Cálculo de blindajes para aceleradores lineales en instalaciones de radioterapia. Mª Ángeles Rivas Ballarín HCU Lozano Blesa.

Transcripción

1 Cálculo de blindajes para aceleradores lineales en instalaciones de radioterapia. Mª Ángeles Rivas Ballarín HCU Lozano Blesa. Zaragoza

2 Norma DIN 6847 Parte 2ª

3 Análisis del Report 151 de NCRP Índice 1.Introducción. 2.Métodos de cálculo. 3.Consideraciones en torno a carga de trabajo, factor de uso y tasa de dosis absorbida. 4.Detalles estructurales. 5.Consideraciones especiales. 6.Evaluación de los blindajes. 7.Ejemplos. 8.Apéndice A. Figuras. 9.Apéndice B. Tablas. 10.Apéndice C. Monitoreo de neutrones. 3

4 Conservador Atenuación del haz primario por el paciente de un 30% o más. Se asume incidencia perpendicular en las barreras. Se asume que el nivel de radiación de fuga es el máximo permitido por el IEC AM1 Factores de ocupación para zonas no controladas sobreestimados (pe. Ej. poca gente pasa el 100% del tiempo en su oficina) Se asume una distancia de 0,3 m de la barrera al punto de cálculo cuando en la mayoría de casos (especialmente en puertas) este valor es mayor La regla de las dos fuentes, utilizada cuando hay contribución de radiaciones de varios tipos (p. ej. fuga y dispersa TVL y HVL de la más penetrante. 4

5 Clasificación de zonas Zona controlada Acceso restringido a personal que trabaja bajo la supervisión de un encargado de la protección radiológica. Los trabajadores que trabajen en dichas áreas deben haber sido entrenados en el uso de radiaciones ionizantes. Zonas no controladas Ocupadas por pacientes, visitantes (público) y trabajadores que no pertenecen al área de las radiaciones ionizantes. Así mismo serán áreas no controladas las adyacentes a la instalación de radioterapia 5

6 Dosis tras barrera (P) Zonas controladas P=5 msv/año 0,1 msv/semana (ICRP 60: 0,12 msv/sem ZV) Zonas no controladas P=1 msv/año 0,02 msv/semana (ICRP 60: 0,02m Sv/sem LA) 6

7 Tasa de dosis máxima tras barrera La máxima tasa de dosis en cualquier hora, en zonas no controladas 0,02 msv/h Para barrera primaria R h N B W U max pri pri pri = 2 t Nh dpri N max =Número máximo de pacientes que se pueden tratar en una hora =Número medio de pacientes /h a lo largo de la semana t =Número de horas que se trata durante una semana N h 7

8 Tasa dosis máxima tras barrera La máxima tasa de dosis en cualquier hora, en en zonas no controladas 0,02 msv/h Para barrera secundaria N max CF BL W a F Bps Wps U ps L Rh = t Nh dl 400 dsec N max =Número máximo de pacientes que se pueden tratar en una hora N h =Número medio de pacientes /h a lo largo de la semana t =Número de horas que se trata durante una semana 8

9 Factor de ocupación A evaluar por el experto cualificado. Cociente entre el tiempo máximo que podría pasar una misma persona en el área dada y el tiempo de funcionamiento de la instalación. Sugeridos: T=1 para zonas controladas T=1/5 para zonas de ocupación media T=1/40 para zonas de baja ocupación pasillos o el exterior. 9

10 Factor de uso Tratamientos estándar: Uso simétrico (0º,90º,180º,270º) 10

11 Carga de trabajo Total Body Irradiation W TBI = D TBI d 2 TBI 11

12 Carga de trabajo Tratamientos con IMRT: Carga de trabajo en el isocentro W radiación primaria y dispersa. Carga de trabajo en el cabezal W L radiación de fuga y neutrones Factor IMRT: C I = UM UM IMRT conv 12

13 Carga de trabajo Factor IMRT: 2< C I < 10 Calcular a partir de las UM necesarias para dar la misma dosis a un maniquí a 10 cm de profundidad y campo 10x10 cm 2. Tener en cuenta las UM debidas al QC de los tratamientos. 13

14 Carga de trabajo Si no se conoce W isocentro =1000 Gy /semana E < 10 MV W isocentro = 500 Gy /semana E > 10 MV 14

15 Dosis debida a electrones y neutrones Electrones:No se tiene en cuenta para los blindajes, salvo en equipos de sólo electrones. Neutrones:No se tiene en cuenta en barreras primarias y secundarias de hormigón (H 2 O). Sí para la puerta. 15

16 Conductos Aire acondicionado: 60x30 cm 2 Cables de la máquina: 30x10cm2 Cables QA (Física): Φ < 10 cm Electricidad, agua : Φ < 10 cm Nunca en barrera primaria!!! 16

17 Conductos Nunca en barrera primaria Mayor ángulo posible con la dirección del haz. 17

18 Conductos: Bunker con laberinto Encima de la puerta E< 10 MV : No requiere blindaje adicional E> 10 MV: Depende de longitud laberinto 18

19 Conductos: Bunker sin En paredes paralelas al plano de giro del gantry Angulados laberinto Envueltos con 10 cm BPE 19

20 Método de cálculo de los blindajes 20

21 Conceptos básicos S d B O P= Shielding design goal

22 Barrera primaria Debe atenuar Haz de fotones que atraviesa al paciente Fotoneutrones producidos en el cabezal y en la barrera Fotones γ de captura neutrónica Sólo se tiene en cuenta la energía más alta del haz primario. 22

23 Barrera primaria Factor de transmisión 30 cm d P B pr = 2 P d W U T P = Dosis objetivo (Sv/semana) W = Carga de trabajo para dosis primaria (Gy/semana) d = Distancia desde la fuente al punto de dosis objetivo U = Factor de uso de la barrera primaria T = Factor de ocupación de la sala al otro lado de la barrera primaria 23

24 Barrera primaria Espesor: Nº capas decimorreductoras d P 30 cm t t pri pri Material Hormigón (d=2.35g/cm 3 ) = TVL1 + TVLe ( n 1) 1 = TVL1 + TVL (log e 1) Bpri Energía (MV) n = log TVL 1 (cm) 1 B pri TVL e (cm) Láser empotrado en la pared: puede reducir 1 HVL compensar con una lámina de acero equivalente. 24

25 Barrera primaria Zona no controlada 30 cm Tasa de dosis < 0,02 msv/h d P R h Nmax BW U t N d = 2 h N max =Número máximo de pacientes que se pueden tratar en una hora N h =Número medio de pacientes /h a lo largo de la semana t =Número de horas que se trata durante una semana 25

26 Barrera primaria Anchura del anillo primario Se calcula proyectando la diagonal del mayor tamaño de campo disponible sobre la parte superior de la barrera primaria más alejada del isocentro y añadiéndole un margen de 30 cm a cada lado. d 2 m 4,1m 4,7 m F 1,3 m Campo (cm) d (m) Proyec (m) Ancho total (m) 57 6,1 3,48 4,08 26

27 Barrera primaria Anillo hacia el interior 27

28 Barrera primaria Anillo hacia el exterior 28

29 Barrera primaria Barreras laminadas Problemas de espacio: Hormigón+Acero/Plomo Producción de neutrones en el metal H n = D 0RFmax 10 tm + t + 0, t1 t2 TVLx TVL n Do = the x-ray absorbed dose per week at isocenter R = the neutron production coefficient (i.e., µsv cgy 1 m 2 ); Fmax = the maximum field area at isocenter (m2); Los neutrones producen γ en el hormigón Dosis debida a fotones: H tr = Dosis de rayos x transmitidos H γ = 2,7 H tr Dosis total H tot = Hn+2,7 H tr 29

30 Barrera secundaria Debe atenuar Radiación dispersada por el paciente Radiación de fuga procedente del cabezal Se calcula el espesor por separado Dispersa t d (cm) Fuga t f (cm) Fotoneutrones y γ de captura en puerta y conductos t mayor -t menor > 1 TVL t final = t mayor t mayor -t menor < 1 TVL t final = t mayor + 1 HVL 30

31 Barrera secundaria Dispersa E disp conforme α (E disp ~E prim α< 20º) TVL y a (fracción dispersada) se calculan para cada ángulo. Para un punto P, tomaremos la orientación del haz para la cual el ángulo de dispersión es mínimo, con el factor de uso que corresponda a esa orientación. 31

32 Barrera secundaria Dispersa TVL disp = TVL e Material Energía (MV) TVL (cm) 15º 30º 45º 60º 90º 135º Hormigón (d=2.35g/cm 3 )

33 Barrera secundaria Dispersa :Factor de transmisión B ps = Pd d sca sec awu T F a = Fracción dispersada por el paciente en α (400cm 2) d sca =Distancia de la fuente al paciente (m) d sec =Distancia del paciente al punto de dosis objetivo (m) F = tamaño de (cm 2 ) a 1 m 33

34 Barrera secundaria Fuga Carga de trabajo en el cabezal W L Capas decimorreductoras TVL Material Energía (MV) TVL 1 (cm) TVL e (cm) Hormigón (d=2.35g/cm 3 )

35 Barrera secundaria Fuga : Factor de transmisión B L = 10 P d 3 W 2 L L T d L =Distancia del isocentro a la barrera secundaria (m) Se supone utilización homogénea de las angulaciones del gantry 35

36 Puertas y laberintos Deben atenuar : Fotones: Terciarios Captura neutrónica Neutrones (para E > 10 MV) 36

37 Puertas y laberintos Dosis debida a fotones Se usa la orientación más desfavorable del gantry en cada caso. Dosis total para todas las orientaciones del gantry: H fotones = 2,64 (H XS + H LS + H PS + H LT )+ H cg Donde H XS = H WT o H S, según el anillo primario sea perpendicular o paralelo al laberinto Válido si se cumple: 2 < / Area transversal laber int o < d zz 6 1< altura laberinto/anchura laberinto < 2 37

38 Puertas y laberintos Fotones terciarios H S Radiación primaria dispersada en una barrera primaria hacia el laberinto H s = f W U α0 A ( d d d h r 0 z α z A 2 ) z Ao = Proyección campo máximo en barrera primaria (m2) α 0 = Coeficiente de reflexión en A 0 Az = Proyección de A 0 (m2) αz = Coeficiente reflexión en (A z ) f = Fracción de radiación primaria que atraviesa al paciente (f=0,25 para 6MV y f=0.33 para 15MV) d h Eje de rotación perpendicular al laberinto 38

39 Puertas y laberintos Fotones terciarios H WT Radiación primaria que atraviesa la pared interna del laberinto y se refleja en la pared opuesta (IAEA 47) H WT W U B α p A = ( d d'' ) 2 p p Ap=Área del campo máximo proyectado (m2) dp=distancia de la fuente a Ap (m) d =Distancia centro Ap a puerta (m) A p d p Eje de rotación paralelo al laberinto d 39

40 Puertas y laberintos Fotones terciarios H LS Radiación de fuga dispersada en la pared visible desde la puerta del laberinto. H LS = 10 3 W ( d L sec U d α1 A 2 ) zz 1 A 1 =Área de incidencia de la radiación de fuga vista desde la puerta (m 2 ) α 1 =Coeficiente reflexión en (A 1 ) d sec =Distancia fuente centrol de A 1 d zz =Distancia centro s A 1 a puerta d sec d zz 40

41 Puertas y laberintos Fotones terciarios H PS Radiación dispersa del paciente hacia la pared opuesta a la puerta del laberinto. H ps = a W U α A ( d d d ) 2 sec 1 1 sca ( F zz / 400) d sec =Distancia de la fuente centro A 1 d sca =Distancia de la fuente al paciente d sec d zz d sca 41

42 Puertas y laberintos Fotones terciarios H LT Radiación de fuga transmitida a través de la pared interna del laberinto. H LT = 3 10 L 2 dl W U B d L =Distancia fuente a puerta B =Factor de transmisión pared laberinto d L 42

43 Puertas y laberintos Fotones de captura neutrónica H cg Si la longitud del laberinto > 2,5 m puede despreciarse la contribución de los fotones dispersos frente a los de captura neutrónica. (E media =3,6 MeV) Qn = neutrones emitidos en el cabezal por Gy de fotones en el isocentro d 1 = Distancia del isocentro al punto medio del pasillo del búnker d 2 = Distancia del punto A a la puerta k = 6, Sv m 2 (eficiencia de fotones de captura por unidad de fluencia de neutrones ) S r =Área total de las paredes del búnker (incluidos suelo y techo) TVD = Distancia decimorreductora β = Fracción de neutrones que atraviesan el cabezal (1 para Pb, 0,85 para W) H cg βq 5, 4βQ 1,3Q TVD = kwl πd 2πS 2πS d2 n n n 2 1 r r 43

44 Puertas y laberintos Dosis debida a neutrones La mayor parte de los fotoneutrones se originan en el cabezal. El campo de neutrones es máximo en la puerta cuando el ángulo del gantry está alineado según 1-3. Puerta exterior : anchura S altura h Dos métodos: Kersey McGinley TVD 3 S h El nivel de neutrones en la puerta es máximo en esta configuración 44

45 Puertas y laberintos Dosis neutrones: Método Kersey La fuente efectiva de neutrones se considera en el isocentro. Dosis equivalente de neutrones por unidad de dosis absorbida de rayos X en el isocentro: 2 d2 S 0 d HnD, = H0 S d S 0 : sección entrada interior laberinto (m 2 ) S 1 : sección laberinto (m 2 ) d 1 : distancia del isocentro a A (m) d 2 : distancia de A a la puerta (m) H 0 : Dosis equivalente neutrones (Sv/Gy) a d 0 (en tabla B.9) d 0 : 1,41 (m) 45

46 Puertas y laberintos Dosis neutrones: Método McGinley Modificación del método anterior Dosis equivalente de neutrones por unidad de dosis absorbida de rayos X en el isocentro: H n, D = 2, W L S S 0 1 βq 4πd n ,4βQ 2πS r n 1,3Q + 2πS n r 1,64 10 d2 ( ) 1, d2 TVD TVD = 2,06 S 1 46

47 Puertas y laberintos Dosis total en la puerta H tot = H terciaria +H cg +H n Para E > 10 MV H terciaria << H cg +H n H tot 47

48 Puertas y laberintos Blindaje de la puerta Calcular los espesores para fotones y neutrones por separado, de manera que cada tipo de radiación contribuya con la mitad del límite de dosis correspondiente a esa zona. E media γ terciaria TVL=3-6 mm Pb E media γ cn : 3,6-10 MeV TVL=6,1 cm Pb E media neutrones : 100 kev TVL=4,5 cm BPE 48

49 Puertas y laberintos Blindaje de la puerta El espesor de Pb calculado se reparte en dos láminas Entre ambas se coloca el espesor de BPE calculado Pb BPE Interior Exterior Frena los neutrones y atenúa los γ Atenúa los γ Captura los neutrones y emite γ cn de 478 kev En laberintos de longitud > 8 m: 0,6-1,2 cm Pb 2-4 cm BPE 49

50 Puertas y laberintos Alternativas a la puerta Para evitar puertas excesivamente pesadas que requieren motorización. 1. Reducir la superficie de entrada interior desde la sala de tratamiento al laberinto 2. Añadir una puerta de bajo peso que contenga un absorbente de neutrones térmicos (9% B) en la entrada interior del laberinto 3. Colocar una puerta con BPE (5%) a la entrada interior del laberinto 50

51 Puertas y laberintos Alternativas a la puerta 51

52 Puertas y laberintos Puerta sin laberinto Fuga Dispersa Isocentro Solapamiento incompleto En el lado en que incide la radiación de fuga Puerta más ancha

53 Puertas y laberintos Puerta sin laberinto : Alternativa Protege de radiación fuga directa (fotones y neutrones)

54 Consideraciones especiales Dispersión sobre el techo del búnker Búnker de paredes metálicas Activación Producción de ozono Tomoterapia Ciberknife 54

55 Dispersión sobre el techo del búnker Poco blindaje en el techo del búnker por no haber estancias en la parte superior del mismo. Esto puede dar lugar a problemas debido a la presencia de radiación dispersada por la atmósfera o por el propio techo en puntos del suelo cercanos al búnker o en edificios próximos a éste. 55

56 Dispersión sobre el techo del búnker Dispersión en la atmósfera (fotones) BXS D0 2 ( di ds) 2,5 10 ( Ω ) H = d i d s H & = Tasa de dosis equivalente debida a fotones dispersados en la atmósfera (nsv/h) B XS = Factor de transmisión del techo para fotones Ω = Ángulo sólido subtendido por el campo máximo di = Distancia vertical de la fuente a un punto que esté 2 m por encima del techo (m) ds = Distancia horizontal desde el isocentro al punto de cálculo fuera del búnker (m) =Tasa de dosis absorbida en el isocentro (Gy/hr) D & 56

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58 Dispersión sobre el techo del búnker Dispersión en la atmósfera (neutrones) 5 0,85 10 Hns Φ& H& 0 Ω n = ( nsv/ h) para d 20 m 2 d i H n =Tasa dosis equivalente debida a neutrones (nsv/h) H ns = Dosis equivalente a 2 m techo/fluencia de neutrones incidentes Ω = Ángulo sólido subtendido por el campo máximo (estereorradianes) d i = Distancia vertical de la fuente a un punto 2 m por encima del techo (m) Φ& =Tasa de fluencia de neutrones a 1 m del blanco (n/cm2 h) 58

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60 Dispersión sobre el techo del búnker Dispersión lateral (fotones) H SS = x D0 F f( θ ) t TVL TVL R 10 e x R H SS =Tasa de dosis equivalente por dispersión lateral (Sv/h) D 0 =Tasa de dosis absorbida en el isocentro (Gy/hr) F = Área del campo (m 2 ) a 1 m del blanco f(θ) = Distribución angular de los fotones dispersados en el techo (tabla) x R = Distancia desde el rayo central en el techo hasta el punto de interés. t = Espesor del techo (m) 60

61 Búnker de paredes metálicas Radiación reflejada en suelo (groundshine) O añadir Pb y polietileno Añadir Pb o acero para los fotones

62 Activación Aceleradores de E > 10 MV Fotones y neutrones generan radioisótopos por activación de materiales en la sala de tratamiento: A 18 MV, reacciones (n,γ) 28 Al en el marco de la mesa de tratamiento 122 Sb en el Pb del cabezal 56 Mn y 24 Na de otros materiales

63 Dosis de radiación al personal Activación

64 Activación Ante un número creciente de tratamientos con IMRT: Estos tratamientos deben administrarse a bajas energías. Los fabricantes deben minimizar la producción de neutrones y evitar el aluminio y otros materiales de elevada sección eficaz de captura neutrónica. Las irradiaciones con energía alta, especialmente las medidas de física y QA, deberían programarse al final de la jornada, para permitir el decay a lo largo de la noche.

65 Producción de ozono La molécula de O 3 se produce por interacción de los electrones con el O 2. Se recomienda que la concentración de ozono no exceda 0,1 ppm. Para el uso normal de haces de electrones en tratamientos clínicos, basta una tasa de ventilación de 3 renovaciones/hora.

66 Tomoterapia Haz estrecho de 6 MV, interceptado a la salida del paciente por un blindaje ( 12 cm Pb) en el gantry, que rota en torno al paciente conforme avanza la mesa. No hay barreras primarias. Evaluar la radiación secundaria a partir del mapa de dispersa. UM muy elevadas frente a cgy en isocentro (CI ).

67 Cyberknife Haz de 6 MV dirigido hacia cualquiera de las barreras de la sala. Campo máximo 6 cm 2 a 80 cm TVL 33 cm hormigón (haz ancho) es conservador. Todas las barreras, excepto el techo, son primarias haces/tto. U=1/20 es conservador. Factor IMRT elevado CI~15.

68 Método de cálculo de blindajes Norma DIN 6847 Parte 2ª 68

69 Cálculo para una instalación mediante el Report NCRP 151 y la Norma DIN

70 Consideraciones iniciales Acelerador Siemens ONCOR Expression Mismos valores para la carga de trabajo en el isocentro W, factores U y T, así como para los límites para el diseño, P =0,120 msv/sem para trabajadores expuestos y 0,020 msv/sem para público. Instalación destinada a tratamientos convencionales e IMRT con energías de fotones de 6MV y 15MV. Se parte de la hipótesis de que sólo un 20% de los tratamientos serán IMRT. Se supone, de forma conservadora, que todos los tratamientos se imparten a 15 MV. La estimación de la carga de trabajo en el cabezal se ha realizado utilizando un factor IMRT CI = 5.

71 Datos iniciales Carga trabajo en isocentro:w = 500 Gy/semana Carga trabajo en cabezal:w L = 900 Gy/semana Nº máximo de pacientes/hora =4 Nº medio de pacientes/hora =3,125 Tasa de dosis máxima en isocentro: D & ( 15 MV ) = 2,4 Gy / min

72 Plano planta del búnker Co ALE KD2 11 ALE Primus

73 Plano alzado con edificios colindantes ,5m 7m 1,3m 5,5m 3,2m

74 Espesores en hormigón (d=2,35g/cm 3 ) en cm según los dos métodos Barreras primarias Sobre el techo del búnker, NCRP da un espesor mucho más alto al aplicar el criterio de dosis máxima de 20 µsv en cualquier hora. En el resto la diferencia es inferior al 2%.

75 Espesores en hormigón (d=2,35g/cm 3 ) en cm según los dos métodos Barreras secundarias Radiación dispersa: NCRP da TVL en función del ángulo de dispersión,> TVL de DIN. Radiación de fuga: DIN mismo valor de TVL que para primaria, NCRP valores específicos para la TVL, más bajos que los de DIN. En P7, predomina la radiación de fuga, 36 %, más alta la de DIN. En P10, el espesor calculado por NCRP es un 22% superior al de DIN debido a la radiación dispersa en ángulo pequeño.

76 Blindaje de puerta A 6,3 m 7,5 m 6 m 13 m 3,5 m dp dl 7,2 m m

77 Dosis en la puerta según NCRP Kersey H terciaria H cγ 22,4 0,7 µsv/sem µsv/sem Si P= 120 µsv/sem H n 32,9 µsv/sem H puerta= 56,0 µsv/sem McGinley H terciaria 22,4 µsv/sem Blindaje innecesario H cγ 0,7 µsv/sem H n 7,3 µsv/sem H puerta= 30,4 µsv/sem

78 Dosis en la puerta según DIN H terciaria H neutrones (µsv/sem) (µsv/sem) Si P= 120 µsv/sem H total 1334 (µsv/sem) Espesor plomo (cm) Espesor BPE (cm) 0 4,7

79 Y si el laberinto fuese más corto? A 6,5 m 5,5 m 7,5 m6 m dp 2,7 m dl

80 Dosis en la puerta según Kersey H terciaria = H cγ H n NCRP 185,8 µsv/sem 38,3 µsv/sem 753,3 µsv/sem P= 120 µsv/sem 1,2 cm Pb H puerta= 977,4 µsv/sem 4,9 cm BPE McGinley H terciaria = 185,8 µsv/sem H cγ 38,3 µsv/sem 1,2 cm Pb H n H puerta= 233,2 457,2 µsv/sem µsv/sem 2,7 cm BPE

81 Dosis en la puerta según DIN H terciaria H neutrones (µsv/sem) (µsv/sem) P= 120 µsv/sem H total 4558 (µsv/sem) 0,6 cm Pb 8,0 cm BPE

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