Parte 2 Física de las Radiaciones Conferencia 2: Dosimetría y Equipos

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OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia

PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA

Parte 2Física de las Radiaciones

Conferencia 2: Dosimetría y Equipos

IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 2

Fundamentos

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


Objetivos

Comprender la importancia de las dosis y la dosimetría de las radiaciones en radioterapia

Poder explicar la diferencia entre dosimetría absoluta y relativa

Poder debatir sobre las características de los dosímetros más empleados en radioterapia: cámaras de ionización, semiconductores, dosímetros termoluminiscentes (TLD) y fílmico.


Contenido de la Conferencia 2

1. Dosimetría absoluta y relativa2. El ambiente dosimétrico:

maniquíes3. Técnicas dosimétricas

• Fundamentos físicos• Clases practicas


1. Dosimetría absoluta y relativa

• Dosimetría absoluta es una técnica que registra la información sobre la dosis absorbida directamente en Gy. Esta medición dosimétrica absoluta también se denomina calibración. Todas las mediciones ulteriores se comparan entonces con esta dosis conocida en condiciones de referencia. Esto significa …

• Realización de dosimetría relativa. En general en la dosimetría relativa no se requiere el empleo de coeficientes de conversión o de factores de corrección puesto que consiste solo en la comparación de dos lecturas de dosímetro, una de las cuales es la efectuada en condiciones de referencia


Dosimetría absoluta

• Se requiere para cada calidad de la radiación una vez

• Determinación de dosis absorbida (en Gy) en un punto de referencia en un maniquí

• Geometría bien definida (ejemplo para un acelerador lineal: mediciones en agua, DFS a 100cm, dimensión de campo 1010cm2, profundidad 10cm

• Seguimiento de protocolos (compare con parte 10)


Dosimetría absoluta

• Se requiere para cada calidad de la radiación una vez

• Determinación de dosis absorbida (en Gy) en un punto de referencia en un maniquí

• Geometría bien definida (ejemplo para un acelerador lineal: mediciones en agua, FSD a 100cm, dimensión de campo 1010cm2, profundidad 10cm

• Seguimiento de protocolos (compare con parte 10)

Súper importante:

Si la dosimetría absoluta

es incorrecta, TODO estará mal


Pregunta rápida

Una dosis de 1Gy entrega una enorme cantidad de energía al paciente – ¿es cierto o falso?


Respuesta

FALSO – 1Gy = 1J/kg. La entrega de esta cantidad de energía elevaría la temperatura del tejido en menos de 0.001oC. Inclusive para una persona de 100kg representa mucho menos de la energía incorporada de un tazón de desayuno con leche, cereales, o nueces – por favor, nótese que la cantidad de energía en los alimentos por lo general se especifica en su paquete.


Dosimetría relativa

• Correlaciona la dosis bajo condiciones de no-referencia con la dosis bajo condiciones de referencia

• Por lo general se requieren al menos dos mediciones:– Una en condiciones en que la dosis se ha

de determinar– Y otra en condiciones en que la dosis es

conocida


Ejemplos de dosimetría relativa

• Caracterización del haz de radiación– Porciento de dosis en profundidad, relación tejido

máximo o similares– Perfiles

• Determinación de los factores que influyen en el rendimiento– Factores de campo, factores del aplicador– Factores del filtro, factores de la cuña– Factores específicos del paciente (ej.

bloqueadores de electrones)


Medición del porciento de dosis en profundidad

• Variación de la dosis en el medio (generalmente agua) con la profundidad

• Incluye componentes de atenuación y de la ley del cuadrado inverso


Porciento de dosis en profundidad

Correlaciona la dosis a diferentes profundidades en agua (o en el paciente) con la dosis a la profundidaddel máximo de dosis – nótese que el eje ‘y’ es ¡relativo!!!


TAR, TMR, TPR

• Dosimetría relativa para la geometría del tratamiento isocéntrico (comparar con la parte 5)

• Todo se puede convertir a porciento de dosis en profundidad– TAR = cociente de la dosis en el maniquí, con x cm

de espesor de tejido, y de la dosis en el mismo punto, pero en aire

– TMR = cociente de la dosis, con x cm de espesor de tejido, y de la dosis correspondiente a su valor máximo (posición fija del detector)

– TPR como TMR pero formando un cociente con la dosis en un punto de referencia (ej. 10cm de espesor de tejido)


TMR, TPR

• Simula las condiciones isocentricas

• TMR es un caso especial de TPR donde la profundidad en el maniquí de referencia es la profundidad correspondiente a la dosis máxima


PDD y TMR

El porciento de dosis en profundidad (PDD) varía con la distancia del paciente a la fuente debido a variaciones en la ley del cuadrado inverso (ISL); TAR, TMR y TPR no varían.

Fuerte dependencia ISL

Débil dependencia ISL


Factores del rendimiento

Comparar la dosis con la dosis en condiciones de referencia

• Diferentes dimensiones de campo• Factor de cuña• Factor de bandeja• Factor de aplicador• Factor de bloqueador de electrones


Ejemplo: factor de cuña

Dosis bajo condiciones

de referencia

Puede también involucrar diferentes dimensiones de campo y/o diferentes profundidades del detector en el maniquí


Pregunta rápida

¿La medición del espesor de semirreducción o capa hemirreductora para la determinación de la calidad de los rayos X es dosimetría absoluta o relativa?


Respuesta

Dosimetría relativa:• Relacionamos la dosis con diferentes filtros de

cobre o aluminio en el haz con la dosis sin filtros para determinar qué espesor de filtro atenúa el haz a la mitad de su intensidad original

• El resultado es independiente de la dosis real dada – podemos medir por 10s o 20s o 60s cada vez, mientras garanticemos que la irradiación es idéntica para todas las mediciones.


2. El ambiente dosimétrico

Maniquíes• Un maniquí representa las propiedades del

paciente ante la radiación y permite la introducción de un detector de radiación dentro de este ambiente, tarea que sería difícil en un paciente real.

• Un ejemplo muy importante es el maniquí de agua rastreador.

• De forma alternativa, el maniquí puede estar hecho de láminas de material simulador del tejido o incluso ser conformado como un cuerpo humano (antropomorfo).


Maniquí de agua rastreador


Maniquíes de láminas


Materiales tejido equivalentes

• Muchos materiales fabricados con ese propósito, como el agua sólida (diapositiva anterior), el agua blanca, el agua plástica, …

• Poliestireno (bueno para haces de megavoltaje, no apropiado para fotones de baja energía)

• ‘Perspex’ (otras denominaciones: ‘PMMA’, ‘Plexiglas’) – composición tejido equivalente, pero con mayor densidad física – se necesita aplicar una corrección.


Maniquí antropomorfo

Maniquí de cuerpo completo: ART


Permite la colocación de detectores de radiación en el maniquí (aquí se muestran los TLDs)

Incluye heterogeneidades


Maniquí RANDO

Sección de pulmón para CT

Cabeza con orificios para TLD

torso


Maniquí pediátrico


Algunas observaciones respecto a los maniquíes

• Es esencial que sean probados antes de usarse– Mediciones físicas - peso, dimensiones– Mediciones de radiación – escaneado CT,

verificaciones de atenuación• Se pueden emplear también alternativas más

baratas– Cera para conformar maniquíes humanoides– Corcho como equivalente del pulmón

• Son de utilidad mientras sean conocidas sus propiedades y limitaciones


3. Efectos y dosimetría de las radiaciones

Efecto de la radiación Método dosimétrico:

Ionización en gases Cámara de ionización

Ionización en líquidos Cámara de ionización llena de líquido

Ionización en sólidos Semiconductores

Luminiscencia Dosimetría por termoluminiscencia

Fluorescencia Detectores de centelleo

Transiciones químicas• Placa radiográfica• Dosimetría química• Dosimetría NMR

Calor Calorimetría

Efectos biológicos • Eritema• Daño cromosómico


Principios de la detección de las radiaciones

• Cámara de ionización• Contador Geiger Muller • Dosimetría por termoluminiscencia • Fílmico• Semiconductores


Detección de la ionización en aire

Adaptado de Collins 2001

Cámara de Ionización


Detección de la ionización en aire

Adaptado de Metcalfe 1998


Ionometría

Cámara de Ionización• 200-400V• Mide exposición, la

cual puede ser convertida a dosis

• no muy sensible

Contador Geiger• >700V• Contabiliza todo

evento de ionización• Contador de eventos,

no un dosímetro• muy sensible


Cámaras de Ionización

Cámaras de tipo dedal

Cámara de 600cc


Sección transversal de una cámara tipo Farmer (de Metcalfe 1996)


Cámaras de ionización

• Cámara Farmer de 0.6 cc con electrómetro

• La cámara más importante de la dosimetría en radioterapia


Electrómetro

Desde la cámara



• Volumen relativamente grande para una señal pequeña (1Gy produce aproximadamente 36nC en 1cc de aire)

• Para mejorar la resolución espacial al menos en una dimensión, se emplean cámaras del tipo de plano-paralelas.


Cámaras plano-paralelas

De Metcalfe et al 1996


Cámaras de ionización plano-paralelas

• Se emplean para – Rayos X de baja energía (< 60 KV)– Electrones de cualquier energía pero considerado

el método preferido para energías < 10 MeV, y esencial para energías < 5 MeV

• Existen muchos tipos disponibles de diferentes materiales y dimensiones

• Por lo general se vende en correspondencia con un maniquí de láminas apropiado


Cámaras de Ionización plano-paralelas - ejemplos

Cámara Markus• Pequeña• Diseñada para

electrones

Cámara Holt• Robusta• Embebida en una

lámina de poliestireno


Cámara de ionización tipo pozo

Para la calibración de fuentes de braquiterapia

Fuente de braquiterapia


Medidores de tasa de dosis de tipo cámara de ionización

• No tan sensibles como los equipos G-M pero no resultan afectados por los haces pulsantes tal como ocurre con los aceleradores.

• Debido a lo anterior, estees el tipo de equipo preferidoen los aceleradores de altaenergía de radioterapia


Contador Geiger-Mueller

• No es un dosímetro – solo un contador de eventos de irradiación

• Muy sensible• Ligero y conveniente para

su uso • Apropiado para

miniaturización


Equipos Geiger-Mueller (G-M)

• Útil para – Monitoreo de área– Monitoreo de local– Monitoreo del personal

• Se requiere cuidado en zonas de alta tasa de dosis o haces pulsantes puesto que la lectura puede ser imprecisa


Dosimetría por termoluminiscencia (TLD)

• Pequeños cristales• Muchos materiales diferentes• Dosímetro pasivo – no requiere cables• Amplio rango dosimétrico (Gy a 100s

de Gy)• Muchas aplicaciones diferentes


Varios tipos de TLD


Esquema simplificado del proceso del TLD

CALENTAMIENTO

radiación ionizantetrampa de electrones

luz visible

1 2Banda de Conducción

Banda de Valencia


Curvas de termoluminiscencia

TRAMPAS MÚLTIPLES

dE1 dE3 dE2

Banda de Valencia

Banda de Conducción

temperature (oC)

0 50 100 150 200 250

sign

al in

tens

ity (a

rbitr

ary

units

)0.0

0.5

1.0

1.5

I

IIIII

IV and V

VI


Curvas termoluminiscencia

• Posibilitan la investigación• Constituyen poderosas herramientas de garantía

de calidad - ¿Se ven bien las curvas termoluminiscencia?

• Se pueden utilizar en evaluaciones ulteriores• Posibilitan mejorar la precisión mediante la

deconvolución de la curva termoluminiscencia


La influencia de diferentes aditivos (dopants)

Impurezas Tipo 1Impurezas Tipo 2

Luz

Banda de Conducción

Banda de Valencia


Importancia del tratamiento térmico

• Determina el arreglo de las impurezas– Sensibilidad

• ...– Desvanecimiento (fading)– Respuesta a diferentes características de la

radiación

• Mantener estable el tratamiento térmico


Respuesta a la dosis de LiF:Mg,Ti:

amplio rango dosimétrico

atención con la supralinealidad

relative response normalised to 1G

y

0

1

2

3

4

dose (Gy)10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 103

appa

rent

dos

e (G

y)

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

about 5% supralinearityat 3Gy


Variación de la respuesta del TLD según la calidad de la radiación

effective X-ray energy (keV)10 100 1000 10000

rela

tive

TL re

adin

g

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0LiF compressed disksLiF ribbons from Ruden 76


Materiales: ¡qué selección!…

• LiF:Mg,Ti (nivel de excelencia, máximo)• CaF2 (100% natural, o con Mn, Dy or Tm)

• CaSO4

• BeO• Al2O3 :C (sensibilidad record 1μGy)• LiF:Mg,Cu,P (¿la nueva estrella?)


Lector de dosímetros TL

• Basado en fotomultiplicador• Provisto de plancheta y calentador de

N2


¿Qué se puede esperar?...

• Reproducibilidad: una sola pastilla 2% (0.1Gy, 1SD)

• Precisión (estándar de 4 pastilla , medición de 2 pastilla) 3% (0.1Gy, 95% confianza)

• Alrededor de 30 minutos por medición...


Placa radiográfica

• Reducción de haluro de plata a plata• Requiere procesamiento/revelado --->

problemas con la reproducibilidad• Dosímetro de dos dimensiones• Alta resolución espacial• Alto número atómico ---> variación de la

respuesta con la calidad de la radiación.


Placa radiográfica

Sección transversal

Por lo general preembaladas para facilitar su uso


Placa: respuesta a dosis

• Evaluación de la placa vía densidad óptica

• OD = log (I0 / I)• Los densitómetros

están disponibles en el mercado


Dosimetría de placa radiográfica en la práctica

• Depende de una excelente GC del procesador

• Generalmente empleada para demostración de distribuciones de dosis

• Problemas con la precisión y variaciones en la respuesta según la energía de los rayos X


Película radiocrómica

• Nuevo revelado• Sin procesamiento• No (muy) sensible a la luz• Mejor tejido-

equivalencia• Cara


Dispositivos semiconductores

• Diodos• Detectores MOSFET

Diodos para mediciones en maniquí de agua


Diodos

De Metcalfe y colaboradores 1996

Mayormente usadoscomo una fotoceldaque genera un voltajeproporcional a la dosisrecibida.


Semiconductor de óxido metálico transistor de efecto de campo

From Metcalfe et al. 1996

MOSFETs = volumen sensible extremadamentepequeño


1. Irradiación

2. Carga portadores atrapados en el substrato de Si

3. Se altera la corriente entre

la fuente y el drenaje


Voltaje de compuerta durante la irradiación:

determina la sensibilidad

Lectura después de la irradiación:

se requiere voltaje de compuerta para

mantener corriente constante


Diodos y otros dispositivos de estado sólido

• Ventajas– Lectura directa– Sensibles– Pequeñas dimensiones– Posible

impermeabilidad al agua

• Desventajas– Sensibles a la

temperatura– Sensibilidad puede

cambiar --> necesaria re-calibración

– Necesario observar procedimientos sistemáticos de QA


Resumen de la conferencia 2


Semi-conductores TLDs Placas

VentajasSe comprenden bien, precisas, disponibles en variedad de formas

Pequeños, robustos

Pequeños, no necesitan cables

De dos dimensiones, facilidad de uso

Desventajas Grandes, requieren alto voltaje

Dependencia de la temperatura

Lectura diferida, manipulación compleja

No tejido equivalente, no muy reproducible

Empleo más generalizado

Dosimetría de referencia, escaneo del haz

Escaneo con haz, dosimetría in vivo

Verificación de dosis, dosimetría in vivo

Garantía de calidad, determinación de las distribuciones de dosis

Comentarios La técnica dosimétrica más generalizada e importante

Los recientes desarrollos (MOSFETs) pueden aumentar utilidad

También empleados para intercomparaciones dosimétricas (auditorias)

Los recientes desarrollos (placa radiocroma) pueden aumentar utilidad


Resumen general: Física

• En radioterapia, los fotones (rayos X y rayos gamma) y electrones constituyen los tipos de radiación más importantes

• La precisión en la dosis administrada es esencial para una buena practica en radioterapia

• La dosimetría absoluta determina la dosis absorbida en Gray en un punto de referencia bien definido. La dosimetría relativa correlaciona entonces la dosis en todos los demás puntos o la dosis bajo diferentes condiciones de irradiación con esta medición absoluta.

• Se dispone de múltiples técnicas para la dosimetría – ninguna es perfecta y se requiere entrenamiento y experiencia para seleccionar la técnica más apropiada para un propósito en específico y para la interpretación de los resultados


Dónde obtener más información

• Físicos médicos• Libros de texto:

Khan F. The physics of radiation therapy. 1994.

Metcalfe P.; Kron T.; Hoban P. The physics of radiotherapy X-rays from linear accelerators. 1997.

Cember H. Introduction to health physics. 1983

Williams J; Thwaites D. Radiotherapy Physics. 1993.


¿Preguntas?


Pregunta

¿Que tipo de detectores de radiación pueden resultar útiles para la dosimetría in vivo, y por qué?


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

Respuesta

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