitujen elinannosten välillä todettiin olevan suuri, tarkasteltujen elinten osalta enimmillään 55% projektiotutkimuksissa. Mammografiatutkimuksissa ero kerätyn potilasdatan ja fantomien annosmittausten perusteella laskettujen keskimääräisten rauhaskudosannosten välillä oli enimmillään 30%. Mammografiassa fantomimittaukset eivät voi korvata potilasannosmäärityksiä. Fantomeiden ominaisuudet ja rajoitukset on tiedettävä niitä käytettäessä. Sikiön annoksen arviointi konversiokertoimien avulla vaatii ymmärrystä siitä, mihin tilanteisiin konversiokertoimet soveltuvat. Oikein käytettynä ne tarjoavat menetelmän yksinkertaiseen annosarviointiin, jossa tutkimuskohtainen mitattavissa oleva annossuure voidaan ottaa huomioon. Tässä työssä määritettyjen konversiokerrointen avulla voidaan arvioida sikiön annosta TT-tutkimuksissa TT:n tilavuusannosindeksin avulla ja hammasröntgentutkimuksissa annoksen ja pinta-alan tulon avulla. Projektiokuvauksessa potilaan anterior-posterior paksuuden kasvaessa keuhkojen ja rintojen annokset pienenivät, mutta mammografiassa keskimääräinen rauhaskudosannos kasvoi puristetun rinnan paksuuden kasvaessa. TT-tutkimuksissa sikiön annos pysyi eri raskausvaiheissa automaattisen putkivirran modulaation takia lähes vakiona sellaisissa tutkimuksissa, joissa sikiö oli kokonaan primäärisäteilykeilassa. Kun sikiö oli primäärisäteilykeilan ulkopuolella, sikiön annos kasvoi eksponentiaalisesti kun sikiön etäisyys kuvausalueen reunaan pieneni. Puoliintumispaksuuden (HVL) funktiona konversiokertoimet tarkastellussa projektiotutkimuksessa olivat yhtenäisemmät kuin putkijännitteen funktiona. Pelkkä HVL kuvaa siis paremmin säteilylaatua kuin pelkkä putkijännite, joka vaatii myös kokonaissuodatuksen määrittelyn. Mammografiassa on mahdollista automaattista säteilytysohjausta käytettäessä säteilyttää ekvivalenttipaksuudeltaan toisiaan vastaavat fantomi ja potilas eri säteilylaadulla. Huolimatta lyijysuojauksella saavutetusta suhteellisesti suuresta annossäästöstä, sikiön annos ilman lyijysuojaa ja siihen liittyvä säteilystä aiheutuva lisäriski lapsuusiän syöpäkuolemalle ovat minimaalisia (alle 10 µGy ja 10^-5 %), joten tarvetta vatsan alueen suojaukselle hammasröntgentutkimuksissa ei ole. Säteilystä aiheutuva lisäriski rintasyöpäkuolemalle on samaa suuruusluokkaa kuin lisäriski lapsuusiän syöpäkuolemalle, joten myöskään rintojen suojaus ei ole tarpeen. Tärkeintä on, että kliinisesti oikeutettua hammasröntgentutkimusta ei pidä koskaan välttää tai lykätä myöhemmäksi raskauden takia

Actual and Potential Radiation Exposures in Digital Radiology : Analysis of Cumulative Data, Implications to Worker Classification and Occupational Exposure Monitoring

Radiation worker categorization and exposure monitoring are principal functions of occupational radiation safety. The aim of this study was to use the actual occupational exposure data in a large university hospital to estimate the frequency and magnitude of potential exposures in radiology. The additional aim was to propose a revised categorization and exposure monitoring practice based on the potential exposures. The cumulative probability distribution was calculated from the normalized integral of the probability density function fitted to the exposure data. Conformity of the probabilistic model was checked against 16 years of national monitoring data. The estimated probabilities to exceed annual effective dose limits of 1 mSv, 6 mSv and 20 mSv were 1:1000, 1:20 000 and 1:200 000, respectively. Thus, it is very unlikely that the class A categorization limit of 6 mSv could be exceeded, even in interventional procedures, with modern equipment and appropriate working methods. Therefore, all workers in diagnostic and interventional radiology could be systematically categorized into class B. Furthermore, current personal monitoring practice could be replaced by use of active personal dosemeters that offer more effective and flexible means to optimize working methods.Peer reviewe

The Use of Model-based Iterative Reconstruction to Optimize Chest CT Examinations for Diagnosing Lung Metastases in Patients with Sarcoma : A Phantom Study

Rationale and Objectives: This phantom study aimed to evaluate low-dose (LD) chest computed tomography (CT) protocols using model-based iterative reconstruction (MBIR) for diagnosing lung metastases in patients with sarcoma. Materials and Methods: An adult female anthropomorphic phantom was scanned with a 64-slice CT using four LD protocols and a standard-dose protocol. Absorbed organ doses were measured with 10 metal-oxide-semiconductor field-effect transistor dosimeters. Furthermore, Monte Carlo simulations were performed to estimate organ and effective doses. Image quality in terms of image noise, contrast, and resolution was measured from the CT images reconstructed with conventional filtered back projection, adaptive statistical iterative reconstruction, and MBIR algorithms. All the results were compared to the performance of the standard-dose protocol. Results: Mean absorbed organ and effective doses were reduced by approximately 95% with the LD protocol (100-kVp tube voltage and a fixed 10-mA tube current) compared to the standard-dose protocol (120-kVp tube voltage and tube current modulation) while yielding an acceptable image quality for diagnosing round-shaped lung metastases. The effective doses ranged from 0.16 to 2.83 mSv in the studied protocols. The image noise, contrast, and resolution were maintained or improved when comparing the image quality of LD protocols using MBIR to the performance of the standard-dose chest CT protocol using filtered back projection. The small round-shaped lung metastases were delineated at levels comparable to the used protocols. Conclusions: Radiation exposure in patients can be reduced significantly by using LD chest CT protocols and MBIR algorithm while maintaining image quality for detecting round-shaped lung metastases.Peer reviewe

Radiation exposure to foetus and breasts from dental X-ray examinations: effect of lead shields

HAMMASRÖNTGENTUTKIMUSTEN VÄLTTÄMINEN RASKAUSAIKANA EI OLE PERUSTELTUA Suomessa tehdään vuosittain lähes 3 miljoonaa hammasröntgentutkimusta ja suuressa potilasjoukossa on aina mukana myös raskaana olevia potilaita. Tämänhetkiset erilaiset käytännöt vatsan alueen säteilysuojauksen tarpeellisuudesta hämmentävät sekä hammaslääkäreitä että potilaita. Tämän julkaisun mukaan hammasröntgentutkimuksesta sikiölle ilman lyijysuojausta aiheutuva säteilyannos ja siihen liittyvä syöpäriski ovat niin pieniä, etteivät ne aiheuta haittaa sikiölle. Sen sijaan hoitamaton hammastulehdus voi lyhentää raskauden kestoa ja vaikuttaa vauvan kokoon.1 Raskauden vuoksi ei pidä välttää tai siirtää myöhemmäksi tarpeelliseksi katsottua hammasröntgentutkimusta. HAMMASRÖNTGENTUTKIMUKSISTA AIHEUTUVA SIKIÖN SÄTEILYALTISTUS ON MINIMAALINEN Tässä tutkimuksessa sikiön ja odottavan äidin rintojen säteilyannosta erilaisissa hammasröntgentutkimuksissa tutkittiin mittaamalla pääosin sironneesta säteilystä aiheutuva annos ihmistä jäljittelevässä fantomissa. Tarkastellut kuvausmodaliteetit olivat suun sisäinen hammaskuvaus, leukojen panoraamakuvaus, kallolateraali- ja kartiokeilatietokonetomografiakuvaus. Mittaukset tehtiin fantomin sisällä kohdassa, jossa sikiön arvioitiin olevan lähimpänä säteilykeilaa raskauden aikana sekä rintojen tasolla ilman lyijysuojausta ja sen kanssa. Ilman suojaa korkeimman annostason eli kartiokeilatietokonetomografian aiheuttama sikiön annostaso (n. 10 µGy) on samaa suuruusluokkaa kuin kahden päivän aikana kertyvä luonnollisesta taustasäteilystä Suomessa kertyvä efektiivisen annoksen taso tai kahden tunnin lentomatkalla kosmisesta säteilystä aiheutuva efektiivinen annostaso. Rintojen annostaso hammasröntgentutkimuksissa on korkeampi kuin sikiön, mutta säteilyn aiheuttama rintojen annokseen perustuva lisäriski rintasyöpäkuolemalle ja säteilyn aiheuttama sikiön annokseen perustuva lisäriski lapsuusiän syöpäkuolemalle ovat samaa suuruusluokkaa (10-5 %). Hammasröntgentutkimuksesta sikiölle aiheutuva haitta on moninkertaisesti pienempi kuin hoitamattomasta hammastulehduksesta sekä äidille että sikiölle aiheutuva haitta. VATSAN ALUEEN SUOJAUKSEEN EI OLE TARVETTA Säteilysuojelun optimointiperiaatteen mukaisesti säteilyaltistus tulisi pitää niin alhaisena kuin käytännössä mahdollista. Suun sisäisten hammas- sekä leukapanoraamakuvausten suuren lukumäärän vuoksi kuvauksia tehdään paljon myös henkilöille, jotka eivät kuvaushetkellä ole olleet tietoisia raskaudestaan. Mikäli raskautta on tiedusteltu ennen kuvausta eikä lyijysuojaa ole käytetty ja potilas huomaa myöhemmin olleensa kuvauksen aikana raskaana, aiheutuu potilaalle aivan turhaa huolta säteilyaltistuksen vaikutuksesta sikiöön. Vaikka lyijysuojan käyttäminen pienentää sikiön säteilyaltistusta, ei sillä ole käytännön merkitystä, sillä annos ilman suojaakin on minimaalinen. YHTENÄISET KÄYTÄNNÖT PALVELEVAT SEKÄ POTILAITA ETTÄ TYÖNTEKIJÖITÄ Hammaslääketieteellisessä kuvantamisessa tulisi pyrkiä yhtenäisiin suojauskäytäntöihin. Kilpirauhassuojan käyttö on tarpeellista suun sisäisissä ja kallolateraalikuvauksissa, mutta ei leukapanoraamakuvauksissa, sillä suojasta voi aiheutua artefakteja kuvausalueelle. Ei ole kuitenkaan todisteita, jotka osoittaisivat rutiininomaisen vatsan alueen suojaustarpeen hammasröntgentutkimuksissa. Tärkeintä olisi, ettei yhtäkään oikeutettua hammasröntgentutkimusta jätettäisi tekemättä tai siirrettäisi myöhemmäksi raskauden takia. YHTEENVETO Vaikka lyijysuojan käyttäminen pienentää sikiön säteilyaltistusta, ei sillä ole käytännön merkitystä, sillä annos ilman suojaakin on minimaalinen. Tärkeintä on, että raskaus ei koskaan ole syy välttää tai siirtää myöhemmäksi oikeutettua hammasradiologista tutkimusta. Tuoreeseen tutkimustietoon perustuvat yhtenäiset suojauskäytännöt hammaslääketieteellisessä kuvantamisessa estävät potilaan turhaa huolestumista ja lisäävät työntekijöiden työskentelyvarmuutta. Lähteet 1. Harjunmaa U, Järnstedt J, Alho L, Dewey KG, Cheung YB, Deitchler M, Ashorn U, Maleta K, Klein NJ, Ashorn P. Association between maternal dental periapical infections and pregnancy outcomes: results from a cross-sectional study in Malawi. Trop Med Int Health 2015 Nov; 20 (11): 1549-1558

Fetal radiation dose in computed tomography

Raskaana olevien röntgenkuvauksia pyritään välttämään, mutta joskus kuvaus on pakko tehdä. Silloin sikiön säteilyaltistuksen ja siitä aiheutuvan riskin arviointi on tarpeen. Annostaso on korkein vatsan alueen tietokonetomografiassa (TT). Tässä tutkimuksessa sikiön säteilyaltistusta arvioitiin yleisimmissä raskauden ajan TT-kuvausindikaatioissa vartalon alueella (trauma, vatsan ja lantion alue sekä keuhkoverisuonten varjoainekuvaus). Laitteen annosnäytön antaman TT-annosindeksin ja sikiöannoksen yhteys selvitettiin mittaamalla annosta naista jäljittelevän potilasvastineen sisällä neljässä eri raskausvaiheessa. Annosautomatiikka piti sikiön annostason lähes vakiona eri raskausvaiheissa, kun säteilykeila kohdistui vatsan alueelle. Traumaprotokollassa annokset vaihtelivat välillä 4.4–4.9 mGy ja vatsan ja lantion alueen protokollassa välillä 2.1–2.4 mGy. Keuhkoverisuonten varjoainekuvausprotokollassa keskimääräinen sikiöannos kasvoi eksponentiaalisesti välillä 0.01–0.09 mGy, kun sikiön etäisyys kuvausalueen päättymisreunasta pieneni. Traumaprotokollassa TT-annosindeksiin suhteutettu keskimääräinen sikiöannos raskausvaiheen funktiona vaihteli välillä 0.80-0.97. Vatsan ja lantion alueen protokollassa vastaava suhteellinen sikiöannos vaihteli välillä 0.57-0.79 ja keuhkoverisuonten varjoainekuvasprotokollassa välillä 0.01-0.05. Johtopäätöksenä todettiin, että laitteen näyttämää TT-annosindeksiä voi käyttää yläarviona sikiöannokselle, kun sikiö on säteilykeilassa. Jos sikiö ei ole säteilykeilassa, sikiöannoksen arvioinnissa pitää huomioida myös sikiön etäisyys kuvausalueesta