Basado en: Chapter 3: Radiation Dosimeters. Review of Radiation Oncology Physics:  A Handbook for Teachers and Students

Dosimetría física. Detectores de radiación más usados en radioterapia

Objetivo:

Familiarizar al estudiante con los tipos y propiedades más importantes de los dosímetros usados en radioterapia

• Introducción• Propiedades de los dosímetros• Cámaras de ionización• Dosimetría fílmica• Dosimetría luminiscente• Dosimetros semiconductores• Otros sistemas dosimétricos• Los estándares primarios y la trazabilidad• Resumen comparativo

Contenido:

1925:  Primer Congreso Internacional de Radiología en Londres. Fundación de la “Comisión Internacional sobre unidades de radiación y su medida” (ICRU) 

1928:  Segundo Congreso de Radiología en Estocolmo. Definición del “Roentgen” para identificar la intensidad de la radiación mediante el número de pares de iones formados en aire. 

1937:  Quinto Congreso Internacional de Radiología en Chicago.  Nueva definición del “Roentgen” como unidad de la magnitud “exposición” 

Desarrollo histórico de la dosimetría. Hechos relevantes

• Exposición es el cociente de Q entre m donde– Q es la suma de las cargas eléctricas de todos los iones del mismo signo producidas en aire, liberadas por fotones en un elemento de volumen de aire y frenadas completamente en aire

–m es la masa del elemento de volumen de aire–La unidad especial de exposición es el roentgen (R).–Sólo es aplicable a fotones de energías por debajo de los 3 MeV,

–Y sólo para las interacciones entre estos fotones y el aire.

• 1 R es la carga de cualquier signo de 2.58 ×10‐4 C producida en 1 kg de aire.

Definición de Exposición y Roentgen

1950: Definición de la magnitud dosimétrica

dosis absorbida

como la energía aborbida por unidad de masa. El rad es la unidad especial de dosis absorbida :

1 rad = 0.01 J/kg    

1975: Definición de la nueva unidad del SI, Gray (Gy) para la magnitud dosis absorbida :

1 Gy = 1 J/kg = 100 rad

Desarrollo histórico de la dosimetría

Definimos eV como la energía adquirida por el e‐ al atravesar un campo eléctrico de 1 V

Como la carga del electrón (e) = 1,602x10-19 C

1electrón‐volt (eV) = e x 1V = 1,602x10‐19 C x 1 V = 1,602x10‐19 J.

1MeV = 1,602x10‐13 J .

UNIDADES Y CANTIDADES ESPECIALESMuy utilizadas en radiología y radioterapia

1 volt

CANTIDADES VINCULADAS AL HAZ DE RADIACION

fluencia o flujo de partículas = Nº partículas / área

da

dN

fluencia o flujo de energía = energía / área (parahaces monoenergéticos de energía = h. ) da

dN

tasa de fluencia = Nº de fotones / área / tiempo dt

d

tasa de fluencia de energía =  energía/ área/ tiempodt

d

a = área perpendicularal eje del haz

a

Magnitudes y Unidades Radiológicas

Dosis absorbida (D) = energía absorbida dela radiación ionizantepor unidad de masa

Kerma (K)                   = energía transferida por la radiación indirectamente ionizante a partículas cargadas por unidad de masa

gray (Gy) 1 Gy = 1 J/Kg

MAGNITUD UNIDAD

gray (Gy) 

Exposición (X) = carga liberada por laradiación ionizante porunidad de masa de aire.

Actividad (A) = número dedesintegraciones porunidad de tiempo

MAGNITUD UNIDAD

C.kg‐1 *

Magnitudes y Unidades Radiológicas 

becquerel (Bq) 1Bq = 1s‐1

Requerimientos generales de los dosímetros

• Un dosímetro es un dispositivo que mide directa o indirectamente– exposición– kerma– Dosis absorbida– Dosis equivalente u– otra magnitud relacionada

• Al dosímetro junto a su lector se le llama: sistemadosimétrico.

Un dosímetro útil tiene las siguientes propiedades :

• Alta exactitud y precisión• Linearidad de la señal con la dosis en un rango amplio• Pequeña dependencia con la dosis y con la tasa de dosis• Respuesta plana con la energía• Pequeña dependencia direccional• Alta resolución espacial• Amplio rango dinámico

Requerimientos generales de los dosímetros

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

Exactitud especifica la proximidad del valor medio a la medidad del valor verdadero.

Precisión especifica el grado de reproducibilidad de la medición.

Nota:Alta precisión es equivalente a unapequeña desviación estándard

Ejemplos para el uso de precisión y exactitud

alta precisión alta precisión baja precisión baja precisiónalta exactitud baja exactitud alta exactitud baja exactitud

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

Nota: La exactitud y precisión asociadas a unamedición son frecuentemente expresadasen términos de su

incertidumbre

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

Definición formal de incertidumbre :

Incertidumbre es un parámetro asociado con el resultado de la medición. Caracteriza la dispersión del valor que puederazonablemente achacarse al mesurando.

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

• Incertidumbre estándar :es la incertidumbre del resultado expresada comodesviación estándard

• Incertidumbre estándar Tipo Ase evalua mediante un análisis estadístico de una seriede observaciones.

• Incertidumbre estándar Tipo B se evalua por métodos diferentes al análisis estadístico.

Esta clasificación es sólo por conveniencia. No significa que hay diferencia entre la naturaleza de las incertidumbres tales comoaleatorias o sistemáticas

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

Incertidumbre combinada: Normalmente tiene varios componentes.

Ejemplo: Determinación de la dosis absorbida en agua Dw,Qen un haz de radiación de calidad Q mediante unacámara de ionización

0

w, ,w,Q Q D Q QD M N k

donde MQ es la carga medidaND,w es el factor de calibraciónkQ es el factor de corrección por calidad del haz

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

Incertidumbre combinada (ejemplo cont):

La incertidumbre de la carga MQ puede ser evaluada poranálisis estadístico de una serie de observaciones la incetidumbre de MQ es del tipo A.

La incertidumbre de ND,w y kQ serán del tipo B.

La incertidumbre combinada, uC, de la dosis absorbidaDw,Q es la suma cuadrádita de las incertidumbres del tipo A y del tipo B :

0

2 2 2C w, A B ,w, B( ) ( ) ( ) Q Q D Q Qu D u M u N u k

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

• La lectura del dosímetro debe ser linealmenteproporcional a la magnitud dosimétrica

• Después de cierto rango normalmente ocurreuna no‐linealidad.

• Este efecto depende del tipo de dosímetro.

Linearidad

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

Caso A:• linealidad• supralinealidad• saturación

Caso B:• linealidad• saturación

Dos casos posibles:

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Linearidad

• M/D es la respuesta del sistema dosimétrico

• Cuando se mide una respuesta integral, la magnituddosimétrica debe ser independiene de la tasa de dosis.

• En otras palabras:La respuestaM/D debe ser constante para diferentestasas de dosis (dD/dt)1 y (dD/dt)2. 

d dd

MD

DM tt

dd

dDt

MM tD

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Dependencia con la dosis y con la tasa de dosis

Ejemplo:

El efecto de recombinación de iones esdependiente de la tasa de dosis.

Esta depencia se puede considerar a través de un factor que es función de la tasa de dosis.

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Dependencia con la dosis y con la tasa de dosis

La respuesta de los sistemas dosimétricosgeneralmente es unafunción de la energíade la radiación.

Ejemplo 1: Dependenciaenergética de la dosimetría fílmica.

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Dependencia energética

• El término “calidad de la radiación" se usafrecuentemente para expresar una distribuciónespecífica de la energía de la radiación.

• Por lo tanto, la depencia con la energía puede ser también llamada dependencia con la calidad de la radiación

• Como la calibración se hace para una calidadespecífica del haz, la lectura generalmente debecorregirse si la calidad del haz del usuario no esidéntica a la calidad del haz de calibración.

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Dependencia energética

• Ejemplo 2:Un ejemplo bien conocido de dependencia energética es la determinación de la dosis absorbida por una cámara de ionización calibrada en términos de dosis absorbida en agua en una calidad de radiación de calibración (usualmente un haz de 60Co)

• La determinación de la dosis absorbida en el haz del usuario –diferente al haz de 60Co– requiere de un  factor de correcciónpor calidad

0w, ,w,Q Q D Q QD M N k

quality correction factor

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Dependencia energética

• La variación de la respuesta como función del ángulo de incidencia de la radiación es llamadadependencia direccional del dosímetro.

• Debido a los detalles constructivos y al tamañofísico, los dosímetros normalmente muestrancierta dependencia direccional.

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Dependencia angular

Ejemplo:

Dependenciadireccional de una cámara de ionización planoparalela

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Dependencia angular

• La magnitud dosis absorbida es una magnitud puntual• Mediciones ideales requieren de un detector puntual• Ejemplo de mediciones aproximadamente puntuales son:

– TLD– film, gel, donde el ‘punto’ se define por la resolución del sistema de lectura)

– micro‐cámara pin‐point 

2 mm

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Resolución espacial y tamaño físico

• Las cámaras de ionización normalmente tienenun tamaño grande.

– Los resultados de sus mediciones corresponden a la integral en su volumen sensible.

– Los resultados de sus mediciones puede ser atribuídos a un punto dentro de su volumen llamado

punto efectivo de medición– La medición en un punto específico requiereposicionar el punto efectivo en este punto.

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Resolución espacial y tamaño físico

• Las cámaras de ionización son re‐usables con ningún o muy poco cambio en su sensibilidad.

• Los detectores semiconductores son re‐usables pero con una gradual pérdida en su sensibilidad.

• Otros dosímetros no son reusable de ninguna forma :– film– gel– alanine

• Algunos dosímetros miden distribuciones de dosis en unaexposición simple :– films– gels

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS Conveniencia de uso

• Dosímetros reusables que son “fuertes” y cuyamanipulación no influyen en su sensibilidad son:– Cámaras de ionización– (excepción : cámaras de ionización con pared de grafito)

• Dosímetros reusables que son sensibles a la manipulación son:– TLDs

PROPIEDADES DE LOS DOSÍMETROS 

Los monitores de radiación son dosímetros usados en la física médica médica que caen en el 

área de la protección radiológica

Review of Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students ‐ 4.1 Slide 4

Monitores de área Dosímetros personales

Review of Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students ‐ 4.4 Slide 3

Los monitores individuales más frecuentemente usadosson basados en:

Dosimetría TLD  Dosimetría fílmica

Monitotres individuales

Actualmente se usan cada vez más los OSL (Optically StimulatedLuminiscense dosimeters y los RPL (Radio Photo Luminicense)

DOSIMETRÍA CON CÁMARA DE IONIZACIÓN

• Una cámara de ionización es básicamente unacavidad llena de aire rodeada por una pared externaconductora y que tiene un electrodo central conductor

Diseño básico de una cámara de ionización cilíndrica tipo Farmer

central collecting electrode

gas filled cavity

outer wall

La cámara de ionización como detector gaseoso

• La pared y el electrodo colector están separados por un aislantede alta calidad para reducir las fugas de corriente cuando se aplica el voltage de polarización a la cámara.

• Usualmente en la cámara existe un electrodo guardian paraevitar aún más las fugas.

• El electrodo guardian intersepta las fugas de corriente y lascanaliza a tierra directamente, evitando el electrodo collector.

• El electrodo guardian asegura una mejor uniformidad del campo en el volumen activo o sensible de la cámara (para una mejorcolección de las cargas).

DOSIMETRÍA CON CÁMARA DE IONIZACIÓN

DOSIMETRÍA CON CÁMARA DE IONIZACIÓN

• Es el diseño más popular• Independiente de la dirección radial del haz• Volumen típico entre 0.05  1.00 cm3

• Radio típico ~27 mm • Longitud ~4  25 mm • Paredes delgadas : ~0.1 g/cm2

• Usadas para :– electrones, fotones, – protones, o haces de iones.

DOSIMETRÍA CON CÁMARA DE IONIZACIÓN

Cámara cilíndrica tipo Farmer

1 Electrodo de polarización2 Electrodo de medición3 Anillo guardian

a altura (separación entre electrodos) de la of cavidad de aire.

d es el diámetro del electrodo de plzarización.

m es el diámetro del electrodo de colección.

g es el ancho del anillo guardian.

3 32

1

g

a

dm

DOSIMETRÍA CON CÁMARA DE IONIZACIÓNCámara Plano paralela

Cámara plano paralela

• La cámara de placas plano paralelas esrecomendada para dosimetría de haces de electrones con energías por debajo de 10 MeV.

• Útil para mediciones de dosis en profundidad.

• También se usa para dosis en superficie y dosisen profundidad en la zona de acumulación(build‐up) de los haces de fotones de megavoltaje.

DOSIMETRÍA CON CÁMARA DE IONIZACIÓNCámara Plano paralela

Cámara de pozo

• Alta sensibilidad (útil para fuentesde baja tasa de dosis como lasusadas en braquiterapia)

• Grandes volúmenes (aprox. 250 cm3)

• Pueden ser diseñadas paraaceptar varios tamaños de fuentes

• Usualmente calibradas en términos de tasa de kerma de referencia en aire

DOSIMETRÍA CON CÁMARA DE IONIZACIÓN

Cámara de pozo para braquiterapia

• Las cámaras de extrapolación son cámaras de placas plano paralelascon una separación variable entre electrodos

• Pueden ser usadas en dosimetría absoluta (cuando se introducen en un maniquí de tejido equivalente).

• La perturbación en la cavidad para electrones puede ser eliminadamediante :

– Haciendo mediciones en función del espesor de cavidad

– Extrapolando a espesor cero.

• Usando esta cámara, se puede estimar la perturbación en la cavidadpara las cámaras plano paralelas de un espesor determinado.

Dosimetría con cámara de ionizaciónCámara de extrapolación

Ejemplo de cámarasegmentada

– 729 cámaras de ionización

– Volumen de cada una :5 mm x 5 mm x 4 mm

– Calibrada en términosde dosis absorbida

– Software disponiblecomercialmente

DOSIMETRÍA CON CÁMARA DE IONIZACIÓNCámara segmentada

Un electrómetro es un amplificador operacional de altaganancia y retroalimentacion negativa con una resistencia o un capacitor estándards en la línea de retroalimentación paramedir la corriente de la cámara y la carga , respectivamente , colectada en un intervalo de tiempo fijo

Electrómetro

Esquemas para medir dosis o tasa de dosiscon la cámara de ionización

Para medir dosis Para medir tasa de dosis

DOSE 1High performance reference class electrometer

Electrómetro de 2 canales, pantalla táctil y biblioteca de cámaras incorporada para medir dosis y tasa de dosis . Un (1) fA de resolución• 

Electrómetro Farmer, INCA, Montevideo

DOSIMETRIA FILMICA Radiographic film

Las películas radiográficas tienen funcionesimportantes en:

Radiología diagnóstica

Radioterapia

ProtectionRadialógica

Aplicaciones típicas de las películas radiográficas en radioterapia :

• Mediciones de dosis cuantitativas y cualitativas (incluyendodosimetría de haces de electrones)

• Controles de calidad a las máquinas de radioterapia– Congruencia de luz y campo de radiación– Determinación de la posición del eje del colimador– Perfil de dosis a una profundidad en el maniquí– El llamado test de estrella del gantry (star‐test)

• Verificación de técnicas de tratamiento en varios maniquíes.• Imagen portal.

Aspecto Importante:El Film también tiene propiedad de archivo

Dosimetría FílmicaPelículas Radiográficas

Portal imaging

QA en RT

Simulación

Aplicaciones típicas de las películas radiográficasen radioterapia

Aplicaciones modernas: Control de calidadPaciente‐específica

Ejemplo:• Verificación de técnicas de tratamiento en varios maniquíes.

FILM DOSIMETRYRadiographic film

Principio

• Una delgada lámina plástica de base (200 m) se recubre con emulsión sensitiva de cristales de Ag Br en gelatina (10  20 m).

coating

coating

base

emulsion

emulsion

adhesive

Granos de Ag Br al microscópioelectrónico con tamaño de 0.1 3 m

FILM DOSIMETRYRadiographic film

Principio (cont.):

• Durante la irradiación, ocurre la siguiente reacción (simplificada):– Ag Br se ioniza– Los iones de Ag+ se reducen a Ag:           Ag+ + e‐ →  Ag– La plata elemental es negra y produce la llamada imagen latente.

• Durante el revelado, otros iones de plata (aún no reducidos) se reducenahora en presencia de átomos de plata.

• Esto significa :Si un átomo de plata en un cristal de bromuro de plata se reduce, entoncestodos los átomos en ese cristal se reducirán durante el revelado.

• El resto de bromuro de plata (en los granos sin revelar) se eliminan del film durante el proceso de fijación.

• Las áreas que fueron expuestas a la radiación se oscureceránproporcionalmente a la cantidad de radiación recibida

FILM DOSIMETRYRadiographic film

• La transmisión de la luz es una función de la opacidad del film y se puede medir en términos de densidad óptica (DO) con los dispositivos llamados densitómetros.

• La DO se define como y es función de la dosis, donde

•I0 es la intensidad inicial de la luz.I es la intensidad transmitida a través del film.

• La película brinda una excelente resolución espacial 2‐D y, en una sóla exposición, proporciona información sobre la distribución espacial de la radiación en el área de interés o de la atenuaciíon de la radiación por objetos que se interpongan.

010log IOD

I

FILM DOSIMETRYRadiographic film

Densitómetro convencional

Densitrometría con “Film‐Scanner”Película

Soft deprocesamiento

Análisis con film scanner• Se pueden obtener “mapas” de distribuciones de dosis.

Ejemplo de zona de alto gradiente de dosis

Ejemplo de zona de bajo gradiente de dosis

Principio de operación de un densitómetrosimple de películas

Los lectores de Densidad Optica pueden ser: densitómetros de film, densitómetros laser y film scanners automáticos

FILM DOSIMETRYRadiographic film

• Típicamente los films se usan para dosimetría cualitativa, perocon una calibración adecuada, y cuidados en el análisis del film, se puede usar también enel análisis de dosis.

• Para los trabajos en radioterapia hay disponibles varios tipos de películas

FILM DOSIMETRYRadiographic film

Aplicación Tipo de placaPara verificación de tamañosde campo 

placas de exposición directasin chasis

Con simuladores placas con pantalla de fósforoEn imágenes portales placas con pantallas metálicas

• Idealmente la relación entre la dosis y la DO debeser lineal.

• Algunas emulsiones son lineales, otras son linealesen un rango de dosis limitado y otras no son lineales.

• Para cada film, la curva de dosis contra DO, (conocida como curva sensitométrica o característica o curva H&D, en honor a Hurter y Driffield)  tiene que establecerse antes de ser usadapara trabajos de dosimetría.

FILM DOSIMETRYLa relación Dosis – DO

• Gamma: pendiente de la parte lineal

• Latitud: Rango de exposiciíon en la parte lineal 

• Velocidad : exposiciónrequerida para produciruna DO >1 sobre el velo

• Velo: DO de unapelícula sin exponer

Parámetros de las placas radiográficas basadas en lascurvas H&D

FILM DOSIMETRYRadiografic film

Películas para haces de radioterapia(controles de calidad)

Vista de sección

Se prefieren las “pre‐empacadas”  (ready‐packed) para mayor comodidad en el uso

Calibración del film

96.7%

79.7%

65.1%

53.0%

43.2%

35.4%

291cGY

240cGY

196cGy

159cGY

130cGy

107cGy

Calibración paralela• Es más conveniente, requiere de una unica exposición• Los artefactos asociados a los fotones dispersos de baja energía se 

acentúan con la profundidad, especialmente para < 6MV.

paralela perpendicular

Colocación de la películaHaz paralelo

Haz perpendicular

• El film radiocrómico es un nuevo tipo de película disponible paradosimetría en radioterapia.

• Es auto revelable, es decir

– No se requiere de revelado– Ni fijación.

• Principio: Los films radiocrómicos contienen una capa especial de polimerizada y adquiere color azul cuando se expone a la radiación.

• Similarmente a las placas radiográficas, la respuesta de los films radiocrómicos con la dosis se determina con densitómetros.

FILM DOSIMETRYPelícula radiocrómica

Ejemplo : (Prueba de QA de la posición del blanco en un Gamma Knife):

El color azul producido porla radiación enfocadaen unGamma Knife

FILM DOSIMETRYPelícula radiocrómica

• El film radiocrómico más comunmente usado es el film GafChromic. Es una placa sin color con unacomposición casi tejido equivalente (9.0 % hidrógeno, 60.6 % carbono, 11.2 % nitrogeno y 19.2 % oxígeno).

• Los datos sobre varias características de las placasGafChromic (o sea, sensibilidad, linearidad, uniformidad, reproducibilidad, estabilidad post‐irradiación, etc.) están disponibles en la literatura(ver también AAPM Task Group 55).

• Se espera que los films radiocrómicos van a jugarun papel creciente en la dosimetría fílmica.

FILM DOSIMETRYPelícula radiocrómica

FILM DOSIMETRYPelícula radiocrómica

Ventajas• No se requiere controles

de calidad en el procesode revelado

• El films radiocrómico no tiene granosmuy alta resolución

• Útil para dosimetría en regiones de alto gradiente de sosis tales como:

– Campos estereotácticoss– Alrededor de fuentes de 

braquiterapia

Independencia con la tasa de dosis Mejores características con la energía

excepto para los rayos X de bajaenergía (25 kV)

Desventaja Los films GafChromic son generalmente

menos sensibles que los radiográficos

FILM DOSIMETRYPelícula radiocrómica

Otras consideraciones

• Apenas sensible a luzvisible (cuidado con UV)

• Cara ($100 para láminade 10x10cm)

• Necesidad de film escáner de transmisión

FILM DOSIMETRYPelícula radiocrómica

Review of Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students ‐ 3.5 Slide 1

DOSIMETRÍA LUMINISCENTE 

• Al absorber la radiación algunos materialesretienen parte de la energía absorbida en estados metaestables.

• Cuando la energía es subsecuentementeliberada en forma de luz ultravioleta, visible o infraroja este fenómeno se llama 

luminiscencia

Review of Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students ‐ 3.5 Slide 2

• Existen dos tipo de luminiscencia :– Fluorescenca– Fosforescencia

• La diferencia depende del tiempo de retardo entre la estimulación y la emisión de la luz :

– La fluorescencia tiene un tiempo de retardo entre 1010to 108 s

– La fosforescencia tiene un tempo de retardo queexcede 108 s

DOSIMETRÍA LUMINISCENTE 

• Debido a la radiación se producen electrones y huecos libres.• El  material luminiscente contiene las llamadas trampas.• Los electrones y huecos libres van a recombinarse inmediatamente o a quedar

atrapados en las trampas (en cualquier energía entre las bandas de valencia y conducción).

Principio:

conduction band

ionizingradiation storage traps (impurity type 1)

valence band

DOSIMETRÍA LUMINISCENTE 

• Debido a la estimulción, aumenta la probabilidad de que los electrones alcancenla banda ded conducción ….

• Y que se libere energía (luz) cuando ellosse recombinan con un hueco positivo (se necesita impureza de tipo 2– centro de recombinación).

Principio(cont.):

recombination center (impurity type 2)

stimulation

lightemission

valency band

conductivity band

DOSIMETRÍA LUMINISCENTE 

• El proceso de luminiscenciapuede acelerarse con la excitación apropiada en forma de calor o luz.

• Si el agente excitador es calor , el fenómeno esconocido como

termoluminiscencia

• Cuando se usa paar propósitos de dosimetría, el material se denmina

– Material termoluminiscente (TL) – O dosímetro termoluminiscente (TLD).

DOSIMETRÍA LUMINISCENTE 

• El proceso de luminiscencia puede acelerarsecon la excitación apropiada en forma de calor o luz.

• Si el agente excitador es luz, el fenómeno esconocido como luminiscencia estimuladaopticamente u 

optically stimulated luminescence (OSL)

DOSIMETRÍA LUMINISCENTE 

• Thermoluminiscencia (TL) se define comofosforescencia activada térmicamente.

• Sus aplicaciones prácticas van desde la dosimetría de radiación hasta el fechado de vasijas arqueológicas.

• Literatura útil (de 1968):CAMERON JR, SUNTHARALINGAM N, KENNEY GK: “Thermoluminescent dosimetry”University of Wisconsin Press, Madison, Wisconsin, U.S.A. 

DOSIMETRÍA LUMINISCENTE 

Sistemas dosimétricos termoluminiscentes

• Los dosímetros TL más comunmente usados en aplicacionesmédicas son (basado en su equivalencia a tejido):

– LiF:Mg,Ti– LiF:Mg,Cu,P– Li2B4O7:Mn

• Otros TLDs son (basado en su alta sensibilidad):– CaSO4:Dy– Al2O3:C– CaF2:Mn

• Los TLDs están disponibles en varias formas (e.g., polvo, pastillas, barras, cintas).

• Antes de su uso, los TLDs tienen que calentarse (annealing) para borrar cualquier señal residual.

Un sistema lector de TLD consiste en:(1) Bandeja (Planchet) para posicionar y calentar el dosímetro TLD; (2) Tubo fotomultiplicador (PMT) para detectar la emisión de luz TL, convertirla

en señal eléctrica y amplificarla.(3) Electrometro para registrar la señal del PMT como carga o corriente.

Sistemas dosimétricos termoluminiscentes

La intensidad de emisión TL es una función de la temperatura T del TLD 

Curva de destellodel TLD curveor termograma

Manteniendo la tasa de calentamientoconstante se hace la temperatura T proporcional al tiempo t y por lo tanto la intensidad TL se puedeplottear como funciónde t.

Sistemas dosimétricos termoluminiscentes

• El mayor pico dosimetrico de la curva de destello del LiF:Mg,Tiocurre entre 180°C y 260°C; este pico es usado para la dosimetría. 

• La respuesta de TL a la dosis es lineal sobre un amplio rango de dosis usadas en radioterapia, sin embargo:– En regiones de sosis altas aumenta mostrando compotrtamiento

supralineal.– A dosis aún mayores se satura.

• Para derivar la dosis absorbida de la lectura de TL después de la calibración, se tienen que aplicar factores de corrección :– Corrección por energía– Fading.– No linealidad de la respuesta de la dosis.

Sistemas dosimétricos termoluminiscentes

Sistemas dosimétricos termoluminiscentes

• La OSL se basa en un principio similar al TLD. En lugar de calor se usa luz (láser) para liberar la energía atrapada en forma de luminiscencia.

• OSL es una técnica reciente que ofrece potencial para dosimetríain vivo en radioterapia.

• Un desarrollo más actual se basa en la exitación por lláserpulsado (POSL).

• El material más promisorio es Al2O3:C.• Para producir la OSL, la pastilla se excita con luz láser a través de 

una fibra óptica y la luminiscencia resultante (luz azul) se tranposte de vuelta por la misma fibra, reflejada en 90° por un divisor de campo (beam‐splitter) y medido en un tubofotomultiplicador. 

Sistemas luminiscentes estimulados ópticamente (OSL)

Cristal: 0.4 mm x 3 mm Lectura mediante fibra óptica

Sistemas luminiscentes estimulados ópticamente (OSL)

DOSIMETRÍA DE SEMICONDUCTORESSistemas dosimétricos de diodos de silicio

• Un dosímetro de diodo de silicio es un diodo de uniónpositiva‐negativa.

• Los diodos se producen tomando silicio de tipo n ó p y dopar la superficie para producir el tipo opuesto de material

Sólo el tipo p-Si sirve pararadioterapia, debido a que esmenos afectado por el daño porradiación y tiene una mucho menor corriente oscura

Dependiendo del material estos diodos se llamandosímetros n-Si o p-Si

n-type Si

depletion layer(depleted of charged particles)

p-type Si(base)

PrincipioLa capa de unión tiene varios m de espesor. Cuando eldosímetrose irradia, se liberan laspattículas cargadas permitiendoque fluya la corriente de señal.

Los diodos pueden operar sin voltaje de polarización. En el modo fotovoltaico), el voltajegenerado es proporcional a la tasa de dosis. 

ionizing radiation

signalcurrent

hole electron

DOSIMETRÍA DE SEMICONDUCTORESSistemas dosimétricos de diodos de silicio

DOSIMETRÍA DE SEMICONDUCTORESSistemas dosimétricos de diodos de silicio

DOSIMETRÍA DE SEMICONDUCTORESSistemas dosimétricos de diodos de silicio

DOSIMETRÍA DE SEMICONDUCTORESMOSFET dosimetry systems 

Un dosímetro MOSFET es un transistor de efecto de campo (FET) semiconductor de óxido metálico.

Principio Físico:• La radiación ionizante genera portadores de carga en el óxido de Si.• Las cargas se mueven al sustrato de Si donde quedan atrapadas.• Esto conlleva a una acumulación de cargas causando un cambio en

el voltaje umbral entre el gatillo y el sustrato de Si.

substratee.g., glass

encapsulation

Si substraten-type (thickness 300 m)

SiO

Al electrode (gate)

DOSIMETRÍA DE SEMICONDUCTORESMOSFET dosimetry systems 

Principio de medición :

Los dosímetros MOSFET se basan en la medición del voltajeumbral, el cual es una función lineal de la dosis absorbida.

La dosis integrada puede ser medida durante o después de la irradiación

Caracteristicas:

• Los MOSFETs requieren voltaje de polarización durante la irradiación.

• Tiene un tiempo de vidad útil limitado.• La señal medida depende de la historia del dosímetro

MOSFET.

DOSIMETRÍA DE SEMICONDUCTORESMOSFET dosimetry systems 

Ventajas : Los MOSFETs son

pequeños. Aunque tienen una

respuesta dependiente a la calidad de la radiación, no requieren correcciónpor energía para los haces de megavoltaje

Durante su vida útilespecífica mantienenadecuada linealidad.

Los MOSFETs tiene sólouna pequeña anisotropíaaxial (±2 % para 360º).

Desventajas : Los MOSFETs son

sensibles a cambios d evoltaje durante la irradiación (debe ser estable).

Similarmente a los diodosmanifiestandepndenciacon la temperatura.

DOSIMETRÍA DE SEMICONDUCTORESMOSFET dosimetry systems 

Dosimetría química con Gel(“3D‐Film”)

La dosimetría química más popular es el dosímetroFricke.  Cuando es irradiado ocurre un cambio químicoque crea iones de hierro. La concentración de estosiones es proporcional a la dosis y puede medirse pormétodos espectroscópicos.

Dosimetria Gel con Fricke• Principios: 

– Gelatina dopada con solución Fricke– Transición química del ión Fe puede detectarse con RMN– Posición espacial del ión Fe queda fijada en el gel.– Posibilidad de imagen 3D de la distribución de dosis (3D film)

• Ventajas– Naturaleza 3D de gel y tecnología de evaluación (RMN)– Detector forma parte del maniquí, ambos tejido‐equivalente– Maniquíes pueden ser elaborados en cualquier forma y se le 

pueden incorporar otros materiales sustitutos de tejidos (hueso o pulmón‐equivalentes)

– Posibilidad de evaluar mediante escaner óptico (“optical CT”)

Dosimetria Gel con Fricke

10 cm8.5 cm

• Cilindro de Gel Fricke irradiado con campo rotacional con IMRT

Vista 3D de superficies de isodosis: 300, 200  y 100 cGy

Distribución de dosis medida por el gel en el corte central

Comparación de isodosis con Theraplan Plus y gel: 240,180,120cGy

10 cm

Radio Photo Luminiscence Detectors

Características de los RPL

Características ¿Por qué?1. Lecturasrepetibles

Debido a que la señal de luminiscencia no desaparecedespués de la lectura

2. Pequeñasdiferencias de sensibilidad entre detedtores

RPLGD se elabora con cristal derretido, por lo tanto la sensibilidad individual es pequeña comparada con loslos TLD ó OSLD.

3. No se necesitanfactores de corrección

La luminiscencia puede convertirse directamente a dosis de exposición sin recurrir a factores de corrección. Se recurre a las lecturas de referencia del PRLGD incorporado en el Sistema de lecturas

4. Baja dependenciaenergética

La dependencia energética puede redurcirse con filtros compensadores de energía

Características ¿Por qué?

5. Pequeñoefecto de fading

La estabilidad de los centros de color en los RPLGD es alta.Los efectos de las condiciones ambientales como humedady temperatura tienen un bajo impacto en los centros de color y por lo tanto bajo efecto de fading

6. Mejorreproducibilidad

Al usar laser ultrovioleta pulsado como Fuente de exitaciónse puede mantener la exactitud en lecturas repetidas. 

7. Amplio rangode medición de dosis

El rango de linearidad para los RPLGD es 0 – 500 Gy. Los RPLGD pueden aplicarse entonces para verificaciones de dosis en radioterapia asi como para radiología diagnóstico. RPLGD es tambien deseable en areas de alto grradiente de dosis, tales como las producidas en IMRT ó HDR debido a supequeña área de lectura

8. Posibilidad de medir dosispersonal

Las características físco químicas de los RPLGD son iguales o mejores que las de los TLD y OSLD debido a su material luminiscente y técnica de lectura. Por lo tanto, RPLGD pueden ser utilizados como monitores de dosis para trabajadores ocupacionalmente expuestos.

Aplicaciones de los RPLGD (1 de 2)

1. Para mediciones de dosis en Radiocirugía estereotéctica (SRS), incluyendo Gamma Knife y Cyberknife. Los resultados de losfactores de campo son comparables a los de los diodos y a cálculos Mote Carlo. Los RPLGD pueden ser usados para mediciones de campos pequeños (de hecho se usan en las auditorías pilotos del OIEA para campos pequeños)

2. Mediciones de dosis en pacientes de cabeza y cuello para verificarlas dosis impartidas contra las planificadas en el TPS

3. Mediciones de dosis en misiones ambientales y espaciales

Aplicaciones de los RPLGD (2 de 2)

4. Distribuciones de dosis en HDR de próstata

5. Dosimetría in‐vivo en experimentos con animales

6. Los RPLGD pueden colocarse en maniquies antropomórficos para evaluar las dosis recibidas durantes procedimientos clínicos enradiología diagnóstica y radioterapia.

7. Procedimientos de braquiterapia para evaluar la exactitude de las dosis entregadas en cada session y la dosis total

8. Para evitar sean excedidas las tolerancias a los órganos críticosdurantes procedimientos de radioterapia. Mejorar la calidad de vida de los pacientes después del tratamiento. 

Comparación de las características de los TLD, OSLD y RPLGD 

Comparación de detectores

Sistema de dosimetría

Ventajas Inconvenientes

Cámarade ionización

Exactitud y precisión. Único sistema apropiado para la dosimetría de referencia. Formalismo de medida muy estudiado, correcciones bien estudiadas. Lectura instantánea.

Requiere cables, conectores y fuente de alta tensión de calidad para polarizarla.Requiere muchas correcciones. Falta de resolución para ciertas aplicaciones; el incremento en resolución compromete la sensibilidad.

Diodo Pequeño tamaño (buena resolución). Gran sensibilidad. Lectura instantánea. Utilización sencilla.

No puede ser utilizado para la dosimetría de referencia Requiere cables. Presenta dependencia con la temperatura. Presenta dependencia direccional. Presenta dependencia con la dosis absorbida acumulada.

Placa Buena resolución espacial. Proporciona gran cantidadde información en una sola exposición.

No puede ser utilizado para la dosimetría de referencia. Presenta dependencia con la energía. Utilización engorrosa si se quieren obtener resultados cuantitativos fiables (requiere mucho tiempo y buen hacer para obtener buenos resultados).No presenta lectura instantánea.

TLD Buena resolución espacial. Equivalente a tejido, en algunos casos.

No puede ser utilizado para la dosimetría de referencia. Utilización engorrosa (requiere un manejo cuidadoso y mucho tiempo de lectura y calibración para obtener resultados fiables). No presenta lectura instantánea.

ESTANDARES PRIMARIOS • Los estádares primarios son instrumentos de la más alta calidad

metrológica que permiten la determinación de la unidad de la magnitud a partir de su definición. Su exactitud ha sido verificadapor comparación con estándards de otras instituciones del mismo nivel.

• Los estádares primarios se encuentran en los LaboratoriosDosimétricos Primarios (PSDLs) en cerca de 20 países en el mundo.

• Las comparaciones internacionales regulares entre los PSDLs, y con el Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), aseguran la consistencia internacional de los estándaresdosimétricos.

• Las cámaras de ionización usadas en los hospitales para la calibración de los naces de radioterapia tiene que tenerun coeficiente de calibración traceable (directa o indirectamente)  a un estándard primario. 

• Los estándares primarios no se usan para calibraciones de rutina, debido a que ellos representan la unidad de la magnitud en todo momento.

• En cambio, los PSDLs calibran los dosimetros estándaressecundarios para los laboratorios secundarios (SSDLs) los cuales a su vez se usan para calibrar los instrumentos de referencia de los usuarios, tales como las cámars de ionización a nivel de terapia usada en los hospitales.

PSDL SSDL Hospitales

ESTANDARES PRIMARIOS 

Sistema Internacional para la metrología de las radiaciones. La trazabilidad de los instrumentos del usuario a los patrones primarios se logra o por calibración directa en un LPCD o, más comúnmente, en un LSCD vínculado directamente al BIPM, a un LPCD o a la red OIEA/OMS de LSCDs. La mayoría de los LSCDs de países no miembros de la  Convención del Metro logra la trazabilidad de sus patrones a través del OIEA. Las líneas discontinuas indican las intercomparaciones entre patrones primarios y secundarios.

Analizadores del haz o tanques de calibración

PTW MP3

PTW MP3

WellhöferWP 600

Gracias