Introducción a la Física de la Radioterapia

Transcripción

1 Introducción a la Física de la Radioterapia En el presente texto se hace un breve repaso de los conceptos relacionados a la estructura de la materia y la interacción de la radiación ionizante con ella. Se resumen las definiciones de las magnitudes que describen estos fenómenos y su aplicación. Finalmente se describen algunos aspectos básicos de las máquinas usadas en tratamientos radiantes y las funciones matemáticas que permiten realizar los cálculos dosimétricos. Introducción Estructura de la materia Átomos y moléculas La materia está compuesta por conjuntos de moléculas y puede presentarse en tres estados (sólido, líquido o gaseoso). Las moléculas, a su vez, son uniones de átomos de igual o distinto tipo. Las sustancias compuestas de átomos del mismo tipo se denominan elementos y existen del orden de cien. Las sustancias compuestas de átomos de distinto tipo se denominan compuestos, y existen millones de ellos. Por ejemplo, una molécula de agua (compuesto) está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno (H2O), una molécula de oxígeno (elemento) está formada por dos átomos de oxígeno (O2) y un material como el hielo está formado por agua y pequeñas cantidades de otras moléculas. Cuando se produce una reacción química, las moléculas iniciales se rompen y los átomos se combinan de manera distinta, originando sustancias diferentes con propiedades físicas y químicas diferentes. Se produce la ruptura de las moléculas pero de los átomos, que permanecen inalterados. Estructura atómica Los átomos tienen una estructura compleja, pero de forma simplificada, se considera que están constituidos por una parte central muy pequeña en donde se concentra casi toda la masa atómica, denominada núcleo atómico, y por una envoltura externa de la que dependen las propiedades químicas, denominada corteza atómica. El núcleo atómico está formado por partículas más pequeñas (nucleones). Existen dos tipos, protones y neutrones. Ambas tienen prácticamente la misma masa, pero los protones tienen carga eléctrica positiva mientras que los neutrones no están cargados. El número de protones de un átomo se conoce como número atómico, y la suma de protones y neutrones como peso atómico. Así un átomo de cobalto 60 ( 60 Co) tiene número atómico 27 (27 protones) y peso atómico 60 (33 neutrones => 60 nucleones). La corteza está formada por electrones, que tienen una masa muy pequeña y carga eléctrica negativa. Estos se disponen alrededor del núcleo en distintas capas. La energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo depende de la capa en que esté situado. Graciela R. Vélez 1 Esp.I / III GEAN -2004

2 En un átomo neutro (carga eléctrica nula) existen igual número de protones que de electrones. Cuando en un átomo no es igual el número de electrones que de protones, éste está cargado eléctricamente, positiva o negativamente, y se denomina ión. Dos átomos de un mismo elemento tienen igual número de protones y electrones, y dos átomos de elementos distintos tienen distinto número de protones y de electrones. Dos átomos de un mismo elemento que tengan distinto número de neutrones tienen el mismo comportamiento químico (forman las mismas moléculas), ya que éste viene determinado por la corteza atómica, pero distintas propiedades físicas (densidad, radiactividad,...) y se denominan isótopos del mismo elemento. Radiación Electromagnética La radiación electromagnética es una propagación de energía a través del espacio sin necesidad de soporte material. Posee características típicas del movimiento ondulatorio, como la reflexión, la refracción o la difracción, y características propias del movimiento de partículas, como ocurre en el efecto fotoeléctrico o en el efecto Compton. Esto se conoce como la naturaleza dual (onda - partícula) de la radiación electromagnética. Las partículas componentes de la radiación electromagnética se denominan fotones. La relación entre la naturaleza ondulatoria y la corpuscular es: donde E es la energía de cada fotón, f la frecuencia de la onda asociada y h una constante universal. Todas las ondas, independientemente de su naturaleza, se caracterizan por su longitud de onda y su frecuencia. Del mismo modo el movimiento de una partícula se caracteriza por su energía cinética y su cantidad de movimiento. Al referirnos a la radiación electromagnética utilizaremos ambos conjuntos de magnitudes. Graciela R. Vélez 2 Esp.I / III GEAN -2004

3 La unidad de medida de la frecuencia es el hertzio (Hz) que es igual a un ciclo por segundo. La unidad de medida de la energía en la escala atómica es el electrón-voltio (ev) que es igual a la energía cinética adquirida por un electrón al ser acelerado en un campo eléctrico con una diferencia de potencial de un voltio. También se utilizan sus múltiplos kilo (mil) y mega (un millón). Por ejemplo.: 1 MeV = ev. Espectro Electromagnético Graciela R. Vélez 3 Esp.I / III GEAN -2004

4 Ionización y excitación Los electrones en un átomo tienden a ocupar las capas más cercanas al núcleo. Si por cualquier motivo los electrones pasan de su nivel fundamental a una capa más alejada se dice que le átomo se encuentra excitado. En esta situación los átomos no son estables, y tienden a volver a su estado fundamental (desexcitación), es decir los electrones tienden a caer a las capas más profundas. En este proceso pueden emitirse fotones de energía igual a la diferencia de energía entre las capas que salta el electrón. Cuanto más separadas estén las capas de mayor energía será el fotón emitido. Como existen muchas capas en la corteza atómica los fotones emitidos pueden ser de distintas energías. Si se suministra suficiente energía al electrón este puede alejarse tanto del núcleo que llegue a escapar de él, quedando el átomo cargado positivamente. Este proceso se conoce como ionización. Los electrones de las capas profundas (cercanas al núcleo) necesitan más energía para ser arrancados que los de las capas superficiales. Graciela R. Vélez 4 Esp.I / III GEAN -2004

5 Radiactividad La radiactividad es un fenómeno natural por el que algunos átomos se transforman en otros pudiéndose emitir en el proceso distintos tipos de radiaciones. Existen varios tipos de decaimiento nuclear, alfa (a), beta (ß) y gamma (?). Si consideramos una muestra de material radiactivo con un gran número de átomos, cada uno de ellos con una probabilidad de decaer radiactivamente, en cada instante se producirán varios decaimientos. El número de decaimientos radiactivos por unidad de tiempo se conoce como actividad de la muestra, y su unidad de medida es el bequerelio o bequerel (Bq) que equivale a un decaimiento por segundo. También se utiliza el curio o curie (Ci) que vale 3.7x10 10 Bq y equivale aproximadamente a la actividad de un gramo de radio 226. El tiempo necesario para que la actividad de una muestra de un determinado material radiactivo pase a ser la mitad se conoce como periodo de semidesintegración. Por ejemplo para el 60 Co tiene un valor de 5.27 años. Transcurridos dos periodos de semidesintegración la actividad habrá disminuido a la cuarta parte (la mitad de la mitad) de la inicial. Transcurridos tres periodos habrá disminuido a la octava parte y así sucesivamente. En el decaimiento a un núcleo pesado emite un núcleo de helio ( 4 He), llamado partícula a, y se transforma en un núcleo con 2 protones y 2 neutrones menos. Por ejemplo, el uranio ( 238 U) se transforma en torio ( 234 Th) con una vida media de 4,5 x 10 9 años. Lo hace por distintos caminos, siendo los principales 3 decaimientos a. Dos de los caminos conducen a un estado excitado del torio, decayendo a su vez al estado estable de distintas formas (por ejemplo mediante un proceso?). El 234 Th es a su vez inestable y decae con una vida media de 24,1 días. Se crea así una serie radiactiva que termina en el plomo ( 206 Pb). Existen 3 tipos de decaimiento ß, negativo, positivo y captura electrónica. En el primero de ellos un núcleo de número atómico Z y masa atómica A se transforma espontáneamente en otro núcleo con un protón más y un neutrón menos, emitiéndose un electrón en el proceso (rayos ß). Graciela R. Vélez 5 Esp.I / III GEAN -2004

6 Uno de los neutrones del núcleo emite un electrón y se transforma en un protón. Puede ocurrir también que uno de los protones se transforme en un neutrón emitiendo un positrón (electrón positivo), tenemos el decaimiento ß positivo. En la captura electrónica uno de los electrones de la corteza es capturado por el núcleo. Uno de los protones se transforma entonces en un neutrón. El hueco dejado por el electrón provoca al rellenarse una cascada de fotones (radiación característica). Por ejemplo el tritio (isótopo del hidrógeno 3 H) se transforma en helio ( 3 He) con una vida media de 12,35 años mediante una desintegración ß. En el decaimiento gamma un núcleo excitado decae al estado estable emitiendo fotones de alta energía (rayos?). Normalmente los núcleos se hallan excitados después de un proceso a o ß. Existen otros procesos que compiten con el decaimiento? para perder energía, como la emisión de electrones de la corteza (electrones Auger). Por ejemplo el cobalto ( 60 Co) se transforma espontáneamente en níquel ( 60 Ni) excitado. Éste a su vez se desexcita emitiendo un fotón de 1,17 MeV y otro de 1,33 MeV (que nos dan los 1,25 MeV de promedio). Graciela R. Vélez 6 Esp.I / III GEAN -2004

7 Ley del inverso del cuadrado de la distancia Cuanto más nos alejamos de una fuente de radiación menor es la intensidad. Si podemos considerar como puntual la fuente de radiación, es decir, de tamaño casi nulo, (p.e. si la distancia a ella es lo suficientemente grande) la intensidad de la radiación en un punto será inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de dicho punto a la fuente. Si se dobla la distancia a la fuente la intensidad se reduce cuatro veces. Si la distancia se multiplica por tres la intensidad se reduce a un octavo y así sucesivamente. Graciela R. Vélez 7 Esp.I / III GEAN -2004

8 Interacción de la radiación ionizante con la materia Cuando la radiación incide sobre un material se producen una serie de fenómenos que dependen de tipo de radiación (fotones, electrones, neutrones,...) de la energía con la que incide, del tipo de material y de su estado (densidad, estado físico,...). Si la energía de la radiación incidente es suficientemente elevada producirá ionización en el material, es decir, arrancará electrones a los átomos, que a su vez podrán seguir ionizando. Se habla así de radiación primaria (incidente) y secundaria (electrones arrancados). Gran parte de los efectos de la radiación ionizante (ionización, excitación, disociación de moléculas,...) se deben a la radiación secundaria. Interacción de los fotones con la materia Los fotones al atravesar la materia interaccionan tanto con los electrones como con los núcleos atómicos de manera que se va atenuando exponencialmente su número (intensidad de la radiación) conforme aumenta el espesor atravesado, pero sin llegar nunca a anularse. La atenuación por unidad de espesor depende de la energía de los fotones y del tipo de material (peso atómico, densidad electrónica, densidad). Capa hemirreductora y decimorreductora Para determinar el poder de penetración de un haz de fotones se utiliza el concepto de capa hemirreductora, que se define como el espesor de material necesario para reducir la intensidad de la radiación incidente a la mitad. Por tanto para un haz de fotones de una energía determinada la capa hemirreductora depende del material considerado. Por ejemplo, para los fotones de 1.25 MeV del 60 Co la capa hemirreductora en hormigón es 6.6cm y en plomo 1.24cm. De la misma forma se define el espesor decimorreductor o capa decimorreductora como el espesor de material que reduce a un décimo la intensidad de la radiación incidente. Graciela R. Vélez 8 Esp.I / III GEAN -2004

9 Tipos de interacciones Dependiendo del tipo de material y de la energía de los fotones incidentes tenderán a producirse unos procesos u otros. Para la radiación ionizante (E > 10 KeV) estos procesos son básicamente: Dispersión coherente o Thomson El fotón sólo se dispersa, no hay ionización ni excitación. Es importante a baja energía. Graciela R. Vélez 9 Esp.I / III GEAN -2004

10 Efecto fotoeléctrico El fotón es absorbido completamente, transmitiendo toda su energía cinética al material. No hay radiación dispersa. Alto contraste en la imagen radiológica. Dispersión Compton El fotón se dispersa pero cede parte de su energía. Deterioro del contraste radiológico (ruido de fondo). Radiación dispersa. Producción de pares El fotón desaparece, cediendo toda su energía. Se producen dos fotones secundarios. Se produce sólo a alta energía (> 15 MeV en agua). Graciela R. Vélez 10 Esp.I / III GEAN -2004

11 Reacciones nucleares Los fotones con energía superior a 10 MeV pueden inducir reacciones nucleares en la materia. A efectos prácticos esto significa que cuando se trabaja con esas energías habrá que considerar el efecto de los neutrones secundarios originados en dichas reacciones. En la siguiente gráfica se muestran las zonas donde es más probable que se produzca uno u otro proceso en función del tipo de material y de la energía de los fotones incidentes. La línea continua indica el agua, y las discontinuas el rango energético típico en radioterapia. Imaginemos un ejemplo de proceso de interacción de un fotón. Graciela R. Vélez 11 Esp.I / III GEAN -2004

12 Interacción de las partículas cargadas con la materia Las partículas cargadas, en particular los electrones, interactúan de una forma mucho más intensa con la materia que los fotones debido a su masa y a su carga eléctrica (interacciones coulombianas con los electrones y los núcleos del material). Cuando los electrones inciden contra un medio material pierden progresivamente su energía cinética a lo largo de la trayectoria debido a las sucesivas interacciones que van sufriendo con las partículas cargadas del medio (electrones y núcleos). Tipos de interacciones La interacción de un electrón en el medio material se denomina colisión y supone una transferencia de energía a la materia. Este es el origen último de todos los efectos producidos por las radiaciones ionizantes sobre la materia. Las colisiones se clasifican en elásticas, inelásticas y radiativas. Colisión elástica Sólo se produce una desviación de la trayectoria del electrón incidente y una pequeña cesión de energía. Colisión inelástica El electrón invierte parte de su energía en arrancar un electrón de la corteza atómica (ionizar) y cederle parte o toda su energía cinética. Puede ocurrir que el electrón incidente no ceda suficiente energía para provocar ionización pero si para excitar el átomo. Posteriormente el átomo se desexcitará. Tanto el electrón primario como el secundario podrán seguir ionizando y excitando otros átomos. Colisión radiativa Si el electrón incidente pasa lo suficientemente cerca de otro electrón de la corteza o del núcleo del átomo sufrirá una gran pérdida de energía cinética que se emite en forma de radiación electromagnética (fotones) que se denomina radiación de frenado. Como el electrón incidente podrá tener diferente energía cinética, ya que podrá venir de otras Graciela R. Vélez 12 Esp.I / III GEAN -2004

13 colisiones, y además la energía que pierda en esta colisión dependerá de la distancia a la que pase del núcleo, los fotones emitidos tendrán diferentes energías. Este fenómeno es la base física de la producción de rayos X donde se hace incidir un haz de electrones sobre un material de alto número atómico. Alcance La energía cinética de una partícula cargada que incide contra un medio material va disminuyendo progresivamente debido a las sucesivas interacciones que va sufriendo, hasta que prácticamente se anula y la partícula es absorbida. La trayectoria muy probablemente no será rectilínea. Cuando se considera un haz de electrones se puede definir el alcance como la profundidad máxima (en línea recta) que alcanzan. Existen otras definiciones como alcance terapéutico y alcance efectivo. El alcance depende de la energía de los electrones incidentes y del tipo de material. Se define la transferencia lineal de energía (LET) como la cantidad de energía cinética que pierde la partícula cargada por unidad de longitud. Interacción de los neutrones con la materia Los neutrones tienen masa muy superior a los electrones (~ 2000 veces) pero no están cargados, debido a esto recorren largas distancias antes de ser absorbidos (tienen un gran poder de penetración) al igual que los fotones. Además interaccionan fuertemente con los componentes del núcleo (protones y neutrones), lo que hace que la mayor parte de las sustancias irradiadas con neutrones se vuelvan radiactivas, sobre todo si los neutrones son de baja energía (térmicos). Graciela R. Vélez 13 Esp.I / III GEAN -2004

14 El efecto de los neutrones sobre la materia viva es muy importante, produciendo incluso más de 20 veces el daño que producen los fotones de la misma energía. El blindaje contra los neutrones tiene varias fases. Primero se tiene que disminuir su energía cinética mediante colisiones elásticas con átomos de hidrógeno (masa similar al neutrón). Los neutrones de baja energía deben hacerse reaccionar con átomos adecuados. Por último, la radiación resultante de las reacciones nucleares y de la radiactividad inducida (a, ß y?) debe frenarse utilizando materiales pesados. Por ejemplo, la puerta del recinto de un acelerador de electrones de alta energía contiene parafina (material hidrogenado) o madera y cadmio para los neutrones y plomo para los fotones. En las paredes el espesor de hormigón necesario para blindar los fotones es suficiente para frenar los neutrones. Graciela R. Vélez 14 Esp.I / III GEAN -2004

15 Radiación: magnitudes y unidades Para caracterizar de forma cualitativa y cuantitativa la radiación y sus efectos es necesario definir un conjunto de magnitudes con sus correspondientes unidades. Los organismos encargados de esta materia y cuyas recomendaciones son ampliamente aceptadas son la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, la Comisión Internacional en Unidades y Medidas de la Radiación (ICRU) y la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP). Magnitudes de uso general En Radioterapia, a la variación temporal de cualquier magnitud se llama tasa de dicha magnitud. Graciela R. Vélez 15 Esp.I / III GEAN -2004

16 La medida de la exposición se realiza con las cámaras de ionización, donde se mide la carga generada en un volumen de aire debido a la ionización generada por la radiación. La dosis absorbida es una magnitud puntual. Cuando se habla de dosis absorbida en un órgano o tumor nos referimos al valor promedio. En Radioterapia, la tasa de dosis absorbida suele llamarse Rendimiento. Graciela R. Vélez 16 Esp.I / III GEAN -2004

17 Graciela R. Vélez 17 Esp.I / III GEAN -2004

18 Graciela R. Vélez 18 Esp.I / III GEAN -2004

19 Magnitudes de uso en protección radiológica Los valores máximos recomendados de dosis equivalente son 20 msv/año (promediados en 5 años) para personal profesionalmente expuesto y 1 msv/año para el público. [Ver ICRP 60]. Graciela R. Vélez 19 Esp.I / III GEAN -2004

20 Graciela R. Vélez 20 Esp.I / III GEAN -2004

21 Fuentes (equipos) de radioterapia externa En radioterapia externa se han utilizado a lo largo de los años distintas fuentes de radiación. Equipos de RX, unidades de Cs-137, unidades de Co-60, ciclotrones y aceleradores lineales. Nos ocuparemos de los que se usan habitualmente en la actualidad. Equipos de Rayos X para terapia Los equipos de rayos X de terapia fueron los primeros aparatos utilizados en radioterapia. Se muestra en la figura el esquema fundamental de un aparato de rayos X de terapia. A partir de una tensión baja, y por medio de un transformador, se genera una alta tensión que se aplica a un tubo de cristal donde existe vacío. Uno de los electrodos en el tubo es en realidad un filamento que puede calentarse independientemente (cátodo), de forma que genera electrones. Estos electrones son acelerados por el alto voltaje y se hacen chocar contra un blanco de alto número atómico (normalmente wolframio) que se encuentra en el otro electrodo (ánodo). La energía cinética de los electrones que se frenan es cedida a fotones de rayos X (radiación de frenado). Aparece además radiación característica del wolframio. Ésta es debida a los electrones de capas profundas que son arrancados. Los huecos que dejan son llenados por electrones de otras capas, de forma que se emite un fotón de exactamente la energía entre los dos niveles electrónicos implicados. Luego el espectro de los fotones es continuo, salvo la radiación característica, yendo desde muy baja energía hasta la energía máxima, que se corresponde con el potencial de aceleración. Así, si aplicamos un potencial de 100 kv, se producirán fotones desde 0 hasta 100 kev. Para aumentar la dureza de la radiación, es decir su capacidad de penetración, es necesario retirar los fotones de baja energía. Esto se consigue filtrando el haz con láminas de algún metal. Graciela R. Vélez 21 Esp.I / III GEAN -2004

22 En el dibujo se muestra un esquema de un tubo de rayos X. Se aprecia que el ánodo es de gran tamaño para que pueda evacuar el abundante calor que se genera (el 99% de la energía de los electrones acelerados). Es necesario utilizar un circuito de refrigeración (usualmente de aceite). Debido a su baja energía (hasta 400 kv) los rayos X así producidos tienen escaso poder de penetración. Por lo tanto para irradiar un volumen profundo es necesario utilizar muchos haces para evitar sobredosificar la piel. Otra consecuencia de la baja energía es la imposibilidad de utilizar cámaras monitoras, con lo que la salida es inestable, llegando al % de fluctuación. Con la invención de las unidades de Co-60 y posteriormente de los aceleradores lineales de electrones su uso se vio muy reducido. Hoy día su utilización, de hacerse, queda restringida a lesiones superficiales, pero estos tratamientos pueden realizarse en mejores condiciones con haces de electrones. Unidad de 60 Co Con la construcción de reactores nucleares de alto flujo de neutrones fue posible la fabricación de fuentes de isótopos artificiales de alta actividad y tamaño reducido. Se utilizó durante algún tiempo el Cs-137 (cesio) pero el mejor resultado lo tuvieron las unidades de Co-60. El Co-60 se obtiene por bombardeo con neutrones a partir del Co-59. Su esquema de decaimiento es el siguiente: Un átomo de Co-60 tiene una probabilidad conocida de sufrir un decaimiento ß consistente en la transformación de uno de los neutrones de su núcleo en un protón, emitiendo en el proceso un electrón que es absorbido en la propia fuente, que lo lleva a ser un átomo de Ni- 60 excitado. La energía de excitación es cedida mediante un decaimiento? consistente en la emisión de un fotón de 1,33 MeV y otro de 1,17 MeV (de media dos fotones de 1,25 MeV) para llevar al átomo de níquel a un estado estable. Graciela R. Vélez 22 Esp.I / III GEAN -2004

23 La vida media (tiempo que tarda la actividad en reducirse a la mitad) para el Co-60 tiene un valor de 5,27 años. Lo que significa que para tener una calidad aceptable en los tratamientos es necesario sustituirla cada cierto tiempo. En las unidades de tratamiento se instala una fuente de cobalto 60, la cual tiene dos posibles estados, según esté en el interior del blindaje en la posición de reposo (OFF) o alineada con los colimadores en la posición de irradiación (ON). En el siguiente dibujo se muestra el cabezal de una unidad Theratron 80 cuyo sistema de montaje de fuente es de los más populares: en el extremo de un cilindro (drawer) capaz de moverse en el interior de un cabezal blindado, y en el extremo opuesto del cilindro se sitúa una lámpara que sirve para simular el campo de radiación. El movimiento del cilindro se consigue con un sistema hidráulico. Este sistema también es usado por el equipo TERADI 800, de fabricación nacional (INVAP S.E.). En la siguiente figura puede apreciarse una vista de una máquina Theratron 80 y se destacan los distintos movimientos que pueden realizarse con ella. Graciela R. Vélez 23 Esp.I / III GEAN -2004

24 El punto donde se cruzan el eje de giro del brazo con el eje de giro del colimador y con el eje de giro de la mesa se denomina isocentro. En las unidades de Co-60 suele estar a 80 cm de la fuente. Se tiene así una unidad isocéntrica. Si colocamos el isocentro dentro del volumen a irradiar giremos hacia donde giremos siempre estaremos apuntado al isocentro. La única complicación técnica que presentas estas unidades consiste en mover un peso cercano a la tonelada con precisión milimétrica. Esto explica su éxito. Acelerador lineal de electrones A partir de 1940 se empezaron a construir distintos aceleradores de electrones (betatrón, ciclotrón, microtrón, acelerador lineal). En 1962 Varian introduce el primer acelerador lineal (AL) de uso clínico isocéntrico y completamente rotable. Hoy en día los aceleradores lineales son capaces de generar haces de fotones y de electrones de varias energías, con lo cual pueden cubrir todas las necesidades de radioterapia externa. Hay que unir además una gran cantidad de accesorios, como colimadores asimétricos y multiláminas, dispositivos de imagen portal, cuñas dinámicas, aplicadores para radiocirugía, etc. Por todo esto son máquinas que requieren gran preparación y mucho tiempo, tanto para la puesta en marcha como para el programa de garantía de calidad y el mantenimiento. En un AL los electrones se generan en un cátodo incandescente, son acelerados hasta un cuarto de la velocidad de la luz en el cañón mediante la aplicación de un campo eléctrico pulsado. Entonces se introducen en la guía de ondas que forma la estructura aceleradora y en donde existe un campo electromagnético de alta frecuencia y alta potencia. Se crean pequeños paquetes y se aceleran hasta el 99 % de la velocidad de la luz. Estos electrones acelerados pueden utilizarse directamente o bien frenarlos haciéndolos chocar contra un blanco de material pesado para que cedan su energía cinética en forma de fotones de rayos X. Con este sistema pueden alcanzarse energías muy altas. En la utilización clínica son del orden de la decena de MeV (? 100 veces mayor que los equipos de rayos X y 10 veces mayor que los rayos? del Co-60). En la siguiente figura se muestran los componentes básicos de un acelerador lineal Graciela R. Vélez 24 Esp.I / III GEAN -2004

25 El armario o estativo se encuentra normalmente dentro de la sala de tratamiento. En él se encuentra una fuente de alto voltaje y un modulador de pulsos que a partir de la corriente alterna de la red general crean pulsos cuadrados de alto voltaje. Estos pulsos alimentan el klystron o el magnetrón y el cañón de electrones. El klystron (cuyo nombre proviene del griego y significa oleaje de electrones) es un amplificador de potencia de alta frecuencia, es decir, recibe a la entrada ondas electromagnéticas de alta frecuencia (microondas) y baja potencia (400 W) y da a la salida microondas de alta potencia (7 MW). Graciela R. Vélez 25 Esp.I / III GEAN -2004

26 El magnetrón (cuyo nombre proviene de unir magneto y electrón) es un oscilador que produce microondas de alta potencia (3 MW). El magnetrón presenta las desventajas de su menor potencia y duración pero a cambio es más económico y necesita un voltaje y un aislamiento menor. El cañón produce electrones y los acelera antes de introducirlos en la guía aceleradora. En el cátodo se producen electrones por calentamiento (efecto termoiónico) que son acelerados hacia el ánodo. Mediante la rejilla se consigue variar la corriente de una manera rápida y precisa. Los electrones producidos en el cañón son acelerados en la guía de ondas principal por las microondas producidas en el klystron. La guía aceleradora está dividida en cavidades de resonancia. El campo eléctrico oscila (valor positivo -> cero -> valor negativo > cero -> valor positivo...) en cada cavidad con la frecuencia de las microondas producidas por el klystron. Los electrones son inyectados formando pequeños paquetes en fase, es decir, encuentran en cada cavidad el campo a favor, de forma que van siendo acelerados a lo largo de la guía. Esto se esquematiza en la siguiente figura. Graciela R. Vélez 26 Esp.I / III GEAN -2004

27 Es necesario que exista un alto vacío en el interior de la guía, así que es necesario el funcionamiento continuo de bombas de extracción físicas e iónicas. Para conseguir rayos X de alta energía (mayor que 6 MV) son necesarias guías de uno o dos metros de longitud, por lo que para construir una máquina isocéntrica es necesario girar el haz 90º (o 270º) antes de enviarlo a la ventana de salida. Esto hace que el cabezal aumente de tamaño, con lo que se aumenta la altura del isocentro desde el suelo. La figura muestra un dispositivo de curvatura de electrones compuesto por tres electroimanes. Los electrones con más energía describen la órbita más grande que los de menos energía. Se utiliza una rendija para reducir el espectro de energía de los electrones (los que tengan mucha o poca energía no pasarán por la rendija). En el cabezal se incluyen los sistemas de colimación, estabilización y monitorización del haz. La guía y el cabezal están blindados con plomo para reducir la radiación de fuga. A la salida de los electrones del electroimán de curvatura se encuentra el blanco retráctil para la producción de rayos X. Más adelante están la lámina dispersora y el filtro aplanador montados sobre un carrusel que permite situar una u otro según se tenga un haz de electrones o de fotones. A continuación se encuentra la cámara de ionización monitora que muestrea la salida permitiendo estabilizar el haz. Por último se encuentran los colimadores y los dispositivos ópticos de distancia y simulación de campo Graciela R. Vélez 27 Esp.I / III GEAN -2004

28 En la siguiente figura se muestra el cabezal en el caso de un tratamiento con electrones. El blanco de wolframio se retrae, de manera que los electrones salen sin impedimento de la guía. El carrusel se coloca de forma que la lámina dispersora quede en el camino del haz. Los colimadores secundarios se colocan en una posición fija que depende de la energía y del aplicador elegidos. La cámara monitora muestrea a cada momento el haz y realimenta la salida para aumentar la estabilidad. Es decir, si la señal aumenta por encima de un valor dado, esta cámara lo detecta y hace que el acelerador disminuya la salida (disminuye la intensidad de electrones que circulan por la guía). De la misma forma, si la salida disminuye por debajo de otro valor determinado la cámara envía el mensaje de que se aumente la salida. La cámara monitora está formada por cuatro cámaras de ionización planas agrupadas por parejas. De esta forma se controla la salida total por duplicado (sumando las señales C1 + C2 y C3 + C4), y la simetría y homogeneidad del haz tanto en la dirección radial como en la transversal del haz (considerando las señales independientemente). Si tanto la salida total como la simetría y homogeneidad no son las correctas durante un tiempo determinado el acelerador detiene su funcionamiento. Esta es otra característica que Graciela R. Vélez 28 Esp.I / III GEAN -2004

29 pone de manifiesto la superioridad de los aceleradores lineales, el aumento de la seguridad proporcionado por la gran cantidad de controles. En la siguiente figura se muestra una imagen completa de un acelerador lineal de electrones de uso clínico. Graciela R. Vélez 29 Esp.I / III GEAN -2004

30 Características de los haces de fotones de radioterapia externa Porcentaje de la dosis en función de la profundidad Los efectos de los haces de fotones sobre la materia se deben principalmente a los electrones secundarios que generan. Así la distribución de energía en los tejidos (dosis absorbida) depende básicamente de estos electrones secundarios y en mucha menor medida de la radiación primaria (fotones). Los electrones secundarios se generan con diferentes energías, pero la energía máxima y su alcance depende de la energía de los fotones incidentes. Los electrones secundarios no tienen porqué depositar toda su energía en el punto donde son generados. Consideremos las primeras capas de tejido. Los fotones generan electrones de distintas energías que se frenan (depositan su energía) a distintas profundidades. A una determinada profundidad el número de electrones que se frenan, y por tanto la dosis absorbida, alcanza el máximo. Se dice que se ha alcanzado el equilibrio electrónico, es decir, a esa profundidad el número de electrones que se frenan y ceden su energía es igual al número de electrones que se generan. La profundidad del máximo aumenta con la energía de los fotones incidentes. Como conforme aumenta la profundidad el número de fotones va disminuyendo, y por tanto también va disminuyendo el número de electrones secundarios, a partir del máximo la dosis cada vez es menor. P.e.: el máximo de dosis para rayos X de terapia superficial se encuentra en la superficie, para el Co60 a 5 mm de profundidad y para los rayos X de 18 MV de un acelerador lineal alrededor de 3 cm. Graciela R. Vélez 30 Esp.I / III GEAN -2004

31 En las irradiaciones con fotones de alta energía el máximo de dosis se encuentra por debajo de la superficie, esto hace que la dosis en la piel sólo sea una fracción de la dosis en dicho máximo, de forma que se infradosifica. En los casos en que no se quiera esta reducción de dosis se deberán colocar bolus de forma que el máximo ocurra cerca de la piel. La infradosificación de la piel se reduce en el caso de utilizar máscaras de inmovilización u otro material que haga el efecto del bolus, como las escayolas. El caso más drástico ocurre al tener metal cerca o en contacto con piel (bandejas de moldes o colimadores demasiado cerca, tubos traqueales, prótesis dentales) ya que la radiación arranca numerosos electrones del metal debido al aumento del efecto fotoeléctrico. También se reduce la infradosificación de la piel cuando la radiación no incide perpendicularmente. Si la radiación incide tangente a la piel, el máximo ocurre virtualmente en la superficie. Graciela R. Vélez 31 Esp.I / III GEAN -2004

32 Cuanto mayor es la energía de los fotones más profundo es el máximo y menor es la dosis en la superficie. La dosis en cada punto es debida tanto a la radiación primaria como a la dispersa. Cuando no existe medio dispersor más allá del punto en cuestión, como a la salida del haz del cuerpo irradiado, la dosis es menor que la estimada con las tablas estándar (del orden del 6% para Co-60, y mayor para alta energía). Dosis en puntos fuera del eje La manera habitual de presentar la dosis en puntos fuera del eje es con los perfiles de dosis, es decir, gráficos de dosis frente a distancia al eje a distintas profundidades. La forma determinada de estos perfiles depende de la energía de la radiaradiación, profundidad, tamaño de campo, distancia fuente superficie (DFS), tamaño de la fuente, etc. Graciela R. Vélez 32 Esp.I / III GEAN -2004

33 Pueden distinguirse tres regiones si nos movemos desde el eje hacia fuera. Primero hay una región ancha donde la dosis se mantiene casi constante (aumenta o disminuye poco) en esta zona toda la fuente está contribuyendo a la dosis. Después hay una disminución rápida de la dosis (penumbra), en esta zona sólo una parte de la fuente está contribuyendo a la dosis. Por último hay una disminución gradual de la dosis (sombra), esta zona no recibe radiación primaria excepto una pequeña parte a través de los colimadores (< 1%). La dosis aquí es debida básicamente a la radiación dispersa. El tamaño de la penumbra depende del tamaño de la fuente (mayor tamaño de la fuente => mayor penumbra) y de las distancias de la fuente y del colimador a la superficie (mayor DFS => menor penumbra, mayor DCS => mayor penumbra), penumbra geométrica, y de la energía de los fotones. A menor energía mayor dispersión y mayor penumbra. Así una unidad de Co-60 tiene mucha más penumbra que un AL debido a la menor energía y al mayor tamaño de la fuente (2 cm frente a 1 mm), aunque la DFS sea por lo general menor (80 cm frente a 100 cm). Una manera de reducir esta penumbra es utilizar trimmers, es decir, colimadores más cercanos a la piel. Es muy importante que el tamaño del campo de tratamiento sea lo suficientemente grande como para que la zona de penumbra quede fuera del volumen a tratar. La variación de la dosis en la región central es debida a dos razones. Por un lado los puntos conforme se alejan del eje se alejan también de la fuente, y por tanto la dosis debida a radiación primaria disminuye (inverso del cuadrado de la distancia). Esta disminución es mayor cuanto menor es la DFS. Además el centro recibe más radiación dispersa que los extremos. Por otro lado en la producción de rayos X, éstos no abandonan la fuente con igual intensidad en todas direcciones. En alta energía (AL) los fotones tienden a salir en la misma dirección de incidencia de los electrones, cayendo rápidamente en otras direcciones. Para evitar esto se utilizan filtros aplanadores colocados cerca del blanco que atenúan el haz de manera no uniforme (más en el centro que en los bordes). Graciela R. Vélez 33 Esp.I / III GEAN -2004

34 Se busca aplanar el haz a una profundidad de interés clínico (p.e. 10 cm) pero esto da lugar a que a menor profundidad se formen cuernos en el haz, que van disminuyendo conforme aumenta la profundidad. Los perfiles se ven muy afectados por la dispersión en los colimadores y en el tejido. El centro del haz siempre recibe más radiación dispersa de los colimadores que los extremos salvo que éstos estén muy cerca o en contacto (RX de terapia superficial) donde puede ocurrir lo contrario. Así en el centro la dosis es mayor que en los extremos, pero puede compensarse con los cuernos producidos por el filtro aplanador. La dispersión en el tejido aumenta con la profundidad y con el tamaño del campo, de forma que los perfiles tienden a redondearse al aumentar la profundidad y aumentar el tamaño del campo. Como los fotones cuanto más energía tienen sufren menos dispersión los perfiles de haces de baja energía son más redondeados que los de alta energía. Definición del tamaño de campo El límite del campo de radiación se define como los puntos a la profundidad dmáx donde la dosis es el 50% de la dosis en el eje central a la profundidad del máximo. Por tanto los límites del campo caen en la zona de penumbra, que se define como la zona que va del 80% al 20%. La región de sombra, fuera del campo, puede parecer de menor importancia al ser la dosis inferior al 20 % del máximo, sin embargo puede ser de gran importancia si existen órganos de riesgo cerca del límite del campo. El tamaño de campo de radiación se indica con la luz de simulación. Curvas de isodosis Son líneas (superficies en 3D) que unen puntos de igual dosis en un plano de interés. Habitualmente se representan en algún plano paralelo al haz y que pase por su eje. Otros planos de interés son los que no pasan por el eje pero son paralelos a él. A veces también se representan en planos paralelos a la superficie a alguna profundidad. Estas dos últimas representaciones son importantes para visualizar el aspecto tridimensional de la distribución de dosis. Un conjunto de curvas de isodosis se denomina distribución de dosis. El valor asignado a cada curva de isodosis puede ser un valor cuantitativo en Gy o cgy, o más a menudo, un Graciela R. Vélez 34 Esp.I / III GEAN -2004

35 porcentaje con respecto a un valor de referencia. Normalmente el punto de referencia está a profundidad dmáx y en el eje o en el isocentro. En este caso el punto de referencia (100 %) se encuentra en el cruce de los tres haces. Graciela R. Vélez 35 Esp.I / III GEAN -2004

36 Características de los haces de electrones Rango Hay una gran diferencia entre la absorción de fotones y la de electrones. Cuando un haz de fotones incide sobre un medio absorbente los fotones penetran a todas las profundidades, aunque el número va disminuye siempre queda alguno. Por otra parte los electrones penetran sólo hasta cierta profundidad, es decir, tienen un rango máximo. Las ventajas del uso de haces de electrones son obvias si se considera el tratamiento de un volumen a una profundidad determinada con un órgano de riesgo inmediatamente debajo. Una fórmula empírica para el cálculo del rango máximo es donde R es el rango en centímetros en agua o tejido blando y E0 es la energía de los electrones en MeV a la entrada. La dosis en profundidad cae rápidamente más allá del 80% del máximo, por eso es necesario incluir el volumen dentro del 85% - 90%. Dicha isodosis define el rango terapéutico. Aproximadamente Dosis en la piel y profundidad del máximo Conforme aumenta la energía de los electrones y el tamaño del campo la dosis en piel aumenta, el máximo se acerca a la superficie y el rango terapéutico aumenta. Para un campo pequeño (6x6 cm) de 6 MeV la dosis en piel es aproximadamente del 70%, mientras que para un campo grande (20x20 cm) está sobre el 80%. Para electrones de 20 MeV puede estar comprendida entre el 85% y el 95%. La profundidad del máximo (dmáx) aumenta con la energía, pero no de una manera directa. P.e. para el Clinac 2100C y 6 MeV ocurre a 1.4 cm, 12 MeV a 2.8 cm, 16 MeV a 3.2 cm y 20 MeV a 2.0 cm. El hecho de que a alta energía el máximo se acerque a la superficie es debido a la lámina dispersora que se coloca a la salida del haz de la máquina. Esta lámina es necesaria ya que el haz emerge muy estrecho y es necesario ensancharlo, pero esto ensancha también el espectro de energía del haz. Curvas de dosis en profundidad Las gráficas muestran la dosis en profundidad para el Clinac 2100C Graciela R. Vélez 36 Esp.I / III GEAN -2004

37 Obsérvese la variación de la dosis en superficie al variar el tamaño de campo, la caída de la dosis más allá del 80% y el hecho de que la dosis no llega a caer a cero, si no que se mantiene en un porcentaje muy pequeño decayendo lentamente. Esto último (la cola) es debido a la radiación de frenado producida por el haz de electrones. Curvas de isodosis Las figuras muestran distribuciones de isodosis en el eje. Se indica el tamaño del campo. Nótese la deformación de la distribución hacia los lados. Esto debe tenerse en cuenta sobre todo cuando existen campos adyacentes. Nótese también que las curvas para baja energía son más planas que para alta energía. Es importante también observar que en los bordes la dosis cae con menos pendiente para baja energía que para alta, es decir, la penumbra es mayor (esto se representa con las líneas de isodosis más separadas en baja energía). Es debido a la colimación última (aplicador de electrones) que dispersa más los electrones de baja energía. Este efecto se hace más Graciela R. Vélez 37 Esp.I / III GEAN -2004

38 importante, y la penumbra mayor, cuando aumenta la distancia colimador piel (DCP), por esta razón se recomienda utilizar sólo la DCP para la que han sido diseñados los colimadores. Inhomogeneidades en el tejido Hasta ahora se ha supuesto que los haces de electrones incidían sobre agua (aproximadamente músculo). La manera más sencilla de tener en cuenta las inhomogeneidades (aire o hueso fundamentalmente) es con el espesor equivalente. Como los electrones del haz interaccionan con los electrones del medio puede decirse que dos materiales con la misma densidad de electrones (número de electrones por centímetro cúbico) son equivalentes. De la misma forma puede decirse que el espesor equivalente a agua de material para la interacción con electrones es proporcional al cociente de su densidad de electrones con respecto a la del agua. Puede calcularse el espesor equivalente y utilizar las tablas para agua. Graciela R. Vélez 38 Esp.I / III GEAN -2004

39 Dosimetría de técnicas sencillas Interpretación de los datos de las unidades de tratamiento Para cada máquina de tratamiento y cada energía se tiene un conjunto de tablas que suministran los parámetros dosimétricos relevantes bajo determinadas condiciones clínicas. Éstas son preparadas por un radiofísico a partir de las calibraciones y otras medidas. El problema fundamental consiste en conocer la tasa de dosis en cualquier punto del medio irradiado (normalmente agua, por similitud con el cuerpo humano). De esta forma al prescribir una dosis en un determinado punto podemos calcular el tiempo de irradiación y la dosis en otros puntos de interés. Partiendo de un punto de referencia (con unas determinadas condiciones de referencia, tamaño de campo, distancia fuente superficie, profundidad, etc.) donde conocemos la tasa de dosis, y dependiendo de la técnica de irradiación, pasamos a calcular la tasa de dosis en otros puntos teniendo en cuenta la diferencia entre las condiciones reales de irradiación y las condiciones de referencia (tamaño del campo, profundidad, DFS, utilización de bandejas, cuñas,...). Esto se consigue multiplicado la tasa de dosis de referencia por un conjunto de factores. Factor de calibración Llamamos factor de calibración a la tasa de dosis en el punto de referencia. Las unidades de baja energía pueden calibrarse en aire. Para ello se utiliza una cámara de ionización con una caperuza que suministre el espesor necesario para conseguir equilibrio electrónico. Para alta energía no es recomendable calibrar en aire y se hace en agua. Graciela R. Vélez 39 Esp.I / III GEAN -2004

40 En las unidades de Co-60 la tasa de dosis no varía durante el tiempo que dura una irradiación típica. Por eso para el factor de calibración se utiliza como unidad cgy/min. Por supuesto que la tasa de dosis va decayendo conforme pasa el tiempo (aproximadamente un 1% cada mes). Sin embargo en los aceleradores lineales la radiación de salida varía debido a la compleja circuitería que utilizan. Para estabilizar dicha salida y poder medirla se utiliza una cámara de ionización plana que se coloca en la cabeza en el camino del haz (cámara monitora) que va integrándola a lo largo del tiempo. Se define así la unidad de monitor (u.m). como una determinada ionización recogida por esta cámara, sin importar el tiempo exacto que se tarda en recogerla. Así la unidad utilizada para la tasa de dosis es cgy/um. De esta forma 100 um (que equivaldrían a p.e. 100 cgy en el máximo) pueden ser 30 o 32 segundos. En los generadores de rayos X de terapia superficial, dada su baja energía, no puede utilizarse una cámara monitora, de manera que no es posible conocer la salida de estas máquinas con precisión. Factor de retrodispersión Cuando se utilizan fotones de baja energía (hasta Co-60) se puede calibrar la máquina determinando la tasa de dosis en aire en vez de en agua con un determinado tamaño de campo y a una determinada distancia. Se utiliza entonces el factor de retrodispersión para pasar de la tasa de dosis en aire a la distancia de referencia a la tasa de dosis en agua a la misma distancia (a la profundidad del máximo). En el factor de retrodispesión tenemos en cuenta que la dosis en el máximo (muy cercano a la superficie) es debida a la radiación primaria que llega directamente de la fuente y la retrodispersada por el agua. El factor de retrodispersión depende de la energía del haz de fotones y del tamaño del campo, pero es prácticamente independiente de la DFS. Graciela R. Vélez 40 Esp.I / III GEAN -2004

41 Factor de campo El factor de campo o factor de área se define como la tasa de dosis en agua a la profundidad de referencia para un tamaño de campo dado dividida por la tasa de dosis en agua en el mismo punto a la misma profundidad para el tamaño de campo de referencia (10 x 10 cm2). Se puede tener en cuenta así la variación en la salida al variar el tamaño de campo. En las siguientes figuras se muestra la manera de determinar experimentalmente el factor de área y una gráfica que muestra la variación de éste con el tamaño del campo. El factor de campo depende básicamente de la energía del haz. La variación en su valor (la pendiente de la curva) es mayor para campos pequeños que para grandes. Es decir, una pequeña modificación en un campo pequeño produce un gran cambio en el tiempo de tratamiento para suministrar una misma dosis, sin embargo una variación mayor en un campo grande no produce modificación en el tiempo de tratamiento. Por supuesto para un campo de 10x10 cm (referencia) el factor de área es la unidad. El factor de campo se compone a su vez de dos factores, el factor de dispersión del colimador (Fcol) y el factor de dispersión del maniquí (Fman). El primero se define como el cociente entre la tasa de dosis en aire de un determinado campo y la tasa de dosis en aire del campo de referencia y tiene en cuenta la variación en la salida producida al variar la apertura de los colimadores. El segundo se define como el cociente entre la tasa de dosis en agua para un campo dado y a la profundidad de referencia y la tasa de dosis a la misma profundidad para el tamaño de campo de referencia pero sin variar la apertura de los colimadores. Se divide así la radiación dispersa en dos componentes, la producida en el cabezal y la producida en el medio irradiado. El factor de área y el de colimador pueden determinarse experimentalmente, y a partir de estas medidas puede obtenerse el factor de maniquí. Graciela R. Vélez 41 Esp.I / III GEAN -2004

42 En la figura se muestra la manera de determinar experimentalmente el factor de dispersión del colimador. Para haces de fotones donde pueda determinarse el factor de retrodispersión (FRD) de manera precisa el factor de maniquí puede obtenerse como el cociente entre el FRD para el tamaño de campo dado (r) y el FRD para el campo de referencia (rref = 10 x 10 cm2 ). Porcentaje de dosis en profundidad Este factor expresa la relación entre la tasa de dosis a una profundidad determinada y la tasa de dosis a la profundidad de referencia. Las siguientes figuras muestran la manera de medir experimentalmente el PDP y una representación gráfica del PDP frente a la profundidad para RX de dos energías distintas de un Clinac2100 de Varian. Graciela R. Vélez 42 Esp.I / III GEAN -2004