Dosimetría Termoluminiscente en Tomografía Computada para Pacientes Pediátricos.

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1 Dosimetría Termoluminiscente en Tomografía Computada para Pacientes Pediátricos. Alí César Medrano Sandoval 1, Omar Medina Arreguín 1, Silvia Hidalgo Tobón 1 y Juan Azorín Nieto 1. 1 Universidad Autónoma Metropolitana Av. San Rafael Atlixco 186 Col. Vicentina 934 México, D.F. Correo electrónico: alicesar1993@hotmail.com Resumen La tomografía computarizada (TC) en conjunto con la radiología intervencionista, se considera un procedimiento radiológico de alta dosis, por lo que es necesario la optimización de la dosis. La exposición a la radiación ionizante en la TC pediátrica es de particular interés debido a que los niños son hasta 1 veces más sensibles a la radiación que los adultos a los efectos genéticos y somáticos tardíos de la radiación. La exposición y el riesgo asociado con la radiación ionizante en la TC es mejor caracterizada por la dosis absorbida en cada órgano. Los TLD de LiF: Mg, Ti son los más adecuados para este propósito debido a sus características tales como alta sensibilidad, tamaño pequeño y su equivalencia con el tejido. Los resultados de las mediciones de dosis in vivo para los tres tipos de estudios de TC (cráneo, tórax y abdomen) se presentan. Estos resultados indican que las dosis más bajas se obtuvieron en estudio de cráneo, mientras que la más alta en uno de abdomen. Palabras clave: TLD, TC, dosimetría in vivo. 1.-INTRODUCCIÓN La Tomografía Axial Computada (TAC) o simplemente Tomografía Computada (TC) [Valdés,1995] introducida a la imagenología médica en 1972, ha tenido un rápido desarrollo técnico que va desde la disminución en los tiempos de retardo y adquisición, hasta el modo de adquisición helicoidal con multidetectores; esto ha incrementado su uso, alcanzando el 11 % de las exploraciones con rayos X. La TAC es una exploración de rayos X que produce imágenes detalladas de cortes axiales del cuerpo. En lugar de obtener una imagen como la radiología convencional, la TAC obtiene multiples imágenes al rodar alrededor del cuerpo. (Ver figura 1) 41

2 Figura 1.- Tomografía Simple de Cráneo Una computadora combina estas imágenes en una imagen final que representa un corte del cuerpo como una rodaja. La TAC se basa en el echo de que la estructura interna de un objeto puede ser reconstruida a partir de multiples proyecciones del objeto mediante su irradiación axial (ver figura 2), por lo que la obtención de las imágenes es el resultado de la atenuación de un delgado haz de rayos X por el paciente y cada imagen consiste de una matriz de píxeles que corresponden a números CT (medidos en unidades Hounsfield HU) que presentan valores de atenuación de los elementos de volumen (voxeles) contenidos en el corte. Algunas de las ventajas que presenta la técnica son: Capacidad de observar rebanadas de tejido en vez de bloques con estructuras superpuestas. Capacidad de observar estructuras anatómicas de todo el cuerpo que no es posible observarlas con técnicas convencionales. Es una herramienta indispensable en patología para la localización de regiones donde practicar biopsias, y en radioterapia para la planeación de tratamientos por radiación. 411

3 Figura 2. Corte Axial de manera Simple. La TAC de cráneo es uno de los estudios que se realiza con mayor frecuencia así como en los estudios tomográficos de rutina, en este tipo de exámenes no se aplica ninguna medida en la protección radiológica del paciente. En la TAC de cráneo, es importante conocer la dosimetría en órganos críticos debido a que al irradiar simúltaneamente la glándula pituitaria y tiroides se incrementa aún más la probabilidad de cáncer para esta última. La exposición a la radiación ionizante pediátrica es de particular interés debido a que los niños son hasta 1 veces más radiosensibles que los adultos a los efectos genéticos y al tener mayor expectativa de vida se tiene una probabilidad mayor de daño por radiación. La exposición y el riesgo asociado a la radiación ionizante en la TAC está mejor caracterizada por la dosis absorbida en cada órgano. Para determinar dicha dosis a órganos por radiación dispersa, se usó dosimetría termoluminiscente (DTL). Los dosímetros termoluminiscentes tienen la valiosa característica de que la intensidad termoluminiscente puede ser relacionada en forma directamente proporcional con la dosis absorbida por radiación en un amplio interval de dosis. La DTL ofrece la oportunidad de realizar mediciones in vivo además de que no interfiere con la imagen diagnóstica. El objetivo principal de dicho trabajo es obtener las dosis absorbidas in vivo por pacientes pediátricos del Hospital Infantil Federico Gomez en tres diferentes tipos de estudio realizados en Tomografía Computada (Cráneo, Tórax y Abdomen) obteniendo cuantitativamente la dosis promedio y así poder determinar en cual se tiene un mayor riesgo asociado a cáncer Principios Físicos de TAC El objetivo de una adquisición de TC es medir la transmisión de los rayos X a través del paciente en un gran número de proyecciones. La idea fundamental es que la proyección se genera, por su misma naturaleza, debido a la interacción entre la radiación X y la sustancia de la cual está echo el objeto que examina [Valdés, 1995]. Esta interacción se puede modelar como una integral de línea sobre la caraterística del objeto. Así una proyección tomográfica consiste de varias integrales de línea del coeficiente de atenuación µ, que a su vez es función del material por el cual atraviesa la radiación X. Considere un ancho del objeto (ver figura 3), incremental Δx. Además considere que N fotones llegan a la frontera del objeto y que (N-ΔN) fotones salen de la frontera y llegan al detector. La cantidad de fotones que llegan al detector se debe a que no fueron absorbidos o dispersados en su trayectoria. Aquí es importante recordar que un fotón puede ser alterado de su trayectoria por el efecto Compton, (ver figura 4) el cual consiste en la interacción del fotón de rayos X con un electrón libre o con aquellos de los niveles exteriores del átomo. La interacción del fotón con el electrón produce un desvío de su trayectoria original, perdiendo parte de su energía, la cual gana el electrón. 412

4 Figura 3. Un tubo de rayos X emite energía que ilumina a un objeto homogéneo. Al otro lado del objeto se mide la radiación, que es función del coeficiente de atenuación. Figura 4. Interacción principal de dispersión de radiación en TAC. Con la suposición de que todos los fotones que llegan al detector son de la misma energía, la relación siguiente explica la atenuación del número de fotones: N x N Donde: µ es el coeficiente de atenuación lineal que representa la razón de pérdida de fotones. En el límite, conforme Δx tiende a cero, se obtiene la siguiente ecuación diferencial: 1 dn dx N Cuya solución se puede obtener integrando a través del espesor del objeto: N N dn N x dx 413

5 Donde N es el número de fotones que entran al.finalmente el número de fotones como función de la posición dentro del objeto está dado por: x In N In N xn( x) N exp Para el caso que µ sea dependiente de las coordenadas (x,y), como sucede al rastrear el cuerpo humano. Aquí se debe considerar que la medición de un punto de la proyección no es más que el resultado de un integral de línea; es decir: N exp ( x, y) ds N rayo Donde ds es el segmento de línea de una frontera hasta la otra en el cuerpo humano, en la trayectoria A-B de la figura 5. Entonces la proyección siguiendo la trayectoria de la imagen es N P ( kt) ( x, y) ds In N rayo AB El problema de la Reconstrucción Hasta aquí se tiene claro que la generación de una proyección consiste en múltiples mediciones del coeficiente de atenuación µ(x,y) de un objeto a un ángulo θ fijo. También se debe tener claro que después de completar un rastreo la información que se obtiene será un conjunto de proyecciones P θ1, P θ2 P θ n a partir de las cuales se debe reconstruir el objeto en cuestión. La información final que se debe reconstruir es: ( x, y) F(P 1, P 2... P n ) Al problema se le conoce como El problema inverso de la integral de Radon.(ver figura 5) Figura 5. Generación de una proyección de Radon. 414

6 De una forma más explicita, considerando la figura anterior, dónde podemos ver que la ecuación de la línea A-B es: xcos ysin t y P ( t) ( x, y) ds (, t) línea En tal forma que para obtener la proyección completa es necesario muestrear la coordenada t en forma discreta, por medio de la función delta. Así se tiene una proyección como: P ( t) ( x, y) ( xcos ysin t) dx dy Y a esta función se le conoce como la transformada de Radon. Entonces lo que nos interesa es como determinar el coeficiente de atenuación lineal dada por: Dosimetría Termoluminiscente ( x, y) P ( xcos j ysin j, j) j i La dosimetría termoluminiscente (DTL) hace posible realizar mediciones in vivo e in vitro en radiología diagnóstica como TAC. Con el uso de dosímetros termoluminiscentes es posible tener una precisión del 3% en la medición incluso del 1 al 2 %, sin son seleccionados y leídos cuidadosamente. La DTL es preferida a otros métodos de dosimetría pues se tiene entre sus ventajas: dosímetros pequeños que no interfieren con el procedimiento, posibilidad de hacer múltiples mediciones al mismo tiempo, su simplicidad y bajo costo por lectura. La dosimetría de la radiación es la capacidad de medir la energía absorbida de la radiación en un material en particular, esto se basa en la premisa de que un material que ha sido previamente irradiado al ser calentado por debajo de su temperatura de incandescencia emita luz y la cantidad de luz emitida es proporcional a la dosis absorbida por el material irradiado. La importancia de la DTL reside en que tanto el área bajo un pico termoluminiscente (TL) como la amplitud del mismo a una rapidez de calentamiento constante, son proporcionales al número total de iones capturados en las trampas; por lo tanto, el área bajo la curva TL es representativa de la energía luminosa liberada. La mayoría de los lectores TL comerciales aprovechan dicha propiedad, en los cuales las medidas se efectúan a partir de la emisión total de uno o varios picos de la curva TL. Esto hace que los materiales termoluminiscentes puedan utilizarse como dosímetros en el intervalo en el cual su respuesta es lineal con respecto a la dosis absorbida Termoluminiscencia 415

7 Ciertos sólidos previamente irradiados tienen la propiedad de emitir luz si se eleva su temperatura a un valor por debajo de su temperatura de incandescencia. En dosimetría de la radiación ionizante la importancia de este fenómeno radica en el echo de que la cantidad de luz emitida es proporcional a la dosis absorbida por el material irradiado. Hasta ahora, no ha sido posible explicar el fenómeno TL, en su totalidad, por lo que se han propuesto modelos que tratan de explicarlo a partir de la existencia de tres elementos: las trampas, los centros de recombinación y los entes móviles o portadores de carga.cuando interacciona la radiación ionizante con el sólido, es posible que se proporcione la energía suficiente para crear los entes móviles; es decir, los electrones y los agujeros. Los electrones son transferidos a un banda de conducción, mientras que en los agujeros quedan en la banda de valencia cuando se lleva a cabo la transferencia de electrones. Los portadores de carga viajan a través del material hasta que se recombinan o bien son atrapados en estados metaestables de energía generando centros de color, mismos que se encuentran asociados a los defectos del cristal. Posteriormente durante el calentamiento se suministra al material energía suficiente para liberar los electrones y agujeros que estaban atrapados (energía de activación o profundidad de la trampa), al ser liberados viajan a través del cristal que llegan a recombinarse emitiendo un fotón de luz visible Formación de la Curva Termoluminiscente El proceso de calentamiento del cristal implica la desocupación de las trampas que han sido ocupadas por la irradiación del material, con la consiguiente emisión de luz. El proceso se encuentra ejemplificado en la figura 6 donde la curva superior representa la probabilidad de desocupación de las trampas en función de la temperatura; a baja temperarura, la probabilidad de que se desocupe la trampa es nula, ya que los portadores de carga no tienen suficiente energía cinética como para escapar del pozo de potencial. Conforme aumenta la temperatura hasta los 5 C, una fracción de los portadores de carga liberados se dirige hacia los centros de recombinación, haciendo que disminuya la población de portadores de carga atrapados, por lo que la intensidad de la luz emitida alcanza un máximo a una cierta temperatura entre 5 y 4 C dando origen a un patrón de luminiscencia en función de la temperatura la llamada curva TL [Azorín, 214]. 416

8 Figura 6. Curva típica TL Dosímetros Termoluminiscentes TLD-1 Cualquier material que se pretenda sea útil en dosimetría en base al fenómeno de termoluminiscencia debe presentar características tales como: Respuesta lineal en función de la dosis. Bajo umbaral de detección. Buena sensibilidad. Una curva TL adecuada. Respuesta independiente de la energía. Buena reproducibilidad Descriptores de dosis en TAC Las condiciones de exposición a la radiación ionizante en estudios tomográficos son diferentes de los procedimientos con rayos X convencionales, se requiere de técnicas especificas para caracterizar la dosis en el paciente. El principal mecanismo de interacción en la tomografía es la dispersión Compton, por lo que la dosis por radiación dispersa puede ser considerable e incluso mayor que la dosis de radiación debida al haz primario. La radiación dispersa no está confinada al perfil del haz colimado y la adquisición de un corte suministra una dosis considerable de radiación dispersa a los tejidos adyacentes fuera del haz primario (ver figura 7). Entonces se define la dosis promedio de exploración múltiple (MSAD) es el estándar para la determinación de la dosis de radiación en TAC. Un buen estimador de esta cantidad es el índice de dosis (CTDI). CTDI. Indice de dosis en Tomografía Computada. 417

9 Se define como: 1 CTDI D( z) dz T En esta fórmula, D(z) es la dosis, también en función de la posición z para un corte único en el plano (x-y) y T es la colimación (ancho del haz de radiación). DLP. Producto Dosis-Longitud. Para tratar de disponer de una magnitud que se correlacione con la dosis efectiva y que pueda indicar el riesgo se ha establecido el producto dosis-longitud (DLP). Para el área médica se utiliza la expresión: DLP CTDI L Dónde: DLP es el producto dosis-longitud. CTDI Vol es el índice de dosis en volumen (valor desplegado en la pantalla del equipo de tomografía). L es la longitud analizada en el paciente. E. Dosis Efectiva. Para estimar el riesgo de llevar a cabo una tomografía en el paciente, se deberían tener en cuenta las dosis absorbidas para cada órgano en función de la radiación. Para TC, es necesario definir factores de peso obtenidos a través de una dosis efectiva normalizada, dada por la siguiente expresión: E EDLP DLP Dónde: E representa la dosis efectiva normalizada [msv]. DLP es el producto dosis longitud [mgy cm]. E DLP es la dosis efectiva normalizada [msv mgy -1 cm -1 ]. Vol 418

10 Figura 7. Perfil de rayos X en TAC. 2.- MATERIALES Y MÉTODOS Se dá una aplicación práctica al uso de la dosimetría en TAC in vivo, colocando dosímetros de LiF: Ti, Mg en la región anatómica del paciente pediátrico que se desea analizar. Para lograrlo, es necesario comenzar desde la selección de los dosímetros hasta la etapa final de aplicación Caracterización. Originalmente se tiene un lote de 74 dosímetros de LiF: Ti,Mg. El material es el adecuado para trabajar ya que posee una buena equivalencia con el tejido humano. El proceso de caracterización fué el siguiente: 1. Se irradiaron los 74 dosímetros en un irradiador TLD de Sr 9 Y 9 Modelo 221. (Ver figura 1) 2. A continuación se hace uso de la dosimetría, para ello se colocaron en un lector TLD HARSHAW 35 cada uno de los dosímetros en la placheta de calentamiento para obtener de cada uno su correspondiente curva TL y la lectura en nc que será 419

11 proporcional a la dosis absorbida proporcionada por el programa WinRems. Los parámetros de lectura para obtener dicha curva son los siguientes: se aplicó un precalentamiento a 15 C durante 5 segundos a una velocidad de calentamiento de 1 C/s hasta 35 C durante 33 segundos. 3. Una vez obtenidas las lecturas de cada dosímetro, se seleccionaron aquellos cuyo valor en nc sea idéntico o parecido y cuya desviación estándar no supere el 5 %. Para ello se agruparon los dosímetros con estas caraterísticas en dos lotes. (Ver tabla 1) Tabla 1. Medidas de tendencia obtenidas para cada uno de los lotes. Uniformidad de Lote Medida de tendencia Lote 1 (9 dosímetros) Lote 2 (12 dosímetros) Media Desviación estándar Desviación relativa 4.3% 4.4% 4. Ya obtenida la uniformidad de lote, se procedió a obtener la curva de calibración. Para ello, a los 21 dosímetros seleccionados, se les aplicó un tratamiento térmico de borrado que consiste en introducirlos en un horno especial llamado mufla con los siguientes parámetros: Para TLD-1 a 4 C durante una hora seguido de 1 C dos horas. 5. Aplicando el tratamiento de borrado, se irradiaron a diferentes dosis para obtener la lectura final en nc que es proporcional a la dosis absorbida. Haciendo las conversiones necesarias para pasar de rev a Gy, las curvas de calibración para cada uno de los lotes son (ver figura 8 y 9) 42

12 Intensidad (nc) Dosis (Gy) Figura 8. Curva de calibración 1. Su función lineal ajustada es R= D , donde R es la respuesta del dosímetro y D es la dosis. Intensidad (nc) Dosis (Gy) Figura 9. Curva de calibración 2. Su función lineal ajustada es R= D , donde R es la respuesta del dosímetro y D es la dosis. 421

13 2.2 Procedimiento Experimental en TAC Seguido de la caracterización de los dosímetros, se obtuvieron valores de dosis absorbidas a pacientes pediátricos del Hospital Infantil Federico Gomez. Se aplicaron los dosímetros a 14 pacientes cuya edad fué desde los 2 meses hasta los 2 años 4 meses.se colocaron los dosímetros con cinta adhesiva, previamente cubiertos con gel antibacterial, para evitar cualquier anomalía en 3 regiones específicas del cuerpo: Cráneo. Tórax. Abdomen. Dichos estudios se llevaron a cabo en el tomógrafo SOMATON Definition AS, Versión Syngo CT 211A del Hospital Infantil Federico Gomez. Una vez expuestos los dosímetros se obtuvieron de mnera final las medidas en nc obtenidas en el lector HARSHAW TLD 35 que sustituidas en la función lineal de las curvas de calibración obtenidas anteriormente, tendremos las dosis absorbidas por cada paciente. Las funciones son las siguientes: D R Dónde: D es la dosis absorbida [Gy]. R es la respuesta termoluminiscente [nc]. Y los valores es la pendiente de la curva [nc/gy] y la ordenada al origen [nc]. La segunda relación lineal para el primer lote es: D R Figura 1. Irradiador de Sr 9 Y

14 3.- RESULTADOS Se muestran a continuación (ver tabla 2) los promedios obtenidos para los tres tipos de estudio más común en TAC, calculados a partir de las dosis absorbidas por cada paciente pediátrico. Estud ios realiz ados Tabla 2. Dosis promedio en los tres diferentes tipos de estudio en TAC T i p o d e e s t u d i o C r á n e o T ó r a x A b D os is m ed ia ( G y) (. 2 3 ±. 6) (. 4 4 ±. 423

15 d o m e n 6) (. 6 ±. 2) 4.- DISCUSIÓN De la tabla de promedios para cada uno de los estudios, se observa que para un estudio de Abdomen, se tiene la dosis de absorción más alta y se debe a que se consideraron estudios con contraste, es decir teniendo en cuenta que se aplica una dosis mayor de radiación que para un estudio simple de cráneo. Se tomaron en cuenta sólo estudios simples de cráneo, debido a una demanda mayor del mismo por parte de los pacientes pediátricos. Se presentaron algunos casos de Tórax, de tipo contraste, útiles para los fines aquí presentados. 424

16 5.- CONCLUSIONES Como sabemos, TAC es una de las técnicas de imagenología médica en el cual se recibe la mayor cantidad de radiación. Las mediciones llevadas a cabo en el Hospital Infantil Federico Gomez, marca un promedio elevado de dosis absorbida en estudio de Abdomen. Para ello es necesario, tomar algunas medidas tales como: Deben realizarse sólo estudios absolutamente necesarios. La zona explorada del cuerpo debe ser limitada al área más pequeña posible. Realizar investigaciones para determinar la relación entre calidad de la imagen y dosis en TAC, para modificar la exploración en TAC para cada niño en particular, y clarificar la relación entre radiación y riesgo de cáncer. Minimizar el número de exámenes con TAC que usa múltiples cortes obtenidos con fases distintas pues resultan con un incremento en la dosis. Estos exámenes multifase rara vez necesarias (tórax y abdomen). Agradecimientos Agradezco la valiosa contribución de la Dra. Silvia Hidalgo y al personal de equipo de Tomografía del Hospital Infantil Federico Gomez. REFERENCIAS Andisco, D. Blanco,S & Buzzi, A.E. (214) Dosimetría en Tomografía Computada. Revista Argentina de Radiología, 78(3), Azorín-Nieto J. (214). Protección Radiológica para Profesionales del Diagnóstico Médico con Rayos X. Rayox X (pp.67-69). México: Innovación Editorial Lagares. Azorín-Nieto J. (214). Dosimetría Termoluminiscente Aplicada a Física Médica. Cusco. Perú. Calzado A; Gelejins J. (21). Tomografía Computarizada. Evolucion, Principios Técnicos y Aplicaciones. Revista de Física Médica, 11(3), Tavares J. (26). Tomografía Multidetector-16 de cráneo en niños: Estimación de dosis a órganos críticos por DTL. Tesis de Maestría. Universidad Autónoma Metropolitana- Iztapalapa, México, D.F. Valdés-Cristerna R. (1995). Imagenología Médica. México: Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa. 425