RADIATION FIELD CHARACTERISATION IN HOSPITAL THEATRES USING HYBRID PIXEL DETECTOR

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State: Public
Version: After imprimatur
License: Not specified
Serval ID
serval:BIB_750218519935
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
RADIATION FIELD CHARACTERISATION IN HOSPITAL THEATRES USING HYBRID PIXEL DETECTOR
Author(s)
NOWAK Marie
Director(s)
Verdun Francis R.
Codirector(s)
Damet Jérôme
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Accepted
Issued date
2020
Language
english
Abstract
Certain improvements in patient management are reflected in an increase in the use of X-ray imaging, something which significantly contributes to a regular increase in the average annual effective dose per inhabitant. Although early on, medical imaging was used for purely diagnostic purposes, it is now more and more used to guide therapeutic procedures. This poses two problems: on the one hand is patient exposure, in which tissue reactions may appear due to exposure to ionizing radiation, depending on the complexity of the procedure, and on the other hand is staff exposure, who are close to patients and also involved in numerous procedures over the course of the year. To address this, radiation protection for both patients and staff has been the subject of numerous advances, both from a technological and a behavioural point of view.
To limit exposure of a patient's skin, a hardening of the primary radiation is now systematically proposed for interventional radiology or cardiology procedures. While this measure is very effective, it makes it more difficult to predict the primary X-ray spectrum, which is moreover delivered in the form of short pulses.
When interacting with the patient, X-rays diffuse within the tissues and generate secondary radiation (or scattered radiation) which is responsible for exposure to the medical staff. Although the spectral content of the scattered radiation is well documented when using standard radiology spectra (50 - 100 kV; total filtration 2.5 mm Eq. Al), this is much less so for the spectra resulting from the use of highly hardened beams like those used in interventional radiology or cardiology. This situation is particularly critical when we want to accurately estimate the exposure of medical staff during fluoroscopically-guided procedures. While such procedures tend to become more and more complex, they allow replace surgical interventions which might carry more serious patient risks.
Among medical personnel, the majority of people professionally exposed to ionizing radiation receive very low doses which are far below the legal limits. For this category of people, it is entirely acceptable to estimate the radiation exposures with a tolerance which can be wide. This means that current dosimetry resources ensure optimal management of their radiological risk. However, a certain percentage of the personnel is exposed to a dose which approaches or may even exceed current dose limits. This is especially the case for certain operators who may exceed the dose limit for the eye lens if they do not take special precautions. In such a context, it is imperative to have a dosimetric arsenal to improve the estimation of doses. The objective of this work is part of this dynamic.
At first it seemed important to us to better understand the context of clinical exposure situations. To do this, a study was conducted to obtain measures of occupational exposure in hospitals and to compare them with data from the literature. The results of these measurements confirm the need to better characterise the spectral content of the scattered radiation produced around the patient during fluoroscopy-guided interventions.
The spectral characterisation of the radiation produced by X-ray tubes, especially when they are emitted in the form of short pulses, remains very difficult for several reasons. First, instant fluence generally exceeds the characteristics of commercially available instruments. In addition, it is often necessary to cool the dosimeters with liquid nitrogen to obtain satisfactory spectral resolution.
The innovative aspect of this work is to use a spectral detector to better characterise the scattered radiation spectra produced in the catheterisation room. This detector was originally developed at CERN for tracking particles in the large hadron collider and has also been used to obtain images from prototype spectral CT installations. However, its performance in detecting scattered radiation fields for dosimetry purposes had yet to be assessed. To do this, a complete characterisation of the detector was necessary. This work constitutes the heart of this thesis. It has been the subject of several scientific presentations and one publication. Finally, once the detector was characterized, a study was done to better understand the spatial spectral variation of the radiation produced by the patient during an interventional radiology procedure. The ultimate objective of this work is to be able to improve the dosimetry of the eye lens of operators using fluoroscopy by introducing calibration factors representative of practical situations.
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L’amélioration de la prise en charge des patients se traduit par une augmentation de l’utilisation de l’imagerie utilisant les rayons X qui contribue, de manière non négligeable, à une augmentation régulière de la dose efficace annuelle moyenne par habitant. Si au début de son utilisation, l’imagerie médicale était employée à des fins purement diagnostiques, elle est maintenant de plus en plus utilisée pour guider des procédures thérapeutiques ce qui pose deux problèmes : d’une part l’exposition du patient où, selon la complexité de la procédure, des réactions tissulaires liées à l’exposition aux rayonnements ionisants peuvent apparaître et d’autre part l’exposition du personnel qui se trouve à proximité du patient et qui prend en charge de nombreuses procédures durant l’année.
Pour faire face à cette situation, la radioprotection tant du patient que du personnel a fait l’objet de nombreux progrès tant d’un point de vue technologique que d’un point de vue comportemental.
Pour limiter l’exposition de la peau du patient, un durcissement du rayonnement primaire est maintenant systématiquement proposé pour les procédures de radiologie ou cardiologie interventionnelles. Si cette mesure s’avère très efficace, elle rend cependant plus difficile la prédiction du spectre de rayons X primaires qui est en outre délivré sous forme de courtes impulsions.
En interagissant avec le patient les rayons X diffusent au sein des tissus et génèrent un rayonnement secondaire (ou rayonnement diffusé) responsable de l’exposition du personnel. Si le contenu spectral du rayonnement diffusé est bien documenté lors de l’utilisation de spectres standards de radiologie (50 – 100 kV ; filtration totale 2.5 mm Eq. Al), ils le sont beaucoup moins pour les spectres issus de l’utilisation des qualités de faisceau fortement durcis comme ceux utilisés en radiologie ou cardiologie interventionnelles. Cette situation s’avère particulièrement critique lorsque l’on veut estimer avec précision l’exposition du personnel lors de l’exécution de procédures qui tendent à devenir de plus en plus complexes mais qui se substituent à des actes chirurgicaux dont les risques seraient plus importants.
Parmi le personnel soignant, la majorité des personnes professionnellement exposées aux rayonnements ionisants reçoit des doses très faibles qui sont largement en-dessous des limites légales. Pour cette catégorie de personnes il est tout à fait acceptable d’estimer les expositions avec une tolérance qui peut être large. Ainsi, les moyens de dosimétrie actuellement utilisés assurent une prise en charge optimale de leur risque radiologique. En revanche, une fraction de personnel est exposée à des niveaux de doses proches, ou qui peuvent même dépasser les limites de dose actuelles. C’est le cas en particulier de certains opérateurs qui sans précaution particulière peuvent voir la limite de dose au cristallin largement dépassée. Dans un tel contexte il est impératif de se doter d’un arsenal dosimétrique permettant d’améliorer l’estimation des doses. L’objectif de ce travail s’inscrit dans cette dynamique.
Dans un premier temps, il nous a semblé important de mieux connaître le contexte des situations d’exposition cliniques. Pour ce faire, une étude a été menée afin d’obtenir des mesures d’exposition professionnelle en milieu hospitalier et de les comparer aux données de la littérature. Le bilan de ces mesures confirme la nécessité de mieux caractériser le contenu spectral du rayonnement diffusé produit autour du patient lors d’actes guidés par fluoroscopie. La caractérisation spectrale du rayonnement produit par les tubes à rayons X, surtout lorsque ceux-ci sont émis sous la forme de courtes impulsions, reste très difficile pour plusieurs raisons. En premier lieu, la fluence instantanée dépasse généralement les caractéristiques des instruments commercialement disponibles. En outre, il est souvent nécessaire de refroidir les dosimètres à l’azote liquide pour obtenir une résolution spectrale satisfaisante.
L’aspect novateur de ce travail est d’utiliser un détecteur spectral développé au CERN pour le suivi des particules dans le grand collisionneur de hadrons, et qui est aussi utilisé pour l’obtention d’images provenant d’installations prototypes CT spectral, pour mieux caractériser les spectres de rayonnement diffusé produits en salle de cathétérisme. Pour ce faire, une caractérisation complète du détecteur a été nécessaire. Ce travail constitue le cœur de cette thèse. Il a fait l’objet de plusieurs présentations scientifiques ainsi que d’une publication. Enfin, une fois le détecteur caractérisé, une étude visant à mieux comprendre la variation spectrale dans l’espace du rayonnement produit par le patient lors d’un examen standard de radiologie interventionnelle a été entrepris. L’objectif ultime de ce travail étant de pouvoir améliorer la dosimétrie du cristallin des opérateurs utilisant les installations de radioscopie par l’introduction de facteurs d’étalonnage représentatifs des situations pratiques.
Keywords
spectre en énergie, rayonnement diffusé, radiologie interventionnelle, détecteur à pixels hybrides, Timepix3, dose, energy spectrum, scattered radiation, interventional radiology, hybrid pixel detector, Timepix3, dose.
Create date
04/12/2020 11:42
Last modification date
19/01/2021 12:07
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