Física de las Radiaciones

Transcripción

1 OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA Parte 2 Física de las Radiaciones Conferencia 2: Dosimetría y Equipos International Atomic Energy Agency

2 Fundamentos La dosis de radiación que se entrega al tejido blanco y sus zonas adyacentes es uno de los principales medios para predecir el resultado del tratamiento de radioterapia (comparar con la parte 3 del curso). Generalmente se asume que la dosis ha de ser administrada con precisión, en el rango de +/-5% de la dosis prescrita, para garantizar se cumplan los objetivos del tratamiento. Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 2

3 Objetivos Comprender la importancia de las dosis y la dosimetría de las radiaciones en radioterapia Poder explicar la diferencia entre dosimetría absoluta y relativa Poder debatir sobre las características de los dosímetros más empleados en radioterapia: cámaras de ionización, semiconductores, dosímetros termoluminiscentes (TLD) y fílmico. Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 3

4 Contenido de la Conferencia 2 1. Dosimetría absoluta y relativa 2. El ambiente dosimétrico: maniquíes 3. Técnicas dosimétricas Fundamentos físicos Clases practicas Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 4

5 1. Dosimetría absoluta y relativa Dosimetría absoluta es una técnica que registra la información sobre la dosis absorbida directamente en Gy. Esta medición dosimétrica absoluta también se denomina calibración. Todas las mediciones ulteriores se comparan entonces con esta dosis conocida en condiciones de referencia. Esto significa Realización de dosimetría relativa. En general en la dosimetría relativa no se requiere el empleo de coeficientes de conversión o de factores de corrección puesto que consiste solo en la comparación de dos lecturas de dosímetro, una de las cuales es la efectuada en condiciones de referencia Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 5

6 Dosimetría absoluta Se requiere para cada calidad de la radiación una vez Determinación de dosis absorbida (en Gy) en un punto de referencia en un maniquí Geometría bien definida (ejemplo para un acelerador lineal: mediciones en agua, DFS a 100cm, dimensión de campo 10 10cm 2, profundidad 10cm Seguimiento de protocolos (compare con parte 10) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 6

7 Dosimetría absoluta Se requiere para cada calidad de la radiación una vez Determinación de dosis absorbida (en Gy) en un punto de referencia en un maniquí Geometría bien definida (ejemplo para un acelerador lineal: mediciones en agua, FSD a 100cm, dimensión de campo 10 10cm 2, profundidad 10cm Seguimiento de protocolos (compare con parte 10) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 7

8 Pregunta rápida Una dosis de 1Gy entrega una enorme cantidad de energía al paciente es cierto o falso? Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 8

9 Respuesta FALSO 1Gy = 1J/kg. La entrega de esta cantidad de energía elevaría la temperatura del tejido en menos de o C. Inclusive para una persona de 100kg representa mucho menos de la energía incorporada de un tazón de desayuno con leche, cereales, o nueces por favor, nótese que la cantidad de energía en los alimentos por lo general se especifica en su paquete. Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 9

10 Dosimetría relativa Correlaciona la dosis bajo condiciones de no-referencia con la dosis bajo condiciones de referencia Por lo general se requieren al menos dos mediciones: Una en condiciones en que la dosis se ha de determinar Y otra en condiciones en que la dosis es conocida Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 10

11 Ejemplos de dosimetría relativa Caracterización del haz de radiación Porciento de dosis en profundidad, relación tejido máximo o similares Perfiles Determinación de los factores que influyen en el rendimiento Factores de campo, factores del aplicador Factores del filtro, factores de la cuña Factores específicos del paciente (ej. bloqueadores de electrones) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 11

12 Medición del porciento de dosis en profundidad Variación de la dosis en el medio (generalmente agua) con la profundidad Incluye componentes de atenuación y de la ley del cuadrado inverso Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 12

13 Porciento de dosis en profundidad Correlaciona la dosis a diferentes profundidades en agua (o en el paciente) con la dosis a la profundidad del máximo de dosis nótese que el eje y es relativo!!! Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 13

14 TAR, TMR, TPR Dosimetría relativa para la geometría del tratamiento isocéntrico (comparar con la parte 5) Todo se puede convertir a porciento de dosis en profundidad TAR = cociente de la dosis en el maniquí, con x cm de espesor de tejido, y de la dosis en el mismo punto, pero en aire TMR = cociente de la dosis, con x cm de espesor de tejido, y de la dosis correspondiente a su valor máximo (posición fija del detector) TPR como TMR pero formando un cociente con la dosis en un punto de referencia (ej. 10cm de espesor de tejido) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 14

15 TMR, TPR Simula las condiciones isocentricas TMR es un caso especial de TPR donde la profundidad en el maniquí de referencia es la profundidad correspondiente a la dosis máxima Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 15

16 PDD y TMR El porciento de dosis en profundidad (PDD) varía con la distancia del paciente a la fuente debido a variaciones en la ley del cuadrado inverso (ISL); TAR, TMR y TPR no varían. Fuerte dependencia ISL Débil dependencia ISL Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 16

17 Factores del rendimiento Comparar la dosis con la dosis en condiciones de referencia Diferentes dimensiones de campo Factor de cuña Factor de bandeja Factor de aplicador Factor de bloqueador de electrones Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 17

18 Ejemplo: factor de cuña Dosis bajo condiciones de referencia Puede también involucrar diferentes dimensiones de campo y/o diferentes profundidades del detector en el maniquí Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 18

19 Pregunta rápida La medición del espesor de semirreducción o capa hemirreductora para la determinación de la calidad de los rayos X es dosimetría absoluta o relativa? Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 19

20 Respuesta Dosimetría relativa: Relacionamos la dosis con diferentes filtros de cobre o aluminio en el haz con la dosis sin filtros para determinar qué espesor de filtro atenúa el haz a la mitad de su intensidad original El resultado es independiente de la dosis real dada podemos medir por 10s o 20s o 60s cada vez, mientras garanticemos que la irradiación es idéntica para todas las mediciones. Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 20

21 2. El ambiente dosimétrico Maniquíes Un maniquí representa las propiedades del paciente ante la radiación y permite la introducción de un detector de radiación dentro de este ambiente, tarea que sería difícil en un paciente real. Un ejemplo muy importante es el maniquí de agua rastreador. De forma alternativa, el maniquí puede estar hecho de láminas de material simulador del tejido o incluso ser conformado como un cuerpo humano (antropomorfo). Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 21

22 Maniquí de agua rastreador Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 22

23 Maniquíes de láminas Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 23

24 Materiales tejido equivalentes Muchos materiales fabricados con ese propósito, como el agua sólida (diapositiva anterior), el agua blanca, el agua plástica, Poliestireno (bueno para haces de megavoltaje, no apropiado para fotones de baja energía) Perspex (otras denominaciones: PMMA, Plexiglas ) composición tejido equivalente, pero con mayor densidad física se necesita aplicar una corrección. Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 24

25 Maniquí antropomorfo Maniquí de cuerpo completo: ART Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 25

26 Permite la colocación de detectores de radiación en el maniquí (aquí se muestran los TLDs) Incluye heterogeneidades Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 26

27 Maniquí RANDO torso Sección de pulmón para CT Cabeza con orificios para TLD Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 27

28 Maniquí pediátrico Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 28

29 Algunas observaciones respecto a los maniquíes Es esencial que sean probados antes de usarse Mediciones físicas - peso, dimensiones Mediciones de radiación escaneado CT, verificaciones de atenuación Se pueden emplear también alternativas más baratas Cera para conformar maniquíes humanoides Corcho como equivalente del pulmón Son de utilidad mientras sean conocidas sus propiedades y limitaciones Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 29

30 3. Efectos y dosimetría de las radiaciones Efecto de la radiación Ionización en gases Ionización en líquidos Ionización en sólidos Luminiscencia Fluorescencia Transiciones químicas Calor Efectos biológicos Método dosimétrico: Cámara de ionización Cámara de ionización llena de líquido Semiconductores Dosimetría por termoluminiscencia Detectores de centelleo Placa radiográfica Dosimetría química Dosimetría NMR Calorimetría Eritema Daño cromosómico Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 30

31 Principios de la detección de las radiaciones Cámara de ionización Contador Geiger Muller Dosimetría por termoluminiscencia Fílmico Semiconductores Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 31

32 Detección de la ionización en aire Cámara de Ionización Adaptado de Collins 2001 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 32

33 Detección de la ionización en aire Adaptado de Metcalfe 1998 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 33

34 Ionometría Cámara de Ionización V Mide exposición, la cual puede ser convertida a dosis no muy sensible Contador Geiger >700V Contabiliza todo evento de ionización Contador de eventos, no un dosímetro muy sensible Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 34

35 Cámaras de Ionización Cámara de 600cc Cámaras de tipo dedal Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 35

36 Sección transversal de una cámara tipo Farmer (de Metcalfe 1996) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 36

37 Cámaras de ionización Cámara Farmer de 0.6 cc con electrómetro La cámara más importante de la dosimetría en radioterapia Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 37

38 Electrómetro Desde la cámara Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 38

39 Cámaras de ionización Volumen relativamente grande para una señal pequeña (1Gy produce aproximadamente 36nC en 1cc de aire) Para mejorar la resolución espacial al menos en una dimensión, se emplean cámaras del tipo de plano-paralelas. Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 39

40 Cámaras plano-paralelas De Metcalfe et al 1996 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 40

41 Cámaras de ionización plano-paralelas Se emplean para Rayos X de baja energía (< 60 KV) Electrones de cualquier energía pero considerado el método preferido para energías < 10 MeV, y esencial para energías < 5 MeV Existen muchos tipos disponibles de diferentes materiales y dimensiones Por lo general se vende en correspondencia con un maniquí de láminas apropiado Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 41

42 Cámaras de Ionización planoparalelas - ejemplos Cámara Markus Pequeña Diseñada para electrones Cámara Holt Robusta Embebida en una lámina de poliestireno Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 42

43 Cámara de ionización tipo pozo Para la calibración de fuentes de braquiterapia Fuente de braquiterapia Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 43

44 Medidores de tasa de dosis de tipo cámara de ionización No tan sensibles como los equipos G-M pero no resultan afectados por los haces pulsantes tal como ocurre con los aceleradores. Debido a lo anterior, este es el tipo de equipo preferido en los aceleradores de alta energía de radioterapia Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 44

45 Contador Geiger-Mueller No es un dosímetro solo un contador de eventos de irradiación Muy sensible Ligero y conveniente para su uso Apropiado para miniaturización Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 45

46 Equipos Geiger-Mueller (G-M) Útil para Monitoreo de área Monitoreo de local Monitoreo del personal Se requiere cuidado en zonas de alta tasa de dosis o haces pulsantes puesto que la lectura puede ser imprecisa Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 46

47 Dosimetría por termoluminiscencia (TLD) Pequeños cristales Muchos materiales diferentes Dosímetro pasivo no requiere cables Amplio rango dosimétrico ( Gy a 100s de Gy) Muchas aplicaciones diferentes Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 47

48 Varios tipos de TLD Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 48

49 Esquema simplificado del proceso del TLD 1 2 Banda de Conducción radiación ionizante trampa de electrones luz visible Banda de Valencia CALENTAMIENTO Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 49

50 Curvas de termoluminiscencia Banda de Conducción 1.5 de 1 de 3 de 2 Banda de Valencia TRAMPAS MÚLTIPLES signal intensity (arbitrary units) IV and V III II I VI temperature ( o C) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 50

51 Curvas termoluminiscencia Posibilitan la investigación Constituyen poderosas herramientas de garantía de calidad - Se ven bien las curvas termoluminiscencia? Se pueden utilizar en evaluaciones ulteriores Posibilitan mejorar la precisión mediante la deconvolución de la curva termoluminiscencia Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 51

52 La influencia de diferentes aditivos (dopants) Banda de Conducción Luz Banda de Valencia Impurezas Tipo 1 Impurezas Tipo 2 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 52

53 Importancia del tratamiento térmico Determina el arreglo de las impurezas Sensibilidad... Desvanecimiento (fading) Respuesta a diferentes características de la radiación Mantener estable el tratamiento térmico Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 53

54 10 4 about 5% supralinearity 4 Respuesta a la dosis de LiF:Mg,Ti: amplio rango dosimétrico atención con la supralinealidad apparent dose (Gy) at 3Gy relative response normalised to 1Gy dose (Gy) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 54

55 Variación de la respuesta del TLD según la calidad de la radiación relative TL reading LiF compressed disks LiF ribbons from Ruden effective X-ray energy (kev) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 55

56 Materiales: qué selección! LiF:Mg,Ti (nivel de excelencia, máximo) CaF 2 (100% natural, o con Mn, Dy or Tm) CaSO 4 BeO Al 2 O 3 :C (sensibilidad record 1μGy) LiF:Mg,Cu,P ( la nueva estrella?) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 56

57 Lector de dosímetros TL Basado en fotomultiplicador Provisto de plancheta y calentador de N 2 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 57

58 Qué se puede esperar?... Reproducibilidad: una sola pastilla 2% (0.1Gy, 1SD) Precisión (estándar de 4 pastilla, medición de 2 pastilla) 3% (0.1Gy, 95% confianza) Alrededor de 30 minutos por medición... Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 58

59 Placa radiográfica Reducción de haluro de plata a plata Requiere procesamiento/revelado ---> problemas con la reproducibilidad Dosímetro de dos dimensiones Alta resolución espacial Alto número atómico ---> variación de la respuesta con la calidad de la radiación. Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 59

60 Placa radiográfica Por lo general preembaladas para facilitar su uso Sección transversal Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 60

61 Placa: respuesta a dosis Evaluación de la placa vía densidad óptica OD = log (I 0 / I) Los densitómetros están disponibles en el mercado Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 61

62 Dosimetría de placa radiográfica en la práctica Depende de una excelente GC del procesador Generalmente empleada para demostración de distribuciones de dosis Problemas con la precisión y variaciones en la respuesta según la energía de los rayos X Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 62

63 Película radiocrómica Nuevo revelado Sin procesamiento No (muy) sensible a la luz Mejor tejidoequivalencia Cara Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 63

64 Dispositivos semiconductores Diodos Detectores MOSFET Diodos para mediciones en maniquí de agua Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 64

65 Diodos Mayormente usados como una fotocelda que genera un voltaje proporcional a la dosis recibida. De Metcalfe y colaboradores 1996 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 65

66 Semiconductor de óxido metálico transistor de efecto de campo MOSFETs = volumen sensible extremadamente pequeño From Metcalfe et al Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 66

67 1. Irradiación 2. Carga portadores atrapados en el substrato de Si 3. Se altera la corriente entre la fuente y el drenaje Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 67

68 Voltaje de compuerta durante la irradiación: determina la sensibilidad Lectura después de la irradiación: se requiere voltaje de compuerta para mantener corriente constante Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 68

69 Diodos y otros dispositivos de estado sólido Ventajas Lectura directa Sensibles Pequeñas dimensiones Posible impermeabilidad al agua Desventajas Sensibles a la temperatura Sensibilidad puede cambiar --> necesaria re-calibración Necesario observar procedimientos sistemáticos de QA Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 69

70 Resumen de la conferencia 2 Cámaras de ionización Semi-conductores TLDs Placas Ventajas Se comprenden bien, precisas, disponibles en variedad de formas Pequeños, robustos Pequeños, no necesitan cables De dos dimensiones, facilidad de uso Desventajas Grandes, requieren alto voltaje Dependencia de la temperatura Lectura diferida, manipulación compleja No tejido equivalente, no muy reproducible Empleo más generalizado Dosimetría de referencia, escaneo del haz Escaneo con haz, dosimetría in vivo Verificación de dosis, dosimetría in vivo Garantía de calidad, determinación de las distribuciones de dosis Comentarios La técnica dosimétrica más generalizada e importante Los recientes desarrollos (MOSFETs) pueden aumentar utilidad También empleados para intercomparaciones dosimétricas (auditorias) Los recientes desarrollos (placa radiocroma) pueden aumentar utilidad Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 70

71 Resumen general: Física En radioterapia, los fotones (rayos X y rayos gamma) y electrones constituyen los tipos de radiación más importantes La precisión en la dosis administrada es esencial para una buena practica en radioterapia La dosimetría absoluta determina la dosis absorbida en Gray en un punto de referencia bien definido. La dosimetría relativa correlaciona entonces la dosis en todos los demás puntos o la dosis bajo diferentes condiciones de irradiación con esta medición absoluta. Se dispone de múltiples técnicas para la dosimetría ninguna es perfecta y se requiere entrenamiento y experiencia para seleccionar la técnica más apropiada para un propósito en específico y para la interpretación de los resultados Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 71

72 Dónde obtener más información Físicos médicos Libros de texto: Khan F. The physics of radiation therapy Metcalfe P.; Kron T.; Hoban P. The physics of radiotherapy X- rays from linear accelerators Cember H. Introduction to health physics Williams J; Thwaites D. Radiotherapy Physics Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 72

73 Preguntas? Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 73

74 Pregunta Que tipo de detectores de radiación pueden resultar útiles para la dosimetría in vivo, y por qué? Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 74

75 Respuesta En radioterapia la dosis que se administra al paciente es generalmente demasiado grande para emplear placas radiográficas, las cuales además son sensibles a la luz. Las cámaras de ionización son por lo general frágiles y requieren alto voltaje, ambos aspectos no deseables cuando se trabaja con pacientes. Por tanto, los TLDs son frecuentemente empleados para dosimetría in vivo. Son pequeños, no necesitan cables para la medición; y se dispone de materiales que son virtualmente tejido equivalentes. Los TLDs se pueden complementar con diodos en caso de requerirse una lectura inmediata (= dosimetría activa). Al igual que los TLDs, los diodos son dosímetros de estado sólido y por tanto sensibles y pequeños. Los restantes dosímetros de interés en este grupo serían los MOSFETs. Un tipo diferente de dosímetros in vivo lo constituyen los detectores de dosis a la salida en forma de imagen portal electrónica (comparar con parte 5). Estos demuestran ser muy valiosos para verificación directa. Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 75