CONTROL DOSIMÉTRICO IN VIVO EN RADIOTERAPIA EXTERNA USANDO DIODOS SEMICONDUCTORES

Rev Cubana Oncol 14(2);1998:129-35

TEMA DE REVISIÓN

Instituto Nacional de Oncología y Radiobiología

CONTROL DOSIMÉTRICO

IN VIVO

EN RADIOTERAPIA EXTERNA

USANDO DIODOS SEMICONDUCTORES

Ing. Guillermo Trujillo García1

1 _{Ingeniero físico nuclear. Aspirante a Investigador.}

En los últimos tiempos, con el incremento de la aplicación de nuevas tecnolo-gías en la Radioterapia, es una necesidad elevar los niveles de precisión en las dosis entregadas en los tratamientos radiantes. La Dosimetría in vivo es una de las maneras que existen para la comprobación final de los niveles de precisión en las dosis entregadas a los pacientes y la correción de posibles errores que van en detrimento de los resultados terapéuticos de esta modalidad de trata-miento en las enfermedades neoplásicas. En el presente artículo presentamos la metodología general para el uso de la Dosimetría in vivo; prestando especial atención al uso de los diodos de semiconductor por la ventaja de medir la dosis recibida por los pacientes en tiempo real.

Descriptores DeCs: DOSIFICACION DE RADIACION. NEOPLASMAS/ra-dio-terapia; SEMICONDUCTORES/utilización.

RESUMEN

La radioterapia es un método excelen-te para el tratamiento del cáncer pero sólo si es correctamente realizada. El resultado de esta modalidad de tratamiento (control tumoral, complicaciones) está estrechamte relacionado con la dosis que ha sido en-tregada al volumen blanco clínico y al teji-do normal que lo rodea. Por lo tanto, una cuestión muy importante es la precisión requerida de las dosis y aquella que puede ser alcanzada en la práctica. Variaciones

en la dosis de un 10 % pueden conducir a cambios significativos en la probabilidad de control tumoral y/o probabilidad de complicación del tejido normal.

Durante la colocación del paciente pueden ser introducidos diferentes tipos de erro-res. Ellos pueden traer como resultado una distorsión de la distribución de dosis la cual puede influir en la tasa de control local o en la tasa de complicaciones. Esto es común en la práctica diaria en radioterapia.

Por lo tanto la incertidumbre asociada a la dosis impartida debe ser menor que un 5 %. El reporte 241 _{de la Comisión}

Internacional de Unidades de Radiación (ICRU) hace la siguiente recomendación: "La evidencia disponible de ciertos ti-pos de tumores apunta a la necesidad de una precisión de un ± 5 % en la dosis ab-sorbida entregada al volumen blanco si existe la intención de eliminar el tumor pri-mario". Debe reconocerse que esta preci-sión del ± 5 % fue seleccionada como un compromiso razonable entre lo que debe ser ideal y lo que puede ser realmente al-canzado en la práctica. Al respecto, la ICRU 241 _{también señala "que algunos}

radioterapeutas han solicitado límites de precisión aún mayores ± 2 %, pero en los momentos actuales estos valores son vir-tualmente imposible de alcanzar como un estándar".

Existen muchas fuentes de incertidum-bres en los procedimientos en radiotera-pia. Estas provienen de la dosimetría o de la localización del volumen blanco. Es por lo tanto deseable, siempre que sea posible, realizar un chequeo del tratamiento me-diante la medición de la dosis al cáncer o en tejidos cercanos a éste usando la dosimetría in vivo.2-5

Aunque las características intrínsecas de los dosímetros termoluminiscentes (TLD) (pequeño tamaño, tejidos equiva-lentes, independencia energética) los ha-cen atractivos para la dosimetría in vivo, existe una demora entre la irradiación y el procedimiento de lectura para la obtención de resultados. La mayor desventaja de esta tecnología radica en los costos capitales de asociados con su uso.

Los diodos de Silicio, principalmente semiconductores del tipo p, han sido utili-zados por un gran número de instituciones para la Dosimetría In vivo. 2,5-7 _{Por causa}

del daño causado al diodo por la radiación,

el factor de calibración de éstos cambiará gradualmente con su uso y será necesaria la recalibración contra una cámara de ionización calibrada.

Existen 3 características físicas de los diodos de importancia para su clínico; la dependencia energética, la dependencia de la temperatura y para algunos diodos, la dependencia de la sensibilidad de la dosis por pulso. 8-11_{. Adicionalmente, la}

depen-dencia angular y la distancia entre el diodo y la piel del paciente, particularmente en el lado de salida del haz de radiación, puede producir correcciones muy peque-ñas o despreciables si los diodos son posicionados en la forma apropiada. La de-pendencia energética y de la dosis por pul-so, no obstante, requerirá pequeños facto-res de corrección para cambios en el fac-tor de calibración con el tamaño del cam-po, distancia fuente superficie (SSD), es-pesor del paciente y la presencia de ban-dejas portaplomos, bloqueadores y filtros en cuña. Aunque no todos los diodos se comportan de igual manera, aún si ellos, son de un mismo lote de fabricación, estos factores de corrección tienen que ser de-terminados para cada diodo. El uso de diodos con caperuzas compensadoras del equilibrio electrónico introduce una reduc-ción en la dosis de alrededor de un 5 % en la sombra del diodo.4,5

MARCO TEÓRICO

El principio del método se basa en el fenómeno de semiconducción y en la jun-tura p-n para la detección de la radiación. Los cristales semiconductores, por ejemplo, el germanio, el silicio, en su es-tado natural son considerados como aislantes eléctricos. No obstante, la entra-da en ellos de una pequeña cantientra-dad de energía, como la causada por el aumento

de la temperatura, es capaz de inducir conductividad en el material. La energía es transferida a los electrones las cuales pueden abandonar la red cristalina, crean-do un hueco positivo debicrean-do al defecto de carga resultante. No solamente el electrón libre, sino también estos huecos pueden participar en la conductividad eléctrica. Verdaderamente por el reacomodo de la estructura electrónica, el hueco migrará a través de la red cristalina y producirá un desplazamiento de carga neto. No obstan-te, electrones y huecos pueden ser pérdi-das en el proceso de conductividad me-diante la recombinación, la cual puede te-ner lugar en sitios imperfectos de la red cristalina.

La conductividad en un semiconductor tipo n tiene lugar principalmente a través de los electrones, mientras que en los semiconductores tipo p, son los huecos los que contribuyen a ella. Los electrones son referidos como portadores minoritarios en semiconductores tipo p y como mayorita-rio en los tipos n.

Una juntura p-n o diodo es una unión interna entre una región tipo p y otra tipo n en un mismo cristal. El cristal es dopado en 2 pasos: es decir, si el diodo es de tipo p, impurezas aceptoras son añadidas pri-meramente al cristal y después átomos donadores (pero en una concentración ma-yor que la de los aceptores) son difundidos en la superficie del material tipo p. En la transición desde material tipo p a material tipo n, es formado un espesor de deplexión libre de carga, sobre el cual es creada una diferencia de potencial electrostática (de alrededor de 0,7 v para el diodo de sili-cio).

Como resultado se crea un campo eléctrico E sobre el espesor de deplexión (fig. 1). En contraste a la mayoría de las restantes aplicaciones electrónicas, en dosimetría no se aplica un voltaje de

ali-mentación al diodo, el cual es entonces usado en el modo de cortocircuito o sin voltaje. Electrometer Diode E n I p + + + + + + + + --

-Fig. 1. Principio de detección del diodo en modo cortocircuito.

Cuando el diodo es irradiado, un par de ionización electrón-hueco se crea en el espesor de deplexión.

Los electrones y huecos son atraídos por los lados p y n de la juntura respecti-vamente.

Por causa del alto nivel de dopaje en el lado n de un diodo de tipo p, un gran número de imperfecciones del cristal o centros de recombinación están presentes en ese lado, lo cual conduce a una alta pro-babilidad de recombinación de los huecos.

De tal manera que portadores minori-tarios de carga, electrones en este caso, contribuirán a la señal de ionización. En este proceso el equilibrio de cargas entre los lados n y p del diodo es roto por la radiación. Cuando ambos lados están ex-ternamente conectados el uno con el otro, se detectará una corriente al paso de irra-diación, la cual, cuando el diodo se en-cuentra en modo cortocircuito, es propor-cional el número de pares electrón-hueco producidos, es decir, a la dosis.

MÉTODOS

Se revisan los artículos publicados en diferentes revistas científicas entre los años 1990 y 1997 y tomamos en consideración aquellos artículos que brindan información de actualidad en la metodología general de la técnica y las posibilidades de su implementación.

Se usan diodos en los pacientes du-rante el tratamiento en radioterapia. Se pueden realizar mediciones de las dosis de entrada y de salida; y a partir de estas 2, derivar la dosis en el volumen blanco.

Primeramente se deben realizar me-diciones en un maniquí de agua para cali-brar la señal del diodo contra la dosis me-dida usando una cámara de ionización. Entonces se correlaciona la dosis medida en la superficie de entrada y salida utili-zando el diodo en la superficie del mani-quí con los valores calculados usando la distribución del porcentaje de dosis en pro-fundidad y la medida usando la cámara de ionización.

RESULTADOS

Con el objetivo de poder convertir la señal Rsc de un diodo en una dosis D, tie-ne que ser determinado un factor de cali-bración.

Fcal=D/Rsc

Este factor de calibración se determi-nará en un maniquí de agua comparando como ya mencionamos, la señal del diodo y la de una cámara de ionización calibra-da. Los diodos deben ser calibrados para mediciones de dosis de entrada y de salida según las aplicaciones en las que se vayan a utilizar.

La calibración de la dosis de entrada se realiza con una cámara de ionización a la profundidad dmax y el diodo en la su-perficie del maniquí de agua. Al comparar la dosis de los 2 detectores, para el mismo tiempo de tratamiento, se obtendrá el fac-tor Fcal. La calibración será realizada en condiciones de referencia, es decir, tama-ño de campo 10 cm x 10 cm en la superfi-cie del maniquí, la cual estará posicionada en el isocentro del equipo (fig.2).

Si el campo de aplicación del sistema será la medición de las dosis de entrada para cada nuevo paciente, las condiciones de referencia antes expuestas son represen-tativas de una amplia variación de los parámetros geométricos. No obstante, es aconsejable realizar un chequeo para las técnicas de tratamiento utilizadas princi-palmente de la validez de este factor de calibración único. Adicionalmente, se de-berá realizar una calibración por separado para su uso en casos de irradiación corpo-ral total en condiciones más cercanas a aquellas bajo las cuales será usada.8,10,11

La calibración de la dosis de salida será realizada en forma análoga a la cali-bración de la dosis de entrada. La dosis de salida aquí es definida como la dosis a la distancia dmax de la superficie de salida. El diodo es ahora colocado a 180° en la superficie de salida del haz. La justifica-ción de esta metodología radica en su sim-plicidad, en la aplicación práctica (derivar dosis absorbidas en el volumen blanco en el caso frecuente de 2 campos opuestos coaxiales).

El factor de calibración de un diodo en uso clínico deberá ser chequeado pe-riódicamente cuando es nuevo. La influen-cia de la dosis acumulada durante su vida útil ha sido descrita8,10,11 _{y debe ser}

anali-zada durante su uso. Se deberá chequear que el cociente de los factores de calibra-ción de entrada y salida permanezca

cons-Fig. 2. Determinación de los factores de calibración de entrada y de salida de un detector (diodo semiconductor).

tante en el tiempo dentro de un 1 %. La recalibración debido a los daños por radia-ción será realizada solamente cuando las variaciones en la respuesta del diodo sean mayores que un 3 %.

Debe ser estudiada para cada diodo en particular las variaciones en su respuesta con la temperatura.12

En el rango de tasas de dosis donde es aplicada la dosimetría in vivo no es nece-sario correcciones por no linearidad en la respuesta de los diodos.8

Deben ser estudiados para cada diodo la influencia de la apertura del colimador, la distancia fuente superficie (SSD), la

pre-sencia de filtros en cuña y bandejas portaplomos para bloqueo de órganos crí-ticos, así como la dependencia direccional de incidencia del haz de radiación. Con esto se realizará la determinación de varios fac-tores de corrección (CF), después de lo cual, la señal del diodo puede ser converti-da en dosis mediconverti-da para las diferentes con-diciones de tratamiento en la práctica mé-dica.8,10,11

Dosis medida=Rsc x Fcal x (CFcol x CFSSD x Cfwerdge x Cftray)

Los factores de corrección serán de-terminados como la razón de las lecturas de una cámara de ionización calibrada y

detector + build . Up detector + build . Up SAD 10 cm 10 cm Ion chamber Ion chamber

d

d

[ A ]

( B ]

R

las lecturas del diodo bajo varias condicio-nes (es decir, campo con filtro en cuña, campo con bloqueo, etcétera) dividido por la misma razón para las condiciones de referencia (es decir, campo abierto, 10 cm x 10 cm a 80 cm SSD).

La determinación de la dosis en el blanco se puede realizar mediante un en-foque simplificado que consiste en consi-derar la dosis en el blanco igual a la media de las dosis de entrada y de salida. Este método, el cual es aceptable bajo ciertas condiciones prácticas, puede inducir a erro-res de varios porcentajes en otras.

DISCUSIÓN

Un método de mayor precisión, fue publicado por Rizzotti13 _{y Leunes basado}

en la simetría respecto a la línea media en una expansión o compresión del espesor real del paciente a un espesor mayor o menor equivalente de agua.14 _{No obstante,}

un requisito indispensable es que las inhomogeneidades deben ser simétricas o igualmente distribuidas con respecto a la

línea media para una determinación efecti-va de la dosis en el blanco. La mayoría de las regiones del cuerpo humano cumplen con este requisito para este tipo de cálculo en la dirección derecha-izquierda, dada la disposición geométrica de los diferentes tipos de tejidos irradiados.

Desafortunadamente, excepto para el cráneo, el método no es directamente apli-cable en la dirección anteroposterior.

CONCLUSIONES

Con el uso de la dosimetría in vivo pueden ser detectados un gran número de errores en la dosis entregadas a los pacien-tes. Algunos de estos errores son errores humanos en el posicionamiento del pacien-te, en la colocación de los dispositivos modificadores del haz de radiación y colo-cación errónea de los parámetros de irra-diación. También pueden ser detectados con esta técnica errores sistemáticos relacio-nados con el funcionamiento de la máqui-na de irradiación15 _{y procedimientos del}

cálculo de las dosis.

SUMMARY

For the last time, the growing implementation of new radiotherapy technologies led to the need of increasing the levels of accuracy in dose delivery in radiotherapy. In vivo dosimetry is one of the existing methods for the final checking of accuracy in radiation dosage delivered to patients and the possible correction of mistakes that go to the detriment of the therapeutical results of this kind of treatment in neoplastic diseases. The present article set forth the general methodology for the use of in vivo dosimetry paying special attention to the use of semiconductor diodes because they offer the advantage of in real-time measuring of radiation dose delivery.

Subject headings: RADIATION DOSAGE; NEOPLASMS/radiotherapy; SEMICONDUCTORS/utilization.

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Leunens, J. Van Dam, A. Dutreix and E. Vander Sichueren, Department of Radiotherapy, University Hospi-tal St. Rafaël, Leuven, Belgium, (1990).

15. Leunens G, Verstraete J, Van Dam J, Dutreix A and Van Der Shueren E. In vivo dosimetry for tangential breast irradiation: role of equipment in the accuracy of dose delivery. Radiother. Oncol (Draft version 1996). Recibido: 6 de marzo de 1998. Aprobado: 24 de junio de 1998.

Ing. Guillermo Trujillo García. Instituto Nacional de Oncología y Radiobiología. Calle 29 esquina a E, El Vedado, Ciudad de La Habana, Cuba.