用于3D质子束剂量验证的MRI读取NIPAM聚合物凝胶剂量计的优化与评估

《Journal of Medical and Biological Engineering》：Optimization and Evaluation of MRI-Read NIPAM Polymer Gel Dosimeters for 3D Proton Beam Dose Verification

本研究评估了基于MRI的横向弛豫率（R?）映射在质子放射治疗三维剂量验证中的应用，并筛选出最优NIPAM凝胶配方（5-5-3-10）。实验显示所有配方R?与剂量线性关系良好（R2>0.98），其中5-5-3-10凝胶与TPS计算和电离室测量结果吻合最佳，且在辐照后3天内保持稳定响应。

　　

摘要

目的

本研究评估了基于磁共振成像（MRI）的横向弛豫率（R?）映射技术在质子辐照下对N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM）聚合物凝胶剂量计进行三维（3D）剂量验证的可行性，并试图确定最佳的凝胶配方。

方法

准备了三种不同配比的凝胶：明胶：N,N’-亚甲基双丙烯酰胺：四（羟甲基）磷onium氯化物，分别标记为5-3-3-10、5-5-3-5和5-5-3-10。这些圆柱形凝胶在Varian ProBeam^? 360°质子系统上接受从0到7.25 Gy的辐照。辐照后96小时，使用3 T MRI系统对NIPAM聚合物凝胶进行扫描，以获得R?–剂量校准曲线和深度–剂量分布图，随后分别与离子室测量结果和治疗计划系统（TPS）的计算结果进行比较。表现最佳的配方在5、10和15厘米深度处进行了额外的扩展布拉格峰（SOBP）测试，并在辐照后第1、3、6和8天对其时间稳定性进行了评估。

结果

所有配方都显示出R?与吸收剂量之间的极佳线性关系（所有R2 > 0.98，P < 0.05）。5-5-3-10配方与TPS深度–剂量数据的吻合度最高，并且在辐照后长达3天内保持稳定的R?–剂量响应，之后观察到轻微的偏差。深度–剂量曲线再现了布拉格峰的形状，但在高线性能量传递区域存在轻微的低响应现象。

结论

通过MRI读取的5-5-3-10 NIPAM凝胶表现出高灵敏度、可重复性和时间稳定性，证实了它们适用于定量3D质子束剂量测量。这些结果为进一步改进和未来临床应用基于MRI的聚合物凝胶验证技术奠定了坚实的基础。