High-dose dosimetry with emphasis on the industrial sterilization and accidental radiation dosimetry

Abstract

The subject of the present Thesis is to investigate whether Thermoluminescence (TL) and Optically Stimulated Luminescence (OSL) can be employed as methods for the detection of irradiated pharmaceutical preparations towards their efficient use in post-sterilization and/or accidental dosimetry. To accomplish the above, systematic TL and OSL measurements of commercial solid-state drugs and of the glass containers of liquid-state drugs (since they are equally exposed to the radiation), along with computerized curve deconvolution analysis (CCDA) of the acquired signals, were conducted to shed light on their luminescence characteristics and the properties of the involved electron traps. Moreover, an effort was also made to establish a new protocol for the determination of the dose (sterilization or accidental) absorbed by the heat-sensitive solid drugs.Measurements on five solid-state drugs (Aspirin®, Brufen®, Daktarin®, Panadol® and Procef®) showed that TL is not an appropriate method for the post-sterilization and/or accidental dosimetry of solid drugs due to their heat-sensitive nature. On the other hand, irradiated solid drugs can efficiently be detected by means of OSL, regardless of the stimulation mode (continuous wave or linearly modulated) and the wavelength of the stimulation light (infrared or blue). However, the repeatability between samples of the same drug is rather poor, possibly due to variations of the concentration of the luminescence substances from sample to sample. The CCDA revealed that all individual components, which compose the experimental decay curves, can be described with approximately second-order kinetics, while a very fast component with a lifetime of few seconds is evident in all solid drugs. In the same respect, measurements with the above methods were also conducted on two different types of glass containers of two liquid-state drugs (Hexalen® and Voltaren®). In view of the findings, both TL and OSL can efficiently be used for the identification of irradiated liquid drugs via the detection of their glass containers, while the dose estimation could be accomplished through multiple ways. The CCDA revealed that both the TL and OSL signals are composed by several components with linear dose response up to several kGy. Moreover, it was also shown that traps with a very high lifetime exist and could be used for dosimetry purposes.A novel single-aliquot regenerative-dose protocol suitable for the estimation of the equivalent dose with OSL in heat-sensitive materials exhibiting sensitization, such as solid drugs, was developed. The protocol (called SARHS) eliminates any sensitization effects without encompassing any heating of the sample and was proved capable of calculating the sterilization and/or accidental dose of irradiated drugs.The findings of the present Thesis are very supportive and point towards the efficient use of TL and OSL for the post-sterilization and/or accidental dosimetry of commercial solid drugs and the glass containers of liquid drugs.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι να διερευνήσει κατά πόσον η θερμοφωταύγεια (Thermoluminescence-TL) και η οπτικά προτρεπόμενη φωταύγεια (Optically Stimulated Luminescence-OSL) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αποτελεσματικές μέθοδοι για την ανίχνευση ακτινοβολημένων φαρμακευτικών σκευασμάτων στη μετα-αποστειρωτική δοσιμετρία ή/και στη δοσιμετρία ατυχημάτων. Για το λόγο αυτό, διεξήχθησαν συστηματικές μετρήσεις TL και OSL εμπορικών στερεών φαρμάκων και των γυάλινων δοχείων υγρών φαρμάκων (εφόσον εκτίθενται εξίσου στην ακτινοβολία), καθώς και υπολογιστική ανάλυση αποσυνέλιξης των καμπυλών σε συνιστώσες (computerized curve deconvolution analysis-CCDA), προκειμένου να εξεταστούν τα χαρακτηριστικά φωταύγειάς τους και οι ιδιότητες των εμπλεκόμενων παγίδων ηλεκτρονίων. Επιπλέον, καταβλήθηκε προσπάθεια για την ανάπτυξη ενός νέου πρωτοκόλλου για τον προσδιορισμό της απορροφούμενης δόσης (αποστείρωσης ή ατυχήματος) από τα θερμο-ευαίσθητα στερεά φάρμακα.Οι μετρήσεις σε πέντε φάρμακα στερεής κατάστασης (Aspirin®, Brufen®, Daktarin®, Panadol® και Procef®) έδειξαν ότι η TL δεν είναι κατάλληλη μέθοδος για τη μετα-αποστειρωτική δοσιμετρία ή/και τη δοσιμετρία ατυχημάτων στερεών φαρμάκων λόγω της θερμο-ευαίσθητης φύσης τους. Από την άλλη πλευρά, τα ακτινοβολημένα στερεά φάρμακα μπορούν να ανιχνευθούν αποτελεσματικά με OSL, ανεξάρτητα από τον τρόπο διέγερσης (σταθερής έντασης σκανδαλισμού ή γραμμικά αυξανόμενης οπτικής προτροπής) και το μήκος κύματος του φωτός διέγερσης (υπέρυθρο ή μπλε). Ωστόσο, η επαναληψιμότητα μεταξύ δειγμάτων του ίδιου φαρμάκου είναι μάλλον φτωχή, που ενδεχομένως να οφείλεται σε διαφορές της συγκέντρωσης των φωταυγειακών ουσιών από δείγμα σε δείγμα. Η CCDA αποκάλυψε ότι όλες οι μεμονωμένες συνιστώσες, οι οποίες συνθέτουν τις πειραματικές καμπύλες αποσύνθεσης, μπορούν να περιγραφούν με κινητική περίπου δεύτερης τάξης, ενώ μια πολύ γρήγορη συνιστώσα με διάρκεια ζωής λίγων δευτερολέπτων είναι εμφανής σε όλα τα στερεά φάρμακα.Οι μετρήσεις με τις παραπάνω μεθόδους διεξήχθησαν επίσης σε δύο διαφορετικούς τύπους δοχείων από γυαλί δύο φαρμάκων υγρής κατάστασης (Hexalen® και Voltaren®). Λαμβάνοντας υπόψη τα ευρήματα, τόσο η TL όσο και η OSL μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά για την ανίχνευση ακτινοβολημένων υγρών φαρμάκων μέσω της ανίχνευσης των γυάλινων δοχείων τους, ενώ η εκτίμηση της δόσης μπορεί να επιτευχθεί με πολλούς τρόπους. Η CCDA έδειξε ότι τόσο τα TL όσο και OSL σήματα αποτελούνται από πολλές συνιστώσες με γραμμική απόκριση δόσης έως και αρκετά kGy. Επιπλέον, φαίνεται επίσης ότι υπάρχουν παγίδες με μεγάλο χρόνο ζωής και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για δοσιμετρικούς σκοπούς.Τέλος, αναπτύχθηκε ένα νέο πρωτόκολλο ανασύστασης δόσης μονού δισκίου (single-aliquot regenerative-dose) κατάλληλο για την εκτίμηση της ισοδύναμης δόσης με OSL σε θερμο-ευαίσθητα υλικά που εμφανίζουν ευαισθητοποίηση, όπως τα στερεά φάρμακα. Το πρωτόκολλο (που ονομάζεται SARHS) εξαλείφει τυχόν επιδράσεις ευαισθητοποίησης χωρίς να συμπεριλαμβάνει οποιαδήποτε θέρμανση του δείγματος και αποδείχθηκε ικανό να υπολογίσει τη δόση αποστείρωσης ή/και ατυχήματος ακτινοβολημένων φαρμάκων. Τα ευρήματα της παρούσας διατριβής είναι πολύ υποστηρικτικά και αποδεικνύουν την αποτελεσματική εφαρμογή των μεθόδων TL και OSL στη μετα-αποστειρωτική δοσιμετρία και τη δοσιμετρία ατυχημάτων των εμπορικών στερεών φαρμάκων και των γυάλινων δοχείων υγρών φαρμάκων.