APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES

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1 CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES EQUIPOS, INSTALACIONES Y PRÁCTICAS: ASPECTOS DE PROTECCIÓN RADIOLÓGICA RADIOTERAPIA Desde hace algunas décadas ha sido intenso el uso de las radiaciones ionizantes para el tratamiento de enfermedades neoplásicas. Tal aplicación, denominada radioterapia, se lleva a cabo a través de dos técnicas: la teleterapia y la braquiterapia. Teleterapia Se denomina así a una rama de la terapia oncológica por la que se busca eliminar las células tumorales mediante haces de radiación ionizante que se dirigen desde el exterior del cuerpo del paciente hacia el volumen de localización del tumor maligno. Es un objetivo asociado minimizar el daño al tejido sano que lo circunda. En esta técnica, en la que se interpone cierta distancia entre la fuente radiación y el tumor a irradiar (blanco), se utilizan equipos emisores de rayos X para radioterapia superficial y profunda y equipos de alta energía como los de telegammaterapia y los aceleradores lineales. Braquiterapia Se designa con este nombre al uso de fuentes radiactivas selladas con el mismo fin, ubicadas dentro de cavidades corporales o en contacto directo con el cuerpo del paciente en planos próximos a la zona tumoral. La braquiterapia puede ser manual o remota. La braquiterapia manual comprende las siguientes técnicas: Terapia intersticial: la fuente se introduce dentro de los tejidos. En implantes transitorios se emplean fuentes de Ir 192 e I 125 en forma de semillas y alambres o fuentes de Cs 137 en forma de agujas. En implantes permanentes se utilizan fuentes de Au 198 de aproximadamente 2 Gbq en forma de cilindros o agujas o fuentes de Ir 192 e I 125 en forma de semillas. Terapia intracavitaria: las fuentes se ubican en orificios o cavidades naturales del cuerpo. Se usan fuentes de Cs 137 de actividades comprendidas entre 0,1 y 1,85 Gbq en forma de tubos. Terapia superficial: se lleva a cabo mediante aplicadores dérmicos u oftálmicos que utilizan fuentes de Sr 90 con actividades del orden de 1,5 Bq. La braquiterapia remota se lleva a cabo mediante equipos de carga diferida para tratamientos intracavitarios o intersticiales de alta y baja tasa de dosis. Para alta tasa de dosis se emplean fuentes de Ir 192 con actividades del orden de 370 GBq y para baja tasas de dosis de Cs 137 con una actividad del orden de 1 GBq. CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 331

2 TELETERAPIA EQUIPOS DE RAYOS X PARA TERAPIA Las características generales de los equipos emisores de rayos X utilizados en el tratamiento de enfermedades neoplásicas pueden resumirse como sigue: Ofrecen bajo rendimiento en profundidad. Producen la dosis máxima en la epidermis. La localización y colimación del haz sobre el paciente se efectúa por medio de aplicadores especiales que forman parte del equipo. Algunos equipos poseen localizadores especiales para aplicaciones intracavitarias. La dosis en superficie se puede controlar mediante: La tensión del tubo. La intensidad de corriente. El filtrado del haz. La distancia fuente-superficie (DFS). El tamaño de campo. El rendimiento en profundidad se puede controlar mediante: La tensión del tubo. El filtrado del haz. La distancia foco-superficie. De lo anterior se infiere que además del tubo generador y sus elementos asociados, forman parte de un equipo de rayos X para terapia los siguientes componentes: Aplicadores de distintas longitudes y distintos tamaños de campo. Filtros para determinar la calidad de la radiación. Algunos poseen cámaras monitoras para mejorar el aspecto dosimétrico. Equipos de radioterapia superficial Se usan para el tratamiento de lesiones de piel, inclusive algunas histológicamente benignas, y operan con diferencias de potencial entre 10 y 100 kv. Imparten la dosis máxima en superficie que decae rápidamente en profundidad. Ello evita que los tejidos subyacentes sean significativamente irradiados. Esa incapacidad de entregar dosis altas en profundidad guarda relación con el kilovoltaje. Los filtros de aluminio que se colocan directamente por debajo de la unidad emisora tienen como fin absorber la radiación mas blanda homogeneizando el espectro de emisión. Equipos para radioterapia profunda Operan alrededor de los 250 kv con una distancia foco-piel de alrededor de 50 cm. En estos equipos también se agregan filtros, tanto de aluminio como de cobre, para reducir la radiación mas blanda que afecta inútilmente la piel. 332 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

3 EQUIPOS DE ALTA ENERGÍA Son equipos que proveen radiación ionizante de naturaleza electromagnética ya sea proveniente de una fuente radiactiva o por la aceleración y frenado de partículas. En el caso de las fuentes radioisotópicas la energía fotónica media es superior a un 1 MeV y la energía máxima del espectro de emisión de los aceleradores es por lo menos 4 MeV. Entre otras, los equipos de alta energía presentan las siguientes ventajas respecto de los de equipos de rayos X para terapia: Mayor profundidad de penetración. Mayor versatilidad. La dosis máxima se obtiene a una cierta profundidad por debajo de la epidermis. Poseen mayor estabilidad energética. EQUIPOS DE COBALTOTERAPIA Los equipos de teleterapia que emplean fuentes selladas de material radiactivo se vienen utilizando desde Su diseño básico y condiciones de operación no han cambiado sustancialmente con los años. Los primeros equipos fueron fijos y en poco tiempo se introdujeron los rotatorios (Figura 1). Con el tiempo se desarrollaron un sinnúmero de mejoras, particularmente en los sistemas de seguridad (enclavamientos, señalización y blindaje) de control y en los accesorios (sistemas de colimación, mesa de tratamiento, etc.). Blindaje Fuente Tumor Paciente Mesa ajustable Figura 1 Las fuentes selladas empleadas en este tipo de equipamientos, cuyo esquema se muestra en la Figura 2, son típicamente: De Cs 137 entre 50 y 100 TBq (hoy día en desuso), y de Co 60 entre 100 y 500 TBq. CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 333

4 Soldadura eléctrica Doble encapsulado en acero inoxidable Ensamblado especial para asegurar la densidad uniforme de la fuente Espaciadores de acero inoxidable Pastillas de cobalto 60 de alta actividad específica con baño de níquel Material radiactivo Figura 2 La función primaria de una unidad de cobaltoterapia es entregar una dosis prefijada de radiación en un volumen bien definido del cuerpo. Este objetivo se cumple dirigiendo el haz a la zona elegida como blanco y controlando la dosis entregada, tanto en lo referido al direccionamiento y tamaño del haz como al control del tiempo de exposición de la fuente. Descripción general En la Figura 3 se muestra un diseño esquemático de un equipo de cobaltoterapia de última generación en el que se han señalado los principales elementos componentes del mismo. Eje del colimador y la mesa que pasa por el isocentro Control manual Isocentro Eje de rotación de la horquilla Movimiento vertical Contrapeso Barra de haz Movimiento longitudinal Interruptor para parada de emergencia Interruptor para restablecimiento de potencia Figura APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

5 Básicamente constan de: Un cabezal en el que se encuentra alojada la fuente sellada de cobalto Co 60, un dispositivo de apertura y cierre (shutter) que permite exponer la fuente durante un tiempo predeterminado y los elementos que determinan las condiciones geométricas del tratamiento. Una horquilla (gantry) que cumple la funciones de soporte mecánico del cabezal, transmisión de las señales de comando al cabezal y determinación de las características mecánicas del tratamiento Un estativo que aloja dispositivos mecánicos y de control además de servir de sostén al conjunto. La camilla, además de servir de soporte del paciente, cumple una importante función en la determinación de las condiciones geométricas del tratamiento y suele alojar distintos controles que actúan sobre el equipo. Cabezal (alojamiento de la fuente) La fuente se encuentra almacenada en un cabezal que reduce la tasa de exposición a un nivel aceptable en cualquier punto situado fuera del haz útil. La Figura 4 muestra un esquema descriptivo. Se emplean para su construcción materiales de alto número atómico y densidad elevada, tales como el plomo, tungsteno o uranio empobrecido. La elección de un material u otro depende fundamentalmente de la densidad del mismo. Por ejemplo un cabezal de plomo tiene aproximadamente un peso 2,5 veces mayor que uno de tungsteno que provea la misma atenuación. Por este motivo el material del cabezal es, al menos en parte, tungsteno y/o uranio, principalmente en la zona de guarda de la fuente y en las partes móviles que definen el tamaño de campo (colimadores y trimmers). Fuente radiactiva Plomo Uranio Posición de la fuente Beam Off Drawer Sistema de luz Indicador de posición de la fuente Posición de la fuente Beam On Nivel de la cara de la fuente Figura 4 CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 335

6 Dispositivos de apertura y cierre Puesto que no se puede detener la emisión de la fuente radiactiva a voluntad como en el caso de los tubos de rayos X, se debe interponer suficiente blindaje entre la fuente y el paciente en condiciones de no irradiación. A tal fin se emplean distintos dispositivos de apertura-cierre, en la mayoría de los casos en alguna de las formas indicadas en la Figura 5. (a) (b) (c) Figura 5 El caso (a) muestra la fuente ubicada dentro de un drawer que se desliza por acción neumática llevando a la fuente fuera del blindaje en condición de irradiación y retornándola a la posición de no irradiación por acción mecánica al final del tiempo de tratamiento, o cuando por cualquier motivo se interrumpe la presión de aire. En el caso (b) la fuente se aloja en un cilindro rotatorio que posiciona a la misma en condición de irradiación (hacia abajo). En el caso (c) la fuente se encuentra fija mientras que lo que se desplaza automáticamente es el shutter, existiendo un segundo shutter de seguridad que se desplaza manualmente en caso que falle el principal. En el caso (a) el cierre manual se realiza mediante una barra que empuja el drawer a posición segura mientras que en el caso (b) tal acción se efectúa girando el cilindro portafuente mediante un control ubicado en el frente del cabezal. La apertura y cierre del shutter no es instantánea, lo que produce un error dosimétrico, fundamentalmente en los casos de fuentes de alta actividad en los que los tiempos de tratamiento son cortos. 336 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

7 Colimador El colimador, que puede observarse en la Figura 6, delimita, conforma y dirige el haz útil. Está formado por una serie de bloques de uranio o tungsteno que se deslizan de manera combinada, hacia o desde el centro del haz, permitiendo seleccionar cualquier campo de irradiación cuadrado o rectangular, normalmente dentro de los límites de 2 x 2 a 35 x 35 cm, a una determinada distancia fuente-superficie (DFS). Normalmente, las hojas se deslizan de a pares opuestos de modo de modificar cada vez una de las dimensiones del campo. Los colimadores de hojas múltiples tienen la ventaja de reducir el tamaño de la penumbra, pero ésta puede reducirse aún mas con el aditamento de barras de definición externas (trimmers) que se colocan a continuación de las principales. Fuente Barras de uranio para extensión del colimador Fuente Multihojas de plomo Indicador óptico de la distancia de tratamiento Barras del colimador Completamente extendidas (Uranio) Figura 6 Al colimador se incorporan dos dispositivos ópticos que ayudan a la correcta ubicación del paciente: Un localizador visual del campo de irradiación que indica el tamaño y posición del mismo sobre la superficie del paciente así como su eje central. El localizador de campo consta de una lámpara con un filamento muy pequeño colocada en una posición que reproduce la de la fuente en condiciones de irradiación. Esto se logra ubicando la lámpara en el drawer de manera que ocupe la misma posición que ocupará la fuente en condición de irradiación o bien colocándola en una posición fija y utilizando un espejo para que aparezca en una posición virtual igual a la de la fuente. CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 337

8 Un indicador óptico de distancia fuente superficie. Una de la pruebas más importantes a realizar en un equipo de telecobaltoterapia es la verificación de que el tamaño de campo a la DFS indicada por la luz, coincida con: La indicación del tamaño de campo en el cabezal. El tamaño de campo realmente irradiado sobre la superficie. El tamaño de campo físico o dosimétrico, que depende del ancho de una determinada curva de isodosis a una determinada profundidad. Indicadores de posición de la fuente Para prevenir exposiciones no deseadas es sumamente importante conocer la posición de la fuente en todo momento. La fuente posee un indicador mecánico de posición (constituido por un vástago metálico generalmente pintado de rojo) solidario con el drawer, que asoma por la parte frontal del cabezal cuando la fuente se encuentra expuesta y se desliza hacia el interior cuando la fuente se halla en posición de guarda. Además de esta indicación visual del estado de la fuente, existen sensores adicionales en el trayecto del drawer que detectan la localización del mismo (y por lo tanto de la fuente) y producen la actuación de señales luminosas y mecanismos que mantienen la fuente en posición segura (interlocks). Consola de control La consola de control muestra, como mínimo, información de la posición de la fuente, el estado de los interlocks y el sistema de control del tiempo de exposición de la fuente. Una consola de control básica se muestra en la Figura 7. Figura APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

9 Sus elementos principales son: El panel de control de alimentación desde el que se enciende el equipo mediante una llave y un interruptor (switch). El panel de control para el tratamiento del paciente cuyo componente esencial es el timer con el que se controla el tiempo de exposición. Provee señales luminosas para indicar la posición de la fuente y contiene un botón de parada de emergencia. Dado que a cada campo de irradiación asociado al tratamiento de un paciente le corresponde una posición fija de la fuente, el tiempo de exposición es la única variable para controlar la magnitud de la dosis de radiación a impartir. Diseño mecánico de las unidades de cobaltoterapia En principio, una bomba de cobalto es simplemente una fuente radiactiva ubicada en un gran contenedor que actúa de blindaje, con un dispositivo de apertura y cierre que permite controlar la salida del haz útil. En la práctica es una máquina mucho más compleja con unos diez movimientos distintos de rotación o traslación independientes, además del de apertura y cierre del shutter y las mordazas del colimador. Cada uno de ellos con su correspondiente escala indicadora. Básicamente existen dos tipos de unidades: las estacionarias y las isocéntricas. En el primer caso, prácticamente en desuso, el cabezal está ensamblado directamente al estativo con tres movimientos posibles: ascendente-descendente (número 4 en la Figura 8), giratorio hacia los laterales (número 2) y giratorio hacia adelante (número 3). En este tipo de máquinas no hay una relación predeterminada entre el cabezal y la camilla por lo que ésta no se considera parte integrante del equipo. La técnica de tratamiento necesariamente usa haces estacionarios a una determinada DFS. Los equipos isocéntricos incorporan una horquilla o puente entre el estativo y el cabezal, de modo que la fuente puede rotar alrededor de un eje horizontal (número 1). Cuando la posiciones determinadas por los movimientos 2 y 3 del cabezal están en cero, es decir, con el eje del haz en posición vertical, este último es un radio del círculo descripto por la rotación del cabezal. El plano de este círculo es perpendicular al eje de rotación del puente. Ambos ejes (el de rotación del colimador o eje del haz y el de rotación del puente) definen en su interacción un punto único del espacio que se denomina isocentro. En los tratamientos isocéntricos, el paciente se ubica de tal modo que un punto anatómico determinado, usualmente el centro del volumen blanco, esté ubicado en el isocentro. Cabe señalar que los aceleradores no disponen de los movimientos 2 y 3 ya que en el tubo acelerador no pueden incorporarse piezas para producir un giro mecánico. Figura 8 CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 339

10 Las máquinas estacionarias son más simples y baratas que las isocéntricas pero éstas presentan mayor exactitud y rapidez en la colocación del paciente así como la posibilidad de efectuar terapia cinética. Además, el eje de rotación de la camilla coincide con el eje del haz lo que hace aún mas versátil la operación. Para contrarrestar el peso del cabezal, es decir para igualar los momentos respecto del eje de rotación del puente, se coloca un contrapeso que en la mayoría de los casos está formado por una contrapantalla o barrera de haz. Intercepta el haz útil con lo que se minimiza el blindaje del recinto de irradiación, el que debe calcularse en este caso para radiación dispersa. Aspectos de seguridad radiológica en el diseño de equipos de telecobaltoterapia Radiación de fuga Los niveles de radiación de fuga en torno al cabezal de un equipo de cobaltoterapia han sido tema de numerosos estudios y se ha llegado a conclusiones más o menos comunes para las dos condiciones básicas de interés: Condición de fuente expuesta ( on ) El propósito de limitar la radiación de fuga en situación de fuente expuesta, es proteger al paciente de una irradiación no deseada fuera del volumen del tumor. Las fugas a través de los dispositivos de colimación se limitan habitualmente a no más del 2% del haz útil para un campo de 10 X 10 cm. Los niveles recomendados indican que las fugas no deben exceder en promedio el 1% del haz útil y no superar el 2% en ningún caso, para un círculo de 2 m de radio sobre el plano del paciente y para un campo de 10 X 10 cm. En áreas ubicadas aproximadamente a 1m de la fuente la radiación de fuga no debería exceder el 0,1% del haz útil. Condición de fuente en guarda ( off ) La restricción de los niveles de radiación de fuga en la condición de fuente en guarda, determinan lo que se conoce como capacidad de carga del cabezal, es decir, la actividad de la fuente que da lugar a la máxima radiación de fuga permisible. Los siguientes son valores normalmente aceptados para la radiación de fuga en la condición off : 0,01 mgy/h a 1m de la fuente, promediado sobre 100 cm 2 0,2 mgy/h a 5cm de la superficie del blindaje, promediado sobre 10 cm 2 Ajuste del drawer El ajuste del drawer dentro del cabezal, es una maniobra crítica durante el armado de los equipos de cobaltoterapia, porque un error en el montaje puede resultar en la aparición de puntos calientes ( hot spots ). Por ello, en la etapa de fabricación las tolerancias en el ajuste del drawer deben estar sujetas a un exhaustivo control de calidad. Alarmas, indicadores e interlocks El uso de interlocks, alarmas e indicadores contribuyen a la detección de exposiciones no deseadas. Evitan que la fuente sea expuesta en situación no prevista y cuando debe ser expuesta previenen sobre la presencia de campos de radiación. Los interlocks pueden clasificarse en cuatro categorías principales: a. Actuantes sobre el drawer de la fuente. b. Actuantes sobre los parámetros de tratamiento. c. De parada de emergencia. d. Vinculados a movimientos mecánicos (no tratados en este texto). 340 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

11 a. Los interlocks asociados con el movimiento y localización del drawer son los más importantes si se considera la protección radiológica de aquellos que puedan encontrarse en las proximidades del equipo. La Figura 9 muestra un esquema simple y su localización. b. Hay no menos de nueve interlocks vinculados a los parámetros del tratamiento de los cuales cuatro son críticos en lo que a seguridad radiológica se refiere. Ellos son: Interlock de puerta de bunker: asegura que la puerta del recinto blindado que alberga al equipo de cobaltoterapia esté cerrada y enclavada cuando la fuente se encuentra expuesta. Si por cualquier causa la puerta se abriera se produce el regreso de la fuente a su posición de guarda. Interlock de limitación de la posición de irradiación: se trata de un interruptor de mercurio ubicado en el cabezal para asegurar que el haz no se dirigirá a un sector de un muro con blindaje insuficiente. Interlock de presión de aire: mantiene la presión de aire comprimido en el tanque de reserva. Interlock del drawer: impide la exposición de la fuente a menos que el drawer se encuentre inicialmente en la posición off. c. Sistemas de parada de emergencia: Se trata de un interruptor de emergencia del tipo golpe de puño, que permite detener la operación y colocar la fuente en posición de guarda en el caso de un evento no deseado que involucre a la fuente. Una vez activados estos interlocks, se requiere una acción deliberada para reiniciar el sistema. Interruptor de fuente guardada Retractor auxiliar Interruptor de fuente recién expuesta Aire Fuente de Co 60 Interruptor de fuente completamente expuesta Aire consumido Suministro de aire Válvula de aire Interlocks Operador Fuente expuesta y Fuente en tránsito Fuente guardada Temporizador primario Temporizador secundario Haz presente Haz reciente Haz blindado Rojo Amarillo Lógica Verde Figura 9 CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 341

12 ACELERADORES LINEALES La emisión de fotones por un acelerador lineal ( linac ) responde al mismo principio que los equipos generadores de rayos X pero en este caso los electrones poseen una energía de varios MeV al impactar en el blanco. Originalmente esto se lograba con la aplicación de campos eléctricos estáticos, para lo que eran necesarias tensiones de operación de varios megavolts y estructuras aceleradoras de varios metros con las consiguientes dificultades tecnológicas de operación y seguridad. Estos problemas se solucionaron acelerando los electrones con el campo eléctrico asociado a una onda electromagnética de alta frecuencia (aproximadamente 3000 Mhz) con la consecuente reducción de la tensión de operación (a unos 30 kv) y la longitud de la estructura aceleradora (aproximadamente 1 metro). El aspecto de un acelerador (Figura 10) es similar al de una bomba de cobalto y posee prácticamente los mismos controles. Presenta algunas ventajas comparativas, entre las que se pueden mencionar: Mayor profundidad de penetración. Mayor precisión mecánica. Menor dosis a la entrada del campo. Mayor rendimiento (dosis por unidad de tiempo). Posibilita la terapia superficial con electrones. También presenta algunas desventajas tales como: Mayor costo inicial. Mayor tasa de fallas. Mayor costo de mantenimiento. Mayor dosis de salida. Las partes básicas que constituyen un acelerador lineal son: Generación de radiofrecuencia (RF) Cañón electrónico. Acelerador (guía de ondas). Deflector magnético. Blanco (para emisión de fotones) o folias dispersoras (para tratamientos con electrones). Sistemas de alineación del haz de electrones. Filtro aplanador del haz. Sistema de cámaras monitoras. Sistema de conformación del haz (colimadores y conos). Componentes para los movimientos mecánicos. 342 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

13 Sistema de direccionamiento Magneto Aplanador de haz Cámara de ionización Colimador Interruptor de energía Disparador de electrones Guía de onda Tamaño de área oficial Fuente de potencia de radio frecuencia Figura 10 Principios de funcionamiento de los aceleradores Dentro de la estructura aceleradora se establece un campo electromagnético de alta frecuencia, que se transmite desde una fuente generadora (klinstrón o magnetrón) hasta una carga, a través de guías de onda. Estas últimas son estructuras huecas que reemplazan a los cables, ineficaces para transmitir la energía de las microondas. Parte de la transmisión de esta energía de radiofrecuencia se realiza a través de la estructura aceleradora que es una guía de ondas de características particulares. La Figura 11 muestra la distribución del campo eléctrico E y de las cargas en un instante, en un plano que contiene el eje de la guía de onda. Los electrones inyectados por el cañón electrónico transitan a lo largo del eje y se aceleran por acción del campo E en movimiento. Sin embargo, la velocidad de fase del campo E es demasiado grande como para provocar la aceleración continua de partículas cargadas. Esta velocidad se disminuye insertando discos que dividen la onda en una serie de cavidades cilíndricas forzando la aparición de nodos en los puntos donde están ubicados los discos. CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 343

14 λ λ/ λ λ/ Figura 11 La mayoría de los linacs operan en frecuencias del orden de 3000 Mhz donde el diámetro de cada cavidad aceleradora es de unos 10 cm y 2,5 a 3 cm de longitud. La distribución de estas cavidades es tal que se cumplen dos funciones: Acoplar y distribuir la energía de microondas entre cavidades adyacentes y por lo tanto a lo largo de toda la estructura. Establecer el campo eléctrico que producirá la aceleración, con una distribución axial adecuada. La porción inicial de la guía aceleradora tiene cavidades no uniformes y cumple la función de armar los paquetes de electrones que serán acelerados en esta etapa y la posterior. En la primera etapa el diámetro interno y el diámetro de la apertura varían para provocar un aumento de la velocidad de fase de E. Puesto que la velocidad del electrón es casi constante y muy cercana a la de la luz, las cavidades subsiguientes son uniformes y la aceleración se produce por un aumento de la masa de los electrones. Existen dos tipos de aceleradores: De onda progresiva (OP). De onda estacionaria (OE). 344 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

15 La aceleración de los paquetes de electrones en el primer caso se puede asimilar a lo que ocurre con un surfista montado en la cresta de una ola que se mueve a una velocidad v w (Figura 12). υ w E- υ e υ p E+ λ Figura 12 La Figura 13 muestra dos paquetes de electrones de velocidad v e acelerado por la porción negativa del campo E que se mueve con una velocidad v p. Tanto el surfista como los electrones se mueven con sus correspondientes velocidades de fase v w y v p. Nótese que en este caso una de cada cuatro cavidades contiene electrones; el sentido de propagación del campo E es único: se desplaza desde la fuente a la carga Figura 13 Una estructura de onda estacionaria se consigue haciendo que el campo electromagnético se refleje sin pérdida de energía en el extremo de la guía; el campo eléctrico total en cada punto de la estructura es la suma de los campos de la onda incidente y reflejada respectivamente (Figura 14). A su vez el campo reflejado se vuelve a reflejar en el otro extremo de la guía y así sucesivamente, unas cien veces, hasta que la energía se disipa como pérdidas en el cobre, es decir, en las paredes de la guía. CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 345

16 t 1 ωt 1 E t 2 ωt 1 + π/2 E t 3 ωt 1 + π - + Campo máximo Figura 14 Nótese que en este caso una de cada dos cavidades contiene electrones mientras que las cavidades 2 y 4 (indicadas en la Figura 14) sólo sirven para transmitir el campo electromagnético y no para acelerar, por lo que colocándolas fuera de eje se puede disminuir aún más la longitud de la estructura, haciendo que en todas las cavidades axiales se produzca aceleración (Figura 15). Una vez que los electrones salen del acelerador son desviados para hacer que incidan sobre el blanco en la dirección correcta ya que la guía de ondas es casi horizontal, es decir, casi paralela al eje de rotación del equipo (Figura 16). Un ejemplo de este sistema de desviación se ve en la Figura 17. En él los electrones son desviados por el campo magnético de las piezas M 1, M 2, y M 3, describiendo una trayectoria de 270º antes de incidir en el blanco. Como la aceleración centrípeta es función de la energía de los electrones, sólo pasarán a través de la ranura formada por S 1 y S 2 aquellos comprendidos en el intervalo de energía P± P, haciendo mas estrecho el espectro, es decir, haciendo que la dispersión energética sea pequeña respecto del valor central. 346 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

17 CANAL DE LUZ CAVIDAD ACELERADORA CAVIDAD DE ACOPLE t t 2 45 t 3 90 π/2 t t π t t π/2 t t π Figura 15 Acelerador Deflector magnético Haz de electrones Cañon de electrones Rayos X Figura 16 CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 347

18 Arrollamiento del magneto Plano de simetría Plano de simetría Sector del magneto Ranuras M3 S2 S1 M2 Ranuras Trayectoria de entrada M1 Dx Blanco Trayectoria de referencia de la órbita central Intercambiador de vacío n Trayectoria de referencia de la órbita central Arrollamientos del magneto - P + P P0 P Ranuras de selección de energía Abertura del haz - P P0 + P CY Trayectoria de referencia de la órbita central SY N N SY N S S S CY M1 M2 M3 Figura 17 Por otro lado, si existe dispersión espacial vale decir: los electrones no entran al deflector alineados con la órbita central (trayectoria de referencia) sino paralelas o formando un ángulo con ella, tal dispersión se mantiene a la salida del deflector (Figura 17). Si esta dispersión supera valores preestablecidos se modifica el perfil de dosis, con el consiguiente efecto adverso en cuanto a la distribución de dosis en el paciente (Figura 18). Haz de electrones Blanco r Filtro Dosis resultante AD MAX Figura APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

19 Para compensar esto es necesario contar con un sistema que mantenga la alineación del haz de electrones mientras éstos atraviesan la guía de ondas. Las asimetrías que causan que cambie el ángulo de incidencia sobre el blanco o exista un desplazamiento lateral, hacen que el eje central del lóbulo no incida simétricamente sobre el filtro aplanador. Pueden deberse a cambios de la energía debidos a variaciones de la potencia del campo electromagnético o en la frecuencia de la onda así como desajustes mecánicos asociados con movimientos del puente, cambios de temperatura o campos magnéticos espurios. Esto se corrige mediante un sistema automático constituido por un par de cámaras de ionización planas que sondean la planicidad, tanto en el plano radial como en el transverso, generando una señal de error que actúa sobre las bobinas correctoras que correspondan, para modificar la situación. Si la desviación es demasiado grande como para ser corregida se debe interrumpir automáticamente la irradiación. Además, las cámaras monitoras integran en forma independiente la dosis que entrega el equipo. En este sistema se interrumpe la irradiación cuando una de las cámaras integra un valor predeterminado de dosis; en caso de falla de ésta, la siguiente integra un valor adicional de 0,4 Gy. Si esta también falla, el corte se produce por tiempo. Un diseño representativo de un cabezal de tratamiento se muestra en la Figura 19. Además del deflector magnético, los blindajes y el colimador, el cabezal contiene el blanco para rayos X y el filtro aplanador, que es rebatible en el caso de que el equipo posea facilidad para irradiación con electrones. Conjunto del magneto Blanco para rayos X retraible Órbita del electrón Filtro de aplanamiento Lámina de dispersión Intercambiador Iónico dual Luz para definición de campo Isocentro Explorador de rango Colimadores Figura 19 El filtro aplanador (Figura 20) cumple la función de uniformar la distribución de dosis dentro del campo de tratamiento, o haz útil, para compensar el anisotropismo de la radiación X emergente del blanco (Figura 21). CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 349

20 Sin filtro aplanador Con filtro aplanador Figura 20 Intensidad de rayos X Intensidad de rayos X Haz de electrones Blanco Rayos X Colimador principal Aplanador Figura 21 En el caso de terapia con electrones (Figura 22) el blanco se rebate; el haz de electrones que saldría del cabezal en estas circunstancias sería demasiado estrecho (pocos milímetros de diámetro), por lo que se lo hace atravesar una folia dispersora para que abarque todo el campo de tratamiento; éste se define mediante localizadores externos (conos), para disminuir la penumbra. 350 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

21 Haz de electrones Hoja dispersante Electrones dispersados Colimador de electrones Colimador principal Figura 22 El cabezal contiene, además una fuente de luz para iluminar el campo a través de un espejo, y un puntero óptico para indicación de distancia, así como las cámaras de ionización ya mencionadas. La indicación del isocentro se suele complementar con sistemas ópticos o lasers, ubicados en las paredes del recinto y en el equipo (cabezal y/o contrapantalla), que se cruzan en el isocentro. Finalmente, la Figura 23 muestra un esquema que ilustra los dispositivos para limitar el haz, ya sea de electrones y rayos X. Haz de electrones Hoja dispersa Haz de electrones Blanco Colimador principal Colimador principal Aplanador Monitores Colimador de rayos X Compensadores Conformadores Colimador de electrones Paciente Terapia con rayos X Paciente Terapia con electrones Figura 23 CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 351

22 ASPECTOS DE SEGURIDAD RADIOLÓGICA DE LOS ACELERADORES LINEALES Los equipos aceleradores lineales poseen una serie de enclavamientos por diseño, que cumplen las siguientes funciones: 1. Interrumpir automáticamente la irradiación en las siguientes situaciones: Cuando una de las cámaras de ionización del sistema monitor de dosis integre el valor preseleccionado. Cuando la segunda cámara de ionización del sistema monitor integre un valor igual al preseleccionado más un adicional. Cuando haya transcurrido el tiempo de tratamiento preseleccionado. Cuando la energía de los electrones que chocan con el blanco o que pasan por la ventana de electrones se desvía más de un valor determinado. Cuando se produzcan movimientos del puente del equipo durante la terapia de haz estacionario. Cuando se produzca el inicio o finalización no intencional del movimiento del puente durante la terapia de haz móvil. Si se produce la apertura de la puerta de acceso al recinto de irradiación. 2. Impedir la iniciación de la irradiación en las siguientes situaciones: Para equipos con posibilidad de operar con fotones y electrones, hasta que no se haya realizado desde la consola la selección del tipo de radiación a emitir. Para equipos con posibilidad de realizar terapia de haz móvil o estacionario, hasta que no se haya realizado la selección correspondiente en la consola. Cuando no coincida el sistema de filtros (cuñas) colocados en el cabezal con el seleccionado desde la consola. Si cualquier tipo de selección (tipo de radiación a emitir, energía nominal, filtros cuña, terapia de haz estacionario o móvil) realizada en el recinto de irradiación, no coincide con la llevada a cabo en la consola. Si la puerta del recinto de irradiación está abierta. En equipos que emplean fotones y electrones, cuando se pretende irradiar con electrones y no se encuentra ubicado el cono correspondiente, o cuando se pretende irradiar con fotones y se encuentra colocado un cono para electrones. SEGURIDAD RADIOLÓGICA EN EL DISEÑO DE INSTALACIONES PARA TELETERAPIA Los equipos de teleterapia deben instalarse en recintos apropiadamente equipados y blindados. Los diseñadores y constructores proveen los equipos de teleterapia pero es responsabilidad del usuario proveer la instalación para el tratamiento. Los fabricantes sólo especifican los servicios eléctricos y auxiliares requeridos, algunas características del recinto y sugieren los dispositivos de seguridad e interlocks compatibles con el equipamiento. La autoridad regulatoria nacional otorga autorizaciones de operación donde se especifican aspectos tales como el rendimiento máximo (expresado en Gy m 2 /h) del equipo para operar en una dada facilidad según sus parámetros de diseño, las restricciones a los modos de operación (por ejemplo: direcciones de haz, factores de uso y controles de acceso) y toda otra condición especial. 352 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

23 Los aspectos más importantes desde el punto de vista del diseño seguro de instalaciones para teleterapia, son: Las dimensiones del recinto blindado para que permitan el alojamiento cómodo del equipo, el paso de camillas y la entrada y salida del equipamiento utilizado en tareas de mantenimiento y operaciones de recambio de fuentes (en el caso de los equipos de cobalto). Los espesores de blindaje biológico en las paredes, piso y techo del recinto compatibles con los límites de dosis vigentes y los factores de ocupación de los locales vecinos. Los sistemas de visualización del interior del recinto. Los monitores de radiación, interlocks, señalización y alarmas. La Figura 24 muestra un esquema clásico de un recinto de teleterapia. Figura 24 ANÁLISIS DE RIESGO RADIOLÓGICO VINCULADO A LA TELETERAPIA Desde un punto de vista genérico, el principal riesgo radiológico asociado con la teleterapia es la irradiación externa. Si bien se trata de instalaciones y equipos con un alto grado de seguridad por diseño (intrínseca), la falla ocasional de sistemas de seguridad y los errores humanos, pueden conducir a exposiciones no deseadas. CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 353

24 En cuanto a las personas involucradas en posibles situaciones incidentales o accidentales, deben distinguirse tres grupos claramente diferenciados: Personal ocupacionalmente expuesto: Operadores, personal médico y técnico, personal de mantenimiento. Pacientes. Público. En un plano más específico, los equipos de cobaltoterapia y los aceleradores lineales tienen características y principios de funcionamiento distintivos y tienen, por lo tanto, asociados riesgos diferentes. Un equipo de telecobaltoterapia puede ser analizado, en forma simplificada, como una fuente sellada de cobalto de alta actividad alojada en un contenedor blindado con un mecanismo que permite la exposición ocasional de la fuente. Por lo tanto, el riesgo en operación está asociado a la pérdida de control sobre el sistema de exposición de la fuente. Por otra parte, tratándose de una fuente radiactiva, la misma tendrá una determinada vida útil al cabo de la cual debe desecharse y ser eventualmente reemplazada por otra. La operación del recambio de fuentes (denominada en la jerga trasvase ), es una tarea de cierto riesgo que debe llevarse a cabo de acuerdo a procedimientos preestablecidos, aprobados por la autoridad regulatoria. En un trasvase hay también involucradas operaciones de transporte de material radiactivo que deben llevarse a cabo cumpliendo con la normativa de protección radiológica vigente en la materia. Por último, para evitar situaciones de extravío y de consecuentes accidentes, debe ejercerse en todo momento el control de las fuentes de estos equipos hasta su gestión final como residuos radiactivos. En los aceleradores la situación es muy diferente ya que se trata de equipos generadores de electrones y fotones que sólo producen radiación si reciben la correspondiente alimentación electromagnética. En estos equipos, el riesgo de situaciones incidentales o accidentales se vincula con errores en la calibración y/o en la selección del tipo de radiación a emplear en un dado tratamiento, producto de la propia complejidad de los sistemas actuantes y de errores humanos. Un acelerador lineal, una vez desmantelado, se convierte en un equipamiento convencional, sin riesgo radiológico asociado. BRAQUITERAPIA La tolerancia a la radiación está en relación inversa al volumen irradiado. Este es el principio básico de la radiación endocavitaria o intersticial con la que se pretende dar, en pequeños volúmenes, dosis elevadas a las que no se podría llegar con radioterapia externa. De esto surge que la indicación del método se limita a la irradiación de pequeños tumores residuales o crecimientos incipientes. La secuencia tele-braquiterapia capitaliza los beneficios de lisis del tumor y reoxigenación de la parte central, superándose el problema de saturación de las puertas de entrada. Los materiales mas comunes con que se construyen las fuentes son: El Cs 137, que se manufactura en forma de agujas y tubos (Figura 25). El Ir 192, en forma de semillas y alambres. El I 125 y el Au 198, como semillas para implantes definitivos. 354 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

25 Anillos marcados con láser Encapsulado secundario Cápsula interior Tapón (soldadura de arco en argón) Contenido activo Diámetro Longitud activa Longitud externa Figura 25. Tubo de Cs 137 para tratamientos intracavitarios Las semillas de oro están bañadas en platino para filtrar la radiación beta. El iridio es un emisor de radiación gamma mucho mas blanda que la del Ra 226 y el Co 60. Esta cualidad se traduce en menor absorción de dosis en los tejidos adyacentes al volumen implantado y simplifica la radioprotección del personal. El Ra 226 fue durante mucho tiempo el material radiactivo por excelencia para braquiterapia, pero el hecho de decaer, entre otros, en Rn 222 obligaba a sellarlas con un doble encapsulado de platino, debiendo verificarse periódicamente la integridad del mismo. Por este motivo se es recomendable que, tan pronto como sea posible, se abandone la práctica de terapia con fuentes de Ra 226 y se la reemplace por métodos alternativos mas seguros como el uso de fuentes de Co 60, Cs 137 ó Ir 192. Como ya se mencionó, existen dos tipos de braquiterapia: Intracavitaria (las fuentes se introducen en cavidades naturales del organismo). Intersticial, en la que las fuentes se introducen directamente en el tumor. Los tratamientos por terapia intracavitaria mas generalizados son los del aparato genital femenino (vagina, cuello y cuerpo de útero). Existen dos tipos de técnicas de tratamiento: las aplicaciones directas de las fuentes en una sonda portadora y los de retrocarga, en los que primero se coloca un aplicador rígido y fuentes falsas (no activas) de modo que, con técnicas radiográficas se verifique la posición de las mismas antes de proceder a la introducción de la fuentes activas. Los tratamientos duran unos dos o tres días, dependiendo de la dosis a entregar y la actividad de las fuentes, y las tasas de dosis son bajas. Los implantes de fuentes en forma intersticial se dividen en transitorios y permanentes. En los primeros, las fuentes (alambres, semillas, agujas) se introducen, ya sea en forma directa o a través de guías en la zona a tratar y se retiran luego del tiempo establecido para dar la dosis indicada en la superficie de referencia. En los implantes permanentes se emplean nucleidos de vida media corta que quedan permanentemente en el organismo (son fuentes estables física y químicamente). Lo que se fija en este caso es la distribución de fuentes y la actividad inicial de cada una para dar la dosis prescrita en la superficie de referencia. CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 355

26 La superficie de referencia es el lugar geométrico de los puntos que reciben un valor de dosis determinado, elegido de tal modo que envuelva el volumen a tratar (volumen blanco). Esto es así pues en los puntos adyacentes a las fuentes la dosis es muy grande, difícil de definir y de poca significación clínica. Existen además equipos para aplicaciones intracavitarias de retrocarga de alta tasa de dosis en los que los tratamientos duran algunas horas; estos se realizan en salas especiales blindadas, en las que las fuentes regresan al blindaje en forma automática (por ejemplo, neumática) al abrirse la puerta del recinto, lo que disminuye notablemente la dosis que recibe el personal. Además, se dispone de fuentes falsas que al intercalarse de determinada forma con las fuentes activas genera la distribución de dosis mas adecuada para un tratamiento particular. Seguridad radiológica de instalaciones para tratamientos de braquiterapia Braquiterapia manual Local de Tratamiento La sala de internación o recinto de tratamiento destinada debe adecuarse a fin de reducir las dosis por irradiación externa mediante, por ejemplo, el uso de blindajes móviles (pantallas plomadas). Mientras se encuentra internado un paciente con implante radiactivo la señalización de dichas salas tiene las siguientes características: En la parte exterior de la puerta de acceso: Señalización principal mediante el símbolo de material radiactivo (trébol negro sobre fondo amarillo). Información sobre el régimen de visitas. Instrucciones sobre las condiciones de uso autorizado del local. Dentro de la habitación debe contarse con las siguientes instrucciones básicas para el personal dedicado a la atención del paciente: Tamaño y apariencia de las fuentes. Manipulación, almacenamiento seguro y comunicación inmediata en caso de situaciones anormales o de emergencia. Atención del paciente. Control de visitas. Notificación al responsable en caso de emergencia médica o muerte del paciente. Al pie de la cama debe haber un informe con la enumeración de las fuentes colocadas y un esquema demostrativo. Las salas deben contar con instalaciones sanitarias para uso exclusivo del paciente y de diseño adecuado para impedir el extravío de material radiactivo. Local de Almacenamiento El local de almacenamiento debe destinarse en forma exclusiva al alojamiento, preparación, control y/o esterilización de fuentes radiactivas y al mismo sólo podrán ingresar personas autorizadas. En el mismo debe haber un depósito blindado (bunker) donde se guardan las fuentes radiactivas. La mesa de preparados tiene un blindaje que permite la visión y manipulación de las fuentes sin alterar la capacidad blindante del mismo. La manipulación de fuentes se realiza utilizando pinzas u otros elementos adecuados para ese propósito. En los contenedores donde se alojan las fuentes debe indicarse la cantidad de ellas así como el nombre y actividad del radionucleido que las constituye. 356 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21

27 Braquiterapia remota Como se menciono, este tipo de tratamientos se realiza con equipos de carga diferida de fuentes (Figura 26) que esencialmente consisten en: un contenedor blindado para el almacenamiento de las fuentes, un mecanismo de transporte de las fuentes, una guía flexible y un aplicador, mediante los cuales se transfieren las fuentes selladas desde su contenedor blindado a aplicadores previamente posicionados en el paciente. Además poseen una unidad de control separada de la unidad de tratamiento y un switch de emergencia con configuración master-slave. La utilización de estos equipos eliminan virtualmente las dosis que reciben el personal de enfermería y el radioterapeuta ya que cuando las fuentes se hallan expuestas sólo se encuentra el paciente dentro de la habitación. La consola de control del equipo está ubicada fuera del recinto blindado. Estos equipos se ubican en habitaciones (Figura 27) con blindajes estructurales y deberán tener dispositivos de seguridad independientes de los propios del equipo, por ejemplo: Señal lumínica en el exterior del local para indicar que las fuentes están fuera del blindaje. Señal de alarma cuando las fuentes no retornen al blindaje. Interruptor de irradiación por apertura de puerta. Todos los sistemas de seguridad tanto del equipo como de la instalación deberán verificarse periódicamente. 1 - Cable conductor de la fuente 2 - Cable conductor de comprobación 3 - Contenedor de seguridad 4 - Calibración automática 5 - Indexador 6 - Verificación óptica de la conexión del aplicador Figura 26 CAPÍTULO 21 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES 357

28 Impresora Computadora para Planificación del tratamiento Consola de control Monitor de T.V. Monitor de radiación Interruptor de puerta Luz de precaución de radiación Intercomunicador Cámara de T.V. Detector de radiación Equipo de retrocarga móvil Figura 27 CARGA O RECAMBIO DE LAS FUENTES Esta operación debe realizarse bajo estrictos procedimientos escritos y el personal debe estar debidamente entrenado y poseer dosímetros de lectura directa con señal acústica. La operación debe ser monitoreada en todo momento y una vez terminado el trasvase de las fuentes debe comprobarse el correcto funcionamiento del equipo y de todos los sistemas de seguridad. ANÁLISIS DEL RIESGO RADIOLÓGICO VINCULADO A LA BRAQUITERAPIA Los riesgos asociados a esta práctica son: Irradiación externa: para reducir la dosis por radiación externa deben optimizarse los recursos básicos de protección contra esa forma de irradiación (distancia, tiempo y blindaje). Contaminación: debe exigirse el certificado de ensayo de pérdidas al fabricante y además realizarse periódicamente ensayos similares. Debe monitorearse rutinariamente la contaminación del local de tratamiento, de la ropa de cama y de todo otro elemento que pudiera contener material radiactivo desprendido del implante. Extravío de fuentes: a modo de prevención debe realizarse un inventario físico periódico y contarse con un registro del movimientos de las fuentes. Además debe ser chequeado regularmente el número y la posición de las fuentes en el paciente y al finalizar cada tratamiento deberá verificarse que el número de fuentes extraídas sea el mismo que el de fuentes colocadas. Para evitar exposiciones accidentales deben observarse estrictamente los procedimientos de operación. Para ello, el personal afectado a las actividades debe conocerlos acabadamente y ejercer sus responsabilidades. Además, ese personal debe estar suficientemente capacitado con respecto a las medidas de protección radiológica que debe atender en su trabajo, tanto en situaciones normales como accidentales. 358 APLICACIONES MÉDICAS DE LAS RADIACIONES CAPÍTULO 21