Monte Carlo Analysis and Physics Characterization of a Novel Nanoparticle Detector for Medical and Micro-dosimetry Applications

The outcomes for both (i) radiation therapy and (ii) preclinical small animal radio- biology studies are dependent on the delivery of a known quantity of radiation to a specific and intentional location. Adverse effects can result from these procedures if the dose to the target is too high or low, and can also result from an incorrect spatial distribution in which nearby normal healthy tissue can be undesirably damaged by poor radiation delivery techniques. Thus, in mice and humans alike, the spatial dose distributions from radiation sources should be well characterized in terms of the absolute dose quantity, and with pin-point accuracy. When dealing with the steep spatial dose gradients consequential to either (i) high dose rate (HDR) brachytherapy or (ii) within the small organs and tissue inhomogeneities of mice, obtaining accurate and highly precise dose results can be very challenging, considering commercially available radiation detection tools, such as ion chambers, are often too large for in-vivo use.

In this dissertation two tools are developed and applied for both clinical and preclinical radiation measurement. The first tool is a novel radiation detector for acquiring physical measurements, fabricated from an inorganic nano-crystalline scintillator that has been fixed on an optical fiber terminus. This dosimeter allows for the measurement of point doses to sub-millimeter resolution, and has the ability to be placed in-vivo in humans and small animals. Real-time data is displayed to the user to provide instant quality assurance and dose-rate information. The second tool utilizes an open source Monte Carlo particle transport code, and was applied for small animal dosimetry studies to calculate organ doses and recommend new techniques of dose prescription in mice, as well as to characterize dose to the murine bone marrow compartment with micron-scale resolution.

Hardware design changes were implemented to reduce the overall fiber diameter to <0.9 mm for the nano-crystalline scintillator based fiber optic detector (NanoFOD) system. Lower limits of device sensitivity were found to be approximately 0.05 cGy/s. Herein, this detector was demonstrated to perform quality assurance of clinical 192Ir HDR brachytherapy procedures, providing comparable dose measurements as thermo-luminescent dosimeters and accuracy within 20% of the treatment planning software (TPS) for 27 treatments conducted, with an inter-quartile range ratio to the TPS dose value of (1.02-0.94=0.08). After removing contaminant signals (Cerenkov and diode background), calibration of the detector enabled accurate dose measurements for vaginal applicator brachytherapy procedures. For 192Ir use, energy response changed by a factor of 2.25 over the SDD values of 3 to 9 cm; however a cap made of 0.2 mm thickness silver reduced energy dependence to a factor of 1.25 over the same SDD range, but had the consequence of reducing overall sensitivity by 33%.

For preclinical measurements, dose accuracy of the NanoFOD was within 1.3% of MOSFET measured dose values in a cylindrical mouse phantom at 225 kV for x-ray irradiation at angles of 0, 90, 180, and 270˝. The NanoFOD exhibited small changes in angular sensitivity, with a coefficient of variation (COV) of 3.6% at 120 kV and 1% at 225 kV. When the NanoFOD was placed alongside a MOSFET in the liver of a sacrificed mouse and treatment was delivered at 225 kV with 0.3 mm Cu filter, the dose difference was only 1.09% with use of the 4x4 cm collimator, and -0.03% with no collimation. Additionally, the NanoFOD utilized a scintillator of 11 µm thickness to measure small x-ray fields for microbeam radiation therapy (MRT) applications, and achieved 2.7% dose accuracy of the microbeam peak in comparison to radiochromic film. Modest differences between the full-width at half maximum measured lateral dimension of the MRT system were observed between the NanoFOD (420 µm) and radiochromic film (320 µm), but these differences have been explained mostly as an artifact due to the geometry used and volumetric effects in the scintillator material. Characterization of the energy dependence for the yttrium-oxide based scintillator material was performed in the range of 40-320 kV (2 mm Al filtration), and the maximum device sensitivity was achieved at 100 kV. Tissue maximum ratio data measurements were carried out on a small animal x-ray irradiator system at 320 kV and demonstrated an average difference of 0.9% as compared to a MOSFET dosimeter in the range of 2.5 to 33 cm depth in tissue equivalent plastic blocks. Irradiation of the NanoFOD fiber and scintillator material on a 137Cs gamma irradiator to 1600 Gy did not produce any measurable change in light output, suggesting that the NanoFOD system may be re-used without the need for replacement or recalibration over its lifetime.

For small animal irradiator systems, researchers can deliver a given dose to a target organ by controlling exposure time. Currently, researchers calculate this exposure time by dividing the total dose that they wish to deliver by a single provided dose rate value. This method is independent of the target organ. Studies conducted here used Monte Carlo particle transport codes to justify a new method of dose prescription in mice, that considers organ specific doses. Monte Carlo simulations were performed in the Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) toolkit using a MOBY mouse whole-body phantom. The non-homogeneous phantom was comprised of 256x256x800 voxels of size 0.145x0.145x0.145 mm3. Differences of up to 20-30% in dose to soft-tissue target organs was demonstrated, and methods for alleviating these errors were suggested during whole body radiation of mice by utilizing organ specific and x-ray tube filter specific dose rates for all irradiations.

Monte Carlo analysis was used on 1 µm resolution CT images of a mouse femur and a mouse vertebra to calculate the dose gradients within the bone marrow (BM) compartment of mice based on different radiation beam qualities relevant to x-ray and isotope type irradiators. Results and findings indicated that soft x-ray beams (160 kV at 0.62 mm Cu HVL and 320 kV at 1 mm Cu HVL) lead to substantially higher dose to BM within close proximity to mineral bone (within about 60 µm) as compared to hard x-ray beams (320 kV at 4 mm Cu HVL) and isotope based gamma irradiators (137Cs). The average dose increases to the BM in the vertebra for these four aforementioned radiation beam qualities were found to be 31%, 17%, 8%, and 1%, respectively. Both in-vitro and in-vivo experimental studies confirmed these simulation results, demonstrating that the 320 kV, 1 mm Cu HVL beam caused statistically significant increased killing to the BM cells at 6 Gy dose levels in comparison to both the 320 kV, 4 mm Cu HVL and the 662 keV, 137Cs beams.

Selbstorganisierte Projektgruppen von Studierenden. Neue Wege bei der Kompetenzentwicklung an Hochschulen

In diesem Beitrag weisen wir auf die Bedeutung hin, die selbstorganisierte Projektgruppen von Studierenden für das (Aus-)Bildungsziel der überfachlichen Kompetenzentwicklung haben können. Nach einem kurzen Überblick über den aktuellen Stand der Förderung überfachlicher Kompetenzen an Hochschulen stellen wir am Beispiel des Augsburger „Begleitstudiums Problemlösekompetenz“ einen Ansatz zur Kompetenzentwicklung vor, der auf der Partizipation in studentischen Praxisgemeinschaften beruht. Wir erläutern vor diesem Hintergrund, wie sich selbstorganisierte Projektgruppen von Studierenden von anderen Gruppenformen im Rahmen von Lehrveranstaltungen unterscheiden, und machen anhand eines Beispiels deutlich, welchen Mehrwert diese Praxisgemeinschaften gegenüber anderen Ansätzen zur überfachlichen Kompetenzförderung an Hochschulen haben. (DIPF/ Orig.)

Entwicklungswege Jugendlicher zwischen Transition und Moratorium

Bisher stehen sich in der deutschen Jugendforschung mit dem Transitions- und Moratoriumsgedanken zwei Konzepte zur Beschreibung der Jugendphase gegenüber, deren ergänzender Charakter bisher kaum Beachtung gefunden hat. Um eine Verknüpfung leisten zu können, sollen beide Auffassungen von Jugend kurz skizziert und in die Beschreibung einer Typologie jugendlicher Entwicklungswege überführt werden. Im zweiten Teil werden auf der Basis von Sekundäranalysen empirische Evidenzen aufgezeigt, die eine Vertiefung der theoretischen Herangehensweise aussichtsreich erscheinen lassen. (DIPF/Orig.)

"Sanftes Monster Brüssel" – zur voraussichtlichen Repräsentation der Sozialwissenschaften in der zukünftigen europäischen Forschungsförderpolitik

Der Artikel befasst sich mit der europäischen Forschungsförderpolitik im Hinblick auf die Sozialwissenschaften. Derzeit laufen die Vorbereitungen für das nächste EU-Forschungsrahmenprogramm, das ab 2014 bis 2020 gültig sein wird. Es wird den Namen Horizon 2020 erhalten. Die Analyse skizziert die verschiedenen Aktivitäten, die nationale und europäische Erziehungswissenschaftsverbände entfaltet haben, um eine Repräsentation der Sozialwissenschaften im nächsten Rahmenprogramm zu gewährleisten. (DIPF/Orig.)

Der Trainingsraum: Unterrichtsstörung als Bumerang

Anhand eines schulischen Dokumentes zur Methode des Trainingsraums werden Anspruch und Umsetzung der Methode analysiert. Der Trainingsraum verspricht Lehrerinnen und Lehrern eine Methode an die Hand zu geben, um Unterrichtsstörungen erzieherisch in den Griff zu bekommen und vor allem: fortlaufenden Unterricht zu ermöglichen. Das Beispiel zeigt, inwieweit eine Verlagerung des Disziplinierungsproblems in den Trainingsraum doch wieder an den Ort des Geschehens - den Klassenraum - zurückführt. (DIPF/Autor)

Online Publizieren - auch in der Erziehungswissenschaft?!

Vor- und Nachteile im Vergleich von herkömmlichem zu elektronischem Publizieren werden erläutert. Mit Bezug auf eine DFG-Studie zum "Publikations- und Rezeptionsverhalten unter besonderer Berücksichtigung von Open Access" wird die Situation speziell in der Erziehungswissenschaft reflektiert und dabei besonders auf das Projekt "Fachportal Pädagogik" eingegangen, das u.a. Qualitätssicherung und Langzeitverfügbarkeit von elektronisch vorliegender erziehungswissenschaftlicher Fachinformation zum Ziel hat. (DIPF/pr)

Der Bildungsbericht 2011

Ziel des Bildungsberichts ist es, das Bildungsgeschehen und die Bildungswege von Kindern, Jugendlichen und jungen Erwachsenen in der Stadt Essen anhand der ausgewählten Indikatoren abzubilden. Damit soll zunächst für Essen die Frage beantwortet werden, ob und in welchem Maß der allgemein behauptete Zusammenhang von sozialer Herkunft und Bildungserfolg besteht, um dann identifizieren zu können, wo die Stellschrauben für eine erfolgreiche Intervention sind. Der Aufbau des Bildungsberichts orientiert sich grundsätzlich an den chronologischen Stufen einer idealtypischen Bildungsbiographie und an den durchlaufenen Einrichtungen, wobei eine Einbettung in einen gesamthaften sozialen Kontext erfolgt. Hieraus begründet sich die thematische Spannbreite der zusammengestellten Informationen. Da die Lebens- und Aufwachsbedingungen im Stadtgebiet erheblich differieren, erfolgt die Berichterstattung in vielen Segmenten in kleinräumiger Betrachtungsweise. (DIPF/Orig.)

Bildungsbericht Dessau-Roßlau 2011

In dem Bildungsbericht [von Dessau-Roßlau] wurden thematische Schwerpunkte festgelegt, die sich weitestgehend auf das formale Lernen in Institutionen beziehen. Thematisch hat der Bildungsbericht die folgenden Schwerpunkte: Elementare Bildung, Allgemeinbildende Schulen, Berufsbildungssystem – Berufsbildende Schulen, Hochschulbildung, Erwachsenenbildung, Weiterbildung und informelles Lernen. Da insbesondere die Übergänge zwischen den Institutionen wichtige Punkte in der Bildungsbiographie sind, werden sie in den jeweiligen Kapiteln kurz anhand ihrer Besonderheiten und Auffälligkeiten beschrieben. Neben der allgemeinen Darstellung der Teilbereiche werden alle Bereiche in Bezug auf drei Einflussfaktoren untersucht: Demographischer Wandel, Soziale Ungleichheit, Geschlechtsspezifische Ungleichheit. Diese drei Themenkomplexe sind als Querschnittsthemen allen Schwerpunkten vorangestellt und beschreiben, welchen Einfluss die jeweiligen Faktoren haben bzw. wie groß ihr Einfluss auf die Teilbereiche ist. (DIPF/Orig.)

El pensamiento variacional en el estudio de las relaciones trigonométricas: una mirada desde los libros de texto

Con base en un análisis de los lineamientos curriculares, los estándares básicos de competencia y algunos estudios e investigaciones sobre la variación asociada al estudio de la trigonometría plana, decidimos aplicar la técnica del análisis de contenido a algunos libros de texto del grado décimo frente al tipo de ejercicios y “problemas” que se proponen para abordar el estudio de las relaciones trigonométricas; este análisis muestra que generalmente esta temática se desarrolla a través de expresiones algebraicas para calcular datos fijos y desconocidos de un triángulo. Estos resultados muestran la necesidad de diseñar propuestas alternativas en las cuales se haga hincapié en la visualización de relaciones “dinámicas” y funcionales entre los ángulos y los lados de un triángulo.

Witz komm 'raus, du bist umzingelt! Über das Misslingen zweier Karikaturen

Im Artikel werden zwei Karikaturen von Teresa Habild interpretiert. Thematisiert wird in beiden Darstellungen, wie in der Schule mit der unterschiedlichen Schichtzugehörigkeit von Kindern und Eltern umgegangen wird. Dabei zeigt die Interpretation, dass der vermeintliche Witz letztendlich auf Kosten der Dargestellten geht und sich mit den bestehenden Verhältnissen arrangiert. Es wird von der Künstlerin versäumt, genau diese bestehende Ungerechtigkeit des Systems Schule und dessen Ausleseprozess kritisch zu befragen. (DIPF/Autor)

Evidenzbasierte Bildungsforschung

In der Wörterbuch-Rubrik der Zeitschrift wird der derzeit grassierende Begriff der "Evidenzbasierten Bildungsforschung" analytisch auf seinen Gehalt geprüft. Ausgehend von seinem Auftauchen in der Medizin im angloamerikanischen Sprachbereich (evidence-based medicine) wird gefragt, worin die Evidenz der Forschungsergebnisse liegt und wie eine Übertragung auf den Bildungsbereich aussieht. Dabei wird deutlich, dass sich die evidenzbasierten Ergebnisse in der Bildungsforschung einer Steuerungshoffnung oder gar -phantasie verdanken, die die Ergebnisse selbst jedoch nur wenig bereit stellen. (DIPF/Autor)

Walter Benjamin und das Erleben in der Kindheit

Die Autorin zeigt anhand der Interpretation des Textstücks „Schmetterlingsjagd“ aus Walter Benjamins „Berliner Kindheit um neunzehnhundert“ welche pädagogischen Einsichten gewonnen werden können. Dabei zeigt sich, dass das Kind einen mimetischen Zugang zum Schmetterling einnimmt, um ihn fangen zu können und ihn für seine Sammlung zu sezieren. D.h. der kindliche Zugang des Sich-Ähnlich-Machens wird von Benjamin dialektisch erinnert: er ist nicht nur ein sanftes Sich-Nähern an die Gegenstände der Welt, sondern unterliegt bereits in der Kindheit einer instrumentellen Verwendung. Erst diese sichert, dass das Kind seinen Platz in der Gesellschaft wird finden können. (DIPF/Autorin)

Metadaten für Open Educational Resources (OER). Eine Handreichung für die öffentliche Hand, erstellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB)

"Im Zuge der weiteren Verbreitung der Social Media und der internetbasierten Lehre, gewinnen eLearning Inhalte immer mehr an Bedeutung. In den Kontext von eLearning und internetbasierter Lehre gehören auch Open Educational Resources (OER). OER sind digitale Lern- und Lehrmaterialien, die frei für Lehrende und Studierende zugänglich sind und auch frei verbreitet werden dürfen. [...] Um OER auszutauschen, zu finden, zu beschaffen und sie auf einer breiten Basis zugänglich zu machen, insbesondere auch über Suchmaschinen und dadurch verwenden zu können, werden für die jeweiligen Materialien Metadaten benötigt. [...] Um die Frage nach dem Handlungs- und Forschungsbedarf zum Thema Metadaten für Open Educational Resources zu untersuchen, wird zunächst ein Überblick über die momentan bestehenden nationalen und internationalen Metadatenstandards für eLearning Objekte gegeben. [...] Hieraus ergeben sich Empfehlungen, welche Metadaten-Standards für die weitere Nutzung und Förderung geeignet sein könnten. Es werden außerdem die Möglichkeiten der Erstellung eines neuen Metadaten-Standards sowie eines gemeinsamen Portals für OER erörtert. Hierbei wird vor allem auf die zu erwartenden Probleme und die damit verbundenen Anforderungen eingegangen." (DIPF/Orig.)

Tun Lehrerinnen und Lehrer im Unterricht, was sie als Mitglieder ihrer Profession tun sollten? Zur Diskussion zwischen Wernet und Twardella

Einführung in die Diskussion zwischen Johannes Twardella und Andreas Wernet über Wernets Buch "Pädagogische Permissivität". (DIPF/Autor)

Berufsschulumfrage 2012. Einflussfaktoren auf die Berufswahl und Verbleibentscheidung von Auszubildenden im Landkreis Mecklenburgische Seenplatte

Berufswahlsentscheidung und die Frage nach dem Gehen oder Bleiben ist nicht nur für viele junge Menschen in ländlichen Regionen eine wichtige Frage, sondern auch für die im Übergang Schule-Beruf arbeitenden Menschen und Akteure der jeweiligen Kommune. Vor dem Hintergrund der Abwanderungstendenzen und der Optimierung der Übergänge Schule-Beruf hat die Stabsstelle Bildung des Landkreises Mecklenburgische Seenplatte repräsentativ 2800 Auszubildende des Landkreises befragt über die Einflussfaktoren für ihre Berufswahl und über ihre Entscheidung hier zu bleiben oder gehen befragt. Die z.T. überraschenden Ergebnisse werden in dieser Studie zusammen mit Handlungsempfehlungen dargestellt. (DIPF/Autor)