Desarrollo e implementación de un sistema de auditoría para dosimetría absoluta con alanina y TLD en centros de radioterapia chilenos

Texto completo

(1)PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE FACULTAD DE FÍSICA. Desarrollo e implementación de un sistema de auditorı́a para dosimetrı́a absoluta con alanina y TLD en centros de radioterapia chilenos. Profesora Guı́a: Dra. Araceli Gago Profesor co-guı́a: Dra. Beatriz Sánchez Nieto Instituto de Fı́sica Pontificia Universidad Católica de Chile. Tesis para ser presentada en la Facultad de Fı́sica para optar al grado de Magı́ster en Fı́sica Médica. DANIEL FAÚNDEZ CIFUENTES SANTIAGO - CHILE 2018.

(2) Profesor Guı́a Dra. Araceli Gago. Director de Tesis Dra. Araceli Gago Dra. Beatriz Sánchez.

(3) A mis Padres y Hermano.

(4) Índice general Índice de Figuras. VII. Índice de Tablas. VIII. 1. Introduccion. 1. 1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.2. Dosimetrı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.2.1. Dosı́metros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.2.2. Exactitud de una medida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.2.3. Tipos de Incertidumbre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6. 1.2.4. Cámara de Ionización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.3. Calibración de haces de fotones en radioterapia . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.3.1. Formalismo basado en ND,W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.3.2. Condiciones de referencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 1.3.3. Magnitudes de influencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.3.4. Corrección por la calidad del haz de radiación kQ,Q0 . . . . . . . . . . . . 11 1.3.5. Determinación de la dosis absorbida en agua para haces de fotones de alta energı́a 11 1.4. Control de calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4.1. Control de calidad de equipos del tratamiento . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5. Norma N◦ 51 Radioterapia Oncológica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.5.1. Marco Legal en Chile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.6. Auditorias de Calidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.6.1. Tipos de Auditorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19. iii.

(5) 2. Marco Teórico. 21. 2.1. Dosimetrı́a con Alanina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2. Dosimetrı́a Termolumiscente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3. Materiales y Métodos. 48. 3.0.1. Dosı́metros utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.0.2. Kit dosimétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.0.3. Dosimetrı́a con Alanina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52. 3.0.4. Dosimetrı́a Termoluminiscente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.0.5. Calibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.0.6. Auditorias en centros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.0.7. Análisis de incertidumbres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4. Resultados. 72. 4.1. Posicionamiento de la muestra de alanina en la cavidad . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2. Calibración en alanina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3. Dependencia de la señal con la temperatura del annealing preirradiación de TLD 77 4.4. Corrección por la temperatura del peak principal en la obtención de carga de TLD 78 4.5. Estudio factor de sensibilidad de TLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.6. Homogeneidad del haz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.7. Calibración TLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.8. Auditorias en centros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5. Discusiones. 91. 6. Conclusiones. 94. 7. Anexos. 101. iv.

(6) palabra. v.

(7) Índice de figuras 1.1. Veracidad, precisión y exactitud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 1.2. Cámara de ionización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 2.1. Estructura molecular de la Alanina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2. Esquema de la división de la energı́a Zeeman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3. Esquema de Espectrómetro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28. 2.4. Esquema de la Cavidad Resonante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30. 2.5. Canal de señal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.6. Amplitud de modulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.7. Señal sin normalizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.8. Señal normalizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.9. Procesos al irradiar el cristal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.10. Procesos al calentar el cristal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.11. Dosı́metros termoluminiscentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41. 2.12. Linealidad de un TLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.13. Curva de brillo de LiF (TLD 100).. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43. 2.14. Lectora Harshaw 3500 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.1. Kit dosimétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.2. Diseño de placa con ranura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.3. Insertos de alanina y TLDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4. Dosı́metros de alanina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.5. Modificación en el sistema de posicionado de los dosı́metros de alanina. . . . . . 54 3.6. Diseño de sistema de posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 vi.

(8) 3.7. Esquema de la posición del pellet de alanina en la cavidad . . . . . . . . . . . . 57 3.8. Configuración experimental calibración TLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.9. Procedimiento experimental dependencia annealing y curva de brillo. . . . . . . 60 3.10. Hornos utilizados para la realización de los annealings. . . . . . . . . . . . . . . 60 3.11. Montaje para la medición del factor de sensibilidad. . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.1. Posición de la muestra de alanina en la cavidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.2. Posición de la muestra de alanina en la cavidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.3. Curvas de calibración por método peak a peak. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4. Curvas de calibración por método factor de proporcionalidad. . . . . . . . . . . 76 4.5. Curvas de brillo para los distintos annealing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.6. Curvas de brillo sin corrección para la obtención de carga. . . . . . . . . . . . . 78 4.7. Curvas de brillo con corrección para la obtención de carga. . . . . . . . . . . . . 79 4.8. Curva de calibración promedio corregida y no corregida.. . . . . . . . . . . . . . 80. 4.9. Factor de sensibilidad para annealing de 300◦C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.10. Factor de sensibilidad para annealing de 400◦C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.11. Homogeneidad del haz de radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.12. Curvas promedio mediante dos protocolos de annealing. . . . . . . . . . . . . . . 84 4.13. Curvas de calibración obtenidas con annealing a 400◦ C. . . . . . . . . . . . . . . 86 4.14. Resultados de las auditorias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.15. Resultados de las auditorias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.1. Hoja de datos para solicitar información a los centros de radioterapia . . . . . . 101. vii.

(9) Índice de tablas 1.1. Condiciones de referencia para haces de fotones de alta energı́a . . . . . . . . . . 10 3.1. Parámetros utilizados para dosimetrı́a con alanina. . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2. Parámetros utilizados en la lectora para dosimetrı́a Termoluminiscente. . . . . . 61 3.3. Calendario del peak principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.1. Parámetros obtenidos para la calibración, en el espectrómetro Bruker ER 073. . 74 4.2. Parámetros obtenidos para la calibración, en el espectrómetro Bruker ER 070. . 74 4.3. Parámetros del ajuste con y sin corrección por la temperatura del peak principal 80 4.4. Parámetros obtenidos para la calibración, mediante los dos protocolos de annealing. 84 4.5. Auditorias a centros de radioterapia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.1. Curvas de calibración con y sin corrección de carga . . . . . . . . . . . . . . . . 102. viii.

(10) Capı́tulo 1 Introduccion 1.1.. Motivación. La Radioterapia utiliza las radiaciones ionizantes para el tratamiento de tumores y otras lesiones benignas como meningiomas o adenomas hipofisarios entre otros. Al irradiar el tejido vivo, se desencadenan en las células una serie de procesos que pueden llevar a la muerte celular y/o afectar a su capacidad de reproducción. Los efectos biológicos de la radiación en un tejido vienen determinados entre otros factores por la energı́a depositada por la radiación por unidad de masa, la cual se cuantifica por medio de la dosis absorbida. La calidad de un tratamiento de radioterapia depende de factores que pueden clasificarse como clı́nicos y dosimétricos, ejemplo de factores clı́nicos son la localización del tumor, la estrategia del tratamiento y la re−evaluación de la efectividad de dicho tratamiento; otros factores son dosimétricos o fı́sicos, tales como la incertidumbre en el cálculo de la dosis, la capacidad de los equipos para proporcionar un haz de radiación consistente con la planificación del tratamiento. Es por lo tanto claro que si se desea analizar la calidad de un tratamiento de radioterapia, debe entenderse que los dos aspectos, médico, fı́sico o dosimétrico, necesitan ser tenidos en cuenta de una manera combinada. Esto requiere que oncólogos radioterapeutas, fı́sicos médicos y técnicos en radioterapia trabajen de forma conjunta, contribuyendo con su conocimiento a la calidad del tratamiento.. 1.

(11) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 2. Uno de los aspectos más relevantes en dosimetrı́a es el de la calibración de los distintos equipos que forman parte del tratamiento de radioterapia. Una vez calibrados los equipos es habitual realizar controles o auditorı́as dosimétricas, con la finalidad de evitar errores sistemáticos en la administración de la dosis con consecuencias en el tratamineto del paciente [1, 2]. Hoy en dı́a, los dosı́metros termoluminiscentes, TLD, son el estándar para los programas de auditorı́a de dosimetrı́a absoluta de todo el mundo para haces de fotones y electrones de alta energı́a debido a la fiabilidad, bajos niveles de incertidumbre y facilidad de distribución de estos dosı́metros especialmente relevante para paı́ses en desarrollo [3]. Sólo recientemente, el Centro de Fı́sica Radiológica (RPC-MD Anderson Cancer Center, Texas) ha reemplazado TLD con luminiscencia ópticamente estimulada de sus auditorı́as a distancia [4]. Otro sistema de dosimetrı́a absoluta que se puede implementar para el intervalo de dosis utilizado en radioterapia es el de dosimetrı́a con alanina y EPR. La concentración de radicales libres producidos por la radiación en la molécula de L-α-alanina se puede cuantificar mediante el uso de técnicas de resonancia paramagnética electrónica (EPR). La dosimetrı́a alanina/EPR es un método estándar usado en laboratorios primarios de dosis de radiación como el Instituto Nacional de normas y tecnologı́a (NIST, US) y el Laboratorio Nacional de Fı́sica (NPL, UK) [5]. En Chile, el Instituto de Salud Pública, ISP, cumple las funciones de ente regulador, normalizador y supervisor de la provisión de radioterapia. Actualmente el ISP utiliza TLD para su programa de auditorı́as dosimétricas. El objetivo de esta tesis es el desarrollo e implementación de un sistema de auditoria postal a nivel nacional basado en dosı́metros de alanina y TLD disminuyendo los niveles de incertidumbre asociados a la medida de dosis absoluta. Además de comparar ambos sistemas dosimétricos, identificando las ventajas que ambos sistemas poseen para su uso en auditorias en centros de radioterapia. Dentro de las propiedades dosimétricas importantes de un sistema dosimétrico están: linealidad de la respuesta de dosis, dependencia energética, tasa de dosis, etc. Finalmente se realizará una intercomparación dosimétrica entre los sistemas TLD y Alanina, para ası́ identificar las diferencias en dosis absoluta e incertidumbres asociadas para cada uno de los métodos..

(12) 3. CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 1.2.. Dosimetrı́a. La dosimetrı́a es una disciplina metrológica que se ocupa de la medida de dosis. La dosis está relacionada con la cantidad estocástica de energı́a impartida. La dosis absorbida es una magnitud definida como la energı́a media impartida por la radiación ionizante, dǫ, a una cierta cantidad de masa dm.. D=. dǫ dm. (1.1). La unidad de dosis absorbida en el sistema internacional es joule por kilogramo (J / kg); la cual recibe el nombre de Gray (Gy). La dosis absorbida en agua es la magnitud de mayor interés en radioterapia debido a su estrecha relación con los efectos biológicos de las radiaciones (cerca de un 70 % del cuerpo humano está compuesto por moléculas de agua). La dosimetrı́a puede ser dividida en dos ramas diferentes, la primera, dosimetrı́a absoluta, es aquella donde la lectura es medida en un punto de referencia bajo condiciones de referencia para luego convertirla en valores de dosis en Gray. La segunda es dosimetrı́a relativa, donde la lectura medida en un punto de interés bajo ciertas condiciones de irradiación es comparada con la dosis medida en un punto de referencia bajo ciertas condiciones de referencia. Ejemplos de dosimetrı́a relativa son perfiles y medidas de dosis en profundidad (variando el punto de interés) ası́ como determinaciones de factores de tamaño de campo y de cuña (variando las condiciones de irradiación). Una determinación errónea de la dosis en el punto de referencia conllevará la propagación de ese error a todas las medidas derivadas a partir de dosimetrı́a relativa.. 1.2.1.. Dosı́metros. La medida de dosis se realizan con un dosı́metro, un dispositivo en el cual los efectos de la radiación conducen a una lectura R que puede ser relacionada con la dosis D entregada al dosı́metro. La calibración del dosı́metro consiste en determinar la relación entre la lectura R del dosı́metro y la dosis. Además puede resultar necesario determinar, a partir de la dosis en el dosı́metro, la dosis depositada en otro material de interés, por lo general agua. Al conjunto de un dosı́metro y su dispositivo de lectura se le denomina sistema de dosimetrı́a..

(13) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 4. En la elección del material de un dosı́metro se suelen tener en cuenta sus caracterı́sticas relevantes en lo que respecta a la interacción de la radiación ionizante, comparando éstas con las caracterı́sticas del agua (material de referencia por su similitud con el tejido). En el caso de haces de fotones, los parámetros importantes son el número atómico efectivo para el efecto fotoeléctrico determinante en la probabilidad de interacción por efecto fotoeléctrico o la densidad electrónica determinante para el efecto compton. La medida de una magnitud dosimétrica es el proceso de determinar experimentalmente el valor de dicha magnitud utilizando un sistema dosimétrico. El resultado de la medida es el valor de una magnitud dosimétrica expresada como un valor numérico y una unidad apropiada. Los fenómenos de interacción de la radiación con la materia utilizados para la determinación de la dosis son muy variados, como cambios de temperatura, cambios quı́micos, luminiscencia, conductividad, etc. Los factores que afectan a la calidad de la medida realizada con un dosı́metro son: linealidad de la respuesta de dosis, dependencia de la tasa de dosis, dependencia energética, lı́mite de detección, dependencia direccional, dependencia de condiciones ambientales resolución espacial y tamaño [6]. Las propiedades dosimétricas de los dosı́metros utilizados en éste trabajo, Alanina y TLD, serán detallados en el Capı́tulo 2.. 1.2.2.. Exactitud de una medida. La exactitud de una medida consiste en la proximidad entre el resultado o conjunto de resultados obtenidos de una medición y el valor correcto del mensurando. En el contexto de cualquier medición fı́sica, la exactitud de una medida tiene dos componentes fundamentales: la veracidad y la precisión. Veracidad o Justeza: Se define como el nivel de coincidencia entre el valor medio del conjunto de medidas realizadas y el valor del mensurando aceptado como referencia. Precisión o fidelidad: Consiste en la coincidencia entre los resultados independientes de un conjunto de medidas realizadas bajo condiciones especı́ficas. La alta precisión involucrará una pequeña desviación en el conjunto de medidas [7]..

(14) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 5. En la Figura 1.1 se muestra esquemáticamente los conceptos mencionados anteriormente.. Figura 1.1. Concepto de veracidad, precisión y exactitud, adaptada desde [7]. Como sabemos toda medida experimental tiene asociada una incertidumbre que se ve afectada por los distintos instrumentos utilizados o por la implemetación de métodos imperfectos. Es importante tener claro los conceptos de error e incertidumbre. Error: Es la diferencia entre un valor medido de una magnitud y el valor de referencia aceptado como correcto.. Incertidumbre: Es un parámetro que caracteriza la dispersión de los valores atribuidos a un mensurando que se conserva tras haber aplicado las correcciones correspondientes. La incertidumbre es una cota superior estimada de esta corrección residual, consecuencia de la imperfección de la medida corregida..

(15) 6. CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 1.2.3.. Tipos de Incertidumbre. Las incertidumbres asociadas a una medida se clasifican en tipo A y tipo B, dependiendo de los métodos usados para evaluarlas. El método de evaluación de la incertidumbre tipo A se realiza mediante el análisis estadı́stico de una serie de observaciones muestrales, mientras que el método de evaluación de la incertidumbre tipo B se basa en distribuciones de probabilidad supuestas [8]. Incertidumbres Tipo A: Si la medición de una cantidad dosimétrica x es repetida N veces, entonces la mejor estimación del valor de x es x, media aritmética muestral de todas las medidas xi : N 1 X xi x= N i=1. (1.2). La desviación estándar σx permite caracterizar la dispersión de los valores medidos y se define como: v u u σx = t. N. 1 X (xi − x)2 N − 1 i=1. (1.3). mientras que la desviación estándar del valor medio viene dado por v u u σx = t. N. X 1 (xi − x)2 N(N − 1) i=1. (1.4). La incertidumbre estándar tipo A, representada mediante la notación uA , es habitualmente definida como la desviación estándar del valor medio, uA = σx . La incertidumbre tipo A se obtiene mediante el análisis estadı́stico de medidas repetidas. Incertidumbres Tipo B: Hay muchas fuentes de incertidumbres que no pueden estimarse mediante la repetición de medidas. Estas se llaman incertidumbres tipo B. En ellas se incluyen las influencias desconocidas, e incluso sospechadas, en el proceso de medida, y los pequeños.

(16) 7. CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. efectos de las magnitudes influyentes (presión, temperatura, etc.), la aplicación de factores de corrección o datos fı́sicos procedentes de la literatura, etc. Para estimar las incertidumbre tipo B se usan distribuciones de probabilidad supuestas (distribuciones rectangulares, triangulares, gaussianas) dependiendo del fenómeno estudiado y de la naturaleza de la fuente de incertidumbre (resolución de un aparato, incertidumbre asociada a una corrección, etc). Incertidumbres combinadas y expandida: Puesto que las incertidumbres tipo A y tipo B son estimadas como desviaciones estándar, se combinan siguiendo las reglas estadı́sticas para la combinación de varianzas (desviaciones estándar al cuadrado). Si uA y uB son las incertidumbres tipo A y tipo B de una magnitud, entonces la incertidumbre estándar de esa magnitud es: q uC = u2A + u2B. (1.5). La incertidumbre combinada se asume que exhibe una distribución normal y es multiplicada por un factor de alcance, indicado como k, para obtener la incertidumbre expandida U = kuC . El resultado de la medida de la cantidad Q es entonces expresado por Q ± U..

(17) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 1.2.4.. 8. Cámara de Ionización. Las cámaras de ionización de aire son los instrumentos más utilizados en la praćtica clı́nica para la medida de dosis absoluta y relativa, debido a que son dispositivos robustos que permiten medir con gran exactitud bajo las condiciones adecuadas. El principio de medición consiste en la detección del número de iones producidos por la radiación en una cavidad llena de gas. La carga colectada es proporcional al número de electrones liberados por la radiación ionizante, que a su vez es proporcional a la energı́a absorbida en el volumen activo de la cámara. Existen distintos tipos de cámaras de ionización, las más utilizadas son las cámaras cilı́ndricas (tipo dedal) y en menor medida las cámaras plano paralelas. La Figura 1.2 muestra un esquema de una cámara tipo dedal, llamada ası́ por su forma. La superficie interna de la misma está recubierta de un material conductor formando uno de los electrodos. El otro electrodo es una varilla de grafito o aluminio, sostenida en el centro del dedal pero aislada del mismo, para colectar los iones formados por la radiación. El electrómetro es el dispositivo que suministra el voltaje a la cámara de ionización y registra la carga liberada en la ionización.. Figura 1.2. Cámara de ionización tipo cilı́ndrica, adaptada desde [9].

(18) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 9. Las cámaras de ionización cilı́ndricas se pueden usar como instrumentos de referencia, calibradas en un laboratorio, o como instrumentos de campo, calibradas por comparación con el instrumento de referencia.. 1.3.. Calibración de haces de fotones en radioterapia. Existen distintas formas de calibrar un acelerador lineal. Sin embargo para este trabajo en particular nos centraremos en el formalismo basado en la calibración de un acelerador lineal basado en la determinación de dosis absorbida en agua.. 1.3.1.. Formalismo basado en ND,W. La calibración de un acelerador lineal consiste en la determinación de la dosis absorbida en agua por unidad monitor en condiciones de referencia. A continuación se describirá la metodologı́a recomendada por la Agencia Internacional de Energı́a Atómica, IAEA por el Código de Práctica TRS 398 [10] para la calibración de haces de fotones clı́nicos de megavoltaje de alta energı́a.. 1.3.2.. Condiciones de referencia. El coeficiente de calibración para una cámara de ionización irradiada bajo condiciones de referencia es el cociente entre el valor convencionalmente verdadero de la magnitud medida (dosis, kerma, etc.) y la lectura del dosı́metro. Las condiciones de referencia establecidas por la IAEA para calibraciones en términos de dosis absorbida en agua se muestran en la tabla 1.1, la cual fue tomada del Código de Práctica Internacional para la dosimetrı́a TRS 398. El laboratorio de dosimetrı́a estándar es el responsable de entregar el coeficiente de calibración de la cámara de ionización..

(19) 10. CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. Tabla 1.1. Condiciones de Referencia para la determinación de dosis absorbida en agua para haces de fotones de alta energı́a. Magnitud de influencia Material de maniquı́ Tipo de cámara Profundidades de medida zref. Valor o caracterı́sticas de referencia Agua Cilı́ndrica Para TPR20,10 < 10 g/cm2 (ó 5 g/cm2 ) Para TPR20,10 > 10 g/cm2. Punto de referencia de la cámara. Posición del punto de referencia de la cámara SSD/SCD Tamaño de campo Calidad del haz. 1.3.3.. En el eje central, en el centro del volumen de la cavidad.. En la profundidad de medida zref 100 cm 10 cm × 10 cm 60. Co. Magnitudes de influencia. Las magnitudes de influencia son aquellas que no siendo el objeto de la medición, tienen una influencia sobre la magnitud que quiere ser medida. Las magnitudes de influencia pueden ser de diferente naturaleza, como por ejemplo, presión, temperatura, calibración del electrómetro, efecto de polaridad y de recombinación de iones en el volumen activo, etc. Durante la calibración de un dosı́metro se trata de mantener bajo control la mayor cantidad de magnitudes de influencia posibles, sin embargo muchas de ellas no pueden ser completamente controladas. En estos casos es posible corregir el efecto que tiene cada una de éstas magnitudes de influencia mediante la aplicación de factores apropiados, ki , donde el subı́ndice i se usa para indicar el tipo de corrección aplicado. Los distintos factores de corrección utilizados habitualmente se muestran en la siguiente ecuación, donde M corresponde a la lectura del dosı́metro, kT P factor de corrección por efecto de la temperatura y la presión, kh factor de corrección por efecto de la humedad, ks factor de corrección por pérdida en la colección de la carga, kelec factor de calibración del electrómetro, kpol factor de corrección por el efecto de un cambio en.

(20) 11. CAPÍTULO 1. INTRODUCCION la polaridad de la tensión de colección aplicada a la cámara.. M = M1 · kT P · kh · ks · kelec · kpol. 1.3.4.. (1.6). Corrección por la calidad del haz de radiación kQ,Q0. Las medidas que se realizan con un dosı́metro en calidades de haz de radiación, Q, diferentes a la de referencia, Q0 , requieren la aplicación de un factor de corrección por calidad de haz. La calidad de haz se refiere a la energı́a media del haz. En el Código de Práctica internacional TRS 398 dicho factor de corrección se representa como kQ,Q0 , y no está incluido dentro de las magnitudes de influencia. En Radioterapia de fotones de alta energı́a, la calidad de referencia, Q0 , usada para la calibración de cámaras de ionización es la radiación gamma del. 60. Co, y. la notación utilizada es kQ . Sin embargo en algunos Laboratorios Primarios de Calibración Dosimétrica (LPCD) que utilizan como calidad de referencia haces de fotones de megavoltaje, se utiliza el sı́mbolo kQ,Q0 .. 1.3.5.. Determinación de la dosis absorbida en agua para haces de fotones de alta energı́a. La obtención de la dosis absorbida en agua, DW,Q , en un haz de fotones de calidad Q, medida a una profundidad de referencia, zref , viene por tanto dada por la siguiente ecuación:. DW,Q = MQ ND,W,Q0 kQ,Q0. (1.7). Donde MQ es la lectura del dosı́metro, con el punto de referencia de la cámara colocado en zref , de acuerdo con las condiciones de referencia y corregida por las magnitudes de influencia según la expresión 1.6, ND,W,Q0 es el factor de calibración del dosı́metro, en términos de dosis absorbida en agua, en la calidad de referencia Q0 , y kQ,Q0 es el factor de corrección por calidad.

(21) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 12. de haz especı́fico de la cámara que corrige por las diferencias entre la calidad Q0 de referencia y la calidad real, Q. Una vez calibrado el haz de radioterapia es necesario que cada centro de radioterapia disponga de medios para garantizar la calidad de la medida, mantener las incertidumbres asociadas a la dosis dentro de los lı́mites recomendados internacionalmente y disponer de los mecanismos necesarios para corregir desviaciones que puedan ir en perjuicio del paciente. Es muy importante la implementación de mecanismos de control de calidad para evaluar los resultados en los procesos de medida, para que no existan equivocaciones o valores fuera de los lı́mites establecidos.. 1.4.. Control de calidad. El control de calidad es una parte esencial del proceso de radioterapia, que no solo garantiza que los equipos estén correctamente calibrados, sino que incluye otras actividades propias del proceso. Antes de enumerar los requisitos que debe tener un sistema de control de calidad es necesario establecer alguna definición. Según la Organización Mundial de la Salud, (OMS Quality Assurance In Radiotherapy), 1988, “Se entiende por control de calidad en Radioterapia a todas las acciones que garantizan la consistencia entre la prescripción clı́nica y su administración al paciente, con respecto a la dosis en el volumen blanco, la dosis mı́nima en el tejido sano”[11]. La implementación de un control calidad es necesario para minimizar los errores y accidentes, optimizando la calidad del tratamiento de radioterapia. Para cada variable analizada en un control de calidad es necesario fijar niveles de tolerancia. En lo que respecta a la dosis prescrita al paciente, existen variaciones en la distribución de la dosis en el volumen objetivo, de modo que se consideran como aceptables variaciones que estén dentro de los siguientes niveles de tolerancia, según lo establecido por el protocolo de calidad de la IAEA−TECDOC−1151 [11]:.

(22) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 13. 3 % de la dosis absorbida entregada en un punto especı́fico. 5 % de la dosis en todos los otros puntos en el volumen objetivo. 4 mm en la posición de los bordes de campo y bloques de blindaje en relación con el PTV.. 1.4.1.. Control de calidad de equipos del tratamiento. Todos los equipos de irradiación han de ser calibrados y debidamente verificados antes de su utilización en el tratamiento de los pacientes. Este proceso se suele organizar de la siguiente manera:. Especificación del equipo, pruebas de aceptación y caracterización, o comisionamiento del equipo, incluyendo su calibración para uso clı́nico. Pruebas de control de calidad. Al finalizar el comisionamiento, y antes de que el equipo se ponga en uso clı́nico, se establece y aplica un programa formal de control de calidad que normalmente incluye distintos tipos de pruebas. Pruebas adicionales de control de calidad. Después de cualquier reparación, intervención o ajuste significativo al equipo será necesario realizar pruebas de control de calidad de rutina. Programa planificado de mantenimiento preventivo, de acuerdo con las recomendaciones del fabricante.. Especificación del equipo Antes de la adquisición del equipo, se debe preparar un documento detallado que describe las caracterı́sticas y especificaciones del equipo que se quiere solicitar. En este documento se deben considerar aspectos como instalación, operación del equipo, rendimiento, etc. El documento debe ser redactado considerando el criterio de un grupo multidisciplinario de personas, donde se consideran fı́sicos médicos, oncólogos, radioterapeutas, tecnólogos médicos e ingenieros..

(23) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 14. Aceptación En ésta etapa el proveedor acredita el desempeño base del equipo, cumpliendo con las especificaciones de referencia. Es responsabilidad del fı́sico médico aceptar el equipo o decidir si algún aspecto de los criterios de aceptación no se cumple. La aceptación consiste en una serie de mediciones básicas del funcionamiento del equipo. Además el proveedor debe mostrar que los parámetros del equipo están dentro de rango, que no existe ningún parámetro alterado. El equipo sólo puede ser formalmente aceptado cuando el fı́sico médico está convencido que el equipo cumple con todas las especificaciones establecidas en el contrato. Comisionamiento Una vez aceptado el equipo, es necesario realizar una caracterización completa de su funcionamiento para uso clı́nico, incluyendo su calibración dosimétrica de acuerdo a protocolos estándares. Es recomendable que en los pasos claves del comisionamiento como lo es la calibración, se realice una segunda comprobación independiente de la medida realizada. El comisionamiento incluye la preparación de procedimientos, protocolos, instrucciones y toma de datos para su uso clı́nico. Finalmente el uso clı́nico sólo puede comenzar cuando el fı́sico médico está convencido de que las medidas y datos adquiridos son consistentes, lo que permite el uso seguro del equipo. Pruebas de control de calidad Es importante que el rendimiento y funcionamiento de los equipos utilizados en los procesos de simulación, planificación y ejecución del tratamiento de radioterapia permanezcan constantes dentro de los lı́mites de tolerancia establecidos en el programa de control de calidad. Para lograr esto se realizan programas de seguimiento de los parámetros definidos en dicho programa, mediante la aplicación de pruebas exhaustivas a cada uno de los procesos mencionados anteriormente y de los equipos involucrados. Las pruebas de control de calidad están organizadas de acuerdo a la frecuencia con las que se realizan. A continuación se detalla las pruebas de control que se realizan a los aceleradores lineales..

(24) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 15. Pruebas Diarias: Control de variables que pueden afectar de manera significativa en el posicionamiento del paciente y/o la ubicación del campo de radiación, volúmenes blanco y por consecuencia la dosis al paciente. Ejemplos: simetrı́a y planicidad del haz. Pruebas Mensuales: Control de parámetros cuyas variaciones afectan en menor medida al paciente o que tienen una menor variación temporal. Ejemplos: congruencia de campo lumninoso−radiación y planicidad del perfil del haz. Pruebas Anuales: Consiste en la verificación de la constancia de ciertos parámetros determinados durante el comisionamiento del equipo. Ejemplos: porcentaje de dosis en profundidad, razón tejido−aire, factores campos y de cuñas, etc. Además de un chequeo más detallado de los parámetros controlados mensualmente, como por ejemplo determinación de la tasa de dosis de referencia, posición del brazo, coincidencia del isocentro mecánico y radiante, etc. Además el Ministerio de Salud y la Comisión Chilena de Energı́a Nuclear, cada uno en sus respectivas áreas de competencia, realizan un control de calidad externo anual analizando la calidad de la calibración de los equipos de radioterapia (aceleradores lineales). En la presente tesis se desarrollará un sistema de auditorı́a externa de dosimetrı́a absoluta para su uso por parte del Ministerio de Salud.. 1.5.. Norma N◦51 Radioterapia Oncológica. Según la Norma General Técnica N◦ 51, Radioterapia Oncológica del Ministerio de Salud, es responsabilidad del director del establecimiento donde se encuentre la unidad de radioterapia, implementar un programa de control de calidad y un comité de control de calidad, para su desarrollo y ejecución. De acuerdo con la definición de la Norma General Técnica N◦ 51 “El programa de garantı́a de calidad es la estructura organizativa, responsabilidades, procedimientos, procesos y recursos necesarios para implementar la gestión de calidad”. Las etapas que forman parte del programa de garantı́a de calidad son:.

(25) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 16. Definir y satisfacer completamente los objetivos del programa de control de calidad. Desarrollar un manual de control de calidad, donde se detallen las distintas etapas del proceso de radioterapia. El manual debe contemplar aspectos clı́nicos, fı́sicos, técnicos y de seguridad. Describir detalladamente cada una de las pruebas de calidad que se realizarán a los dispositivos que participan del proceso de radioterapia. Describir los materiales y los recursos humanos que se utilizaran para llevar a cabo cada una de las pruebas. Considerar a los responsables en la toma de decisiones y acciones a tomar cuando un resultado esté fuera de los lı́mites de tolerancia. En el caso especı́fico del control de calidad en radioterpia será un fı́sico médico el responsable. Describir el sistema de evaluación y análisis de resultados del proceso radioterapéutico.. El programa de control de calidad debe cubrir desde los equipos de megavoltaje hasta los equipos eléctricos de prueba. Existen recomendaciones y guı́as emitidas por organizaciones internacionales como la Agencia Internacional de Energı́a Atómica, IAEA, o la Asociación Americana de Fı́sicos en Medicina, AAPM, para implementar programas de control de calidad. Estos documentos recomiendan la realización de distintas pruebas, la frecuencia en que se realizan y establecen niveles de tolerancias orientativos. Un aspecto importante es que el programa de control de calidad debe estar por escrito, almacenando una copia fı́sica del mismo en el departamento donde aparezca registro de las últimas pruebas realizadas y estar siempre disponible para las autoridades competentes. Los programas de calidad en radioterapia se dividen generalmente en tres grupos: control de calidad de equipos del tratamiento, control de calidad en la planificación del tratamiento y control de calidad en la entrega del tratamiento. En particular para esta tesis nos enfocaremos en el primer grupo, en el control de calibración del haz de los equipos utilizados para el tratamiento en radioterapia mediante la implementación de un sistema de auditorı́a..

(26) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 1.5.1.. 17. Marco Legal en Chile. El Decreto con Fuerza de Ley N◦ 725/6 establece los reglamentos vigentes de las instalaciones radiactivas de primera categorı́a y de prestadores de salud. Además regula la autorización del personal que opera las instalaciones radioactivas (Decreto Supremo N◦ 3/85), ası́ como también establece los reglamentos relacionados con la protección radiológica de las instalaciones radiológicas (Decreto N◦ 594). El reglamento sanitario sobre establecimientos de radioterapia oncológica, elaborado por el Ministerio de Salud, considera la necesidad de regular las actividades de los establecimientos en que suministra tratamientos de radioterapia, con el objetivo de resguardar la salud de las personas que en ellos se atienden y que allı́ laboran.. El artı́culo 3 del decreto 18, de las disposiciones generales del año 2015 elaborado por el Ministerio de Salud, el cual lleva como tı́tulo: “Reglamento sanitario sobre establecimientos de radioterapia oncológica”, dan facultad al Instituto de Salud Pública como laboratorio nacional y de referencia, normalizador y supervisor de la provisión de radioterapia en cuanto a la calidad de la misma, en la calidad de los equipos y de las fuentes empleadas y la manera en que el tratamiento entregado corresponde al prescrito por el médico respectivo. Además otorga al Instituto Salud Pública la facultad de crear un programa de control de calidad [12].. El mismo decreto menciona que “Toda falla que el Instituto de Salud Pública detectare en la materia referida deberá ser comunicada para efectos de su fiscalización a la Secretarı́a Regional Ministerial de Salud competente, con copia informativa a la Subsecretarı́a de Salud Pública. Por lo tanto para estos fines el Instituto de Salud Pública deberá establecer un programa de evaluación en el que deben participar todos los servicios de radioterapia autorizados”..

(27) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 1.6.. 18. Auditorias de Calidad. Según la Norma General Técnica N◦ 51 en Radioterapia una auditorı́a de calidad consiste en “un examen sistemático e independiente aplicado al programa de garantı́a de calidad con la finalidad de determinar si las actividades y resultados del programa cumplen con las disposiciones planificadas y si estas disposiciones se entregan de manera adecuada y eficaz para alcanzar los objetivos establecidos por el mismo”. Estas auditorias deben ser realizadas por personas con capacidades profesionales similares a las de un fı́sico médico con experiencia clı́nica. Esto favorece el entendimiento entre el auditor y el responsable del programa de garantı́a de calidad auditado, evitando alterar el normal funcionamiento de la institución. Un aspecto importante a considerar es que la institución auditada debe mostrar una actitud abierta ante la realización de auditorı́as de calidad y no percibirla como una vigilancia o inspección. Todas las personas que forman parte del programa de garantı́a de calidad deben estar al tanto de los resultados de la auditorı́a realizada. Los instrumentos de medición y metodologı́a utilizados para realizar las medidas en el proceso de control de calidad deben ser independientes a los que se utilizan normalmente en la institución [13]. “Los resultados de las auditorı́as deben ser presentados mediante un informe escrito, donde se muestren los resultados, las desviaciones de las medidas respecto al valor proporcionado por la institución, criterios de aceptabilidad y recomendaciones para corregir errores”. El informe escrito de la auditorı́a debe ser presentado tanto al fı́sico médico de la institución como al responsable del programa de garantı́a de calidad. Un aspecto importante es que cuando se encuentren discrepancias en las mediciones, la auditorı́a puede extender su duración, para asegurar que no exista un error generalizado. Ası́ mismo las discrepancias encontradas deben ser explicadas a la institución para que ésta tome las medidas necesarias para corregirla. Cuando los errores encontrados en la auditorı́a se puedan atribuir a una mala administración de la institución, será necesario que la institución informe sobre los resultados a las secretarı́as regionales ministeriales de salud (SEREMI)..

(28) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 1.6.1.. 19. Tipos de Auditorias. La Agencia Internacional de Energı́a Atómica, IAEA en su protocolo de control de calidad, TECDOC−1151 menciona que las auditorı́as pueden ser clasificadas en internas, dentro de las cuales se pueden encontrar intercomparaciones postales con Dosı́metros Termoluminiscentes o intercomparaciones con cámaras de ionización, y externas, como visitas de organismos a centros de radioterapia. Cada uno de ellos permitirá revisar las calibraciones de equipos, el uso de protocolos y el cálculo de dosis del Programa de Garantı́a de Calidad [11]. Auditorias Internas. Auditorı́a postal con dosı́metros termoluminiscentes: Son generalmente organizadas por Laboratorios Secundarios de Calibración Dosimétrica y por la Agencia Internacional de Energı́a Atómica (IAEA). Permiten hacer una determinación independiente de la dosis con un sistema dosimétrico diferente al usado para la calibración del equipo. La primera parte de este tipo de auditorı́a consiste en comparar el valor de dosis absorbida medido, con el valor de dosis de referencia que se solicita suministrar. Con este tipo de auditorı́as se busca detectar errores en: • En el factor de calibración de los equipos de dosimetrı́a. • En la aplicación de códigos de práctica para la determinación de dosis absorbida (protocolos). • En los procedimientos de cálculo de unidades de monitor. Cabe destacar que el nivel de discrepancia entre la institución auditada y la medida del equipo auditor deberı́a ser menor a un ±5 %. Adicionalmente a las mediciones realizadas bajo condiciones de referencia, se puede comparar la dosis absorbida bajo otras condiciones como distintos tamaños de campo y distintas profundidades.

(29) CAPÍTULO 1. INTRODUCCION. 20. Intercomparaciones con cámaras de ionización: Consiste en la comparación de medidas dosimétricas bajo distintas condiciones entre diferentes instituciones, para ello concurren distintos fı́sicos médicos con su propio instrumental de medición (cámara de ionización y electrómtero) al centro de radioterapia. La finalidad de éste tipo de auditorı́a es revisar los distintos criterios acerca de la determinación de dosis absorbida, compararación de procedimientos y revisión de factores de cámara.. Auditorias Externas. Visitas de organismos a centros de radioterapia: Las auditorias llevadas a cabo mediante la visita de organismos a centros de radioterapia, son el método más completo, ya que permite una revisión general del programa de garantı́a de calidad elaborado por la institución. Las pruebas que se realizan en éste tipo de auditorı́a son similares a las que se describen comúnmente en los programas de garantı́a de calidad, seleccionándose aquellas con mayor relevancia.. En el presente trabajo se realizaron auditorı́as externas enviando dosı́metros a las instituciones mediante un proceso postal, intercomparando entre dos sistemas dosimétricos alanina y TLD. El organismo encargado de realizar estas auditorias es el Instituto de Salud Pública, ISP..

(30) Capı́tulo 2 Marco Teórico 2.1.. Dosimetrı́a con Alanina. Fundamentos Un efecto de la radiación ionizante en sustancias orgánicas, es la producción de radicales libres. La alanina es uno de los aminoácidos simples presentes en la naturaleza en relación con su estructura molecular, la cual se muestra en la Figura 2.1, siendo CH3 CH(NH2 )COOH su fórmula quı́mica. Cuando la radiación ionizante incide sobre la alanina se forman radicales en un número que es proporcional a la energı́a depositada en el dosı́metro, para un amplio rango de valores de dosis. Esta propiedad es la base de la dosimetrı́a con alanina [14]. Un aspecto a considerar es que la alanina existe en dos estructuras, la α−alanina y la β−alanina, siendo la primera particularmente adecuada para la dosimetrı́a, ya que en la estructura β los radicales presentan una menor estabilidad en el tiempo [15].. La concentración de radicales libres presente en una muestra de alanina puede ser medida mediante Espectroscopı́a de Resonancia de Spı́n Electrónico, (ESR), la cual registra una señal de amplitud proporcional al número total de radicales. La ESR fue desarrollada, por Zavojskij en 1941 y sus fundamentos están estrechamente vinculados con el efecto Zeeman. Un electrón tiene un momento magnético intrı́nseco (spin). En presencia de un campo magnético B0 , el momento magnético intrı́nseco del electrón µ puede: 21.

(31) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 22. Figura 2.1. Estructura molecular de la Alanina. Estar alineado en el sentido del campo magnético (con estado de energı́a asociado, E1 ). Estar alineado en sentido contrario al campo magnético (con estado de energı́a asociado, E2 ).. La diferencia de energı́a, ∆E, entre estos niveles es proporcional al factor de Landé, g, el magnetón de Bohr, µB , y la densidad de flujo magnético, B, siendo esta relación conocida como la condición básica de resonancia. El factor de Landé es adimensional y depende del momento angular total del electrón. La condición de resonancia está dada por:. E2 − E1 = ∆E = µB gB = hν. (2.1).

(32) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 23. Figura 2.2. Esquema representando la diferencia de energı́a, debido a la posible alineación del momento magnético electrónico en un campo magnético externo. Transiciones entre estos dos estados ocurren con la absorción o emisión de un pulso de energı́a de una fuente externa de alta frecuencia. En condiciones de temperatura ambiente el estado de menor energı́a está ligeramente más poblado por radicales libres que el estado de mayor energı́a permitiendo la absorción de energı́a. La diferencia energética entre estos dos estados puede ser entonces medida mediante la absorción de radiación electromagnética en una muestra. La absorción de energı́a causa una transición del nivel de baja energı́a E1 al nivel superior E2 . Para campos magnéticos de aproximadamente entre 0.32 y 0.37 T (3200 a 3700 Gauss), el sistema es capaz de absorber energı́a, ∆E = hν de un campo externo de alta frecuencia (en el rango de las microondas) siempre que exista un mecanismo de relajación debido a la interacción con el medio circundante. En la práctica la fuente de radiación electromagnética se mantiene constante usando un campo de alta frecuencia de microondas, mientras que la intensidad del campo magnético varı́a hasta que se cumple la condición de resonancia..

(33) 24. CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. La medida de las concentraciones de radicales libres mediante ESR es por tanto un método para la determinación de la dosis absorbida en muestras de alanina para una cierta calidad de haz Q, Dal,Q . La Intensidad de señal ESR puede calcularse como:. (IESR )Q,T = K · GQ,T · m · Dal,Q. (2.2). Donde IESR es la intensidad de la señal ESR de la muestra de alanina, K es un factor de proporcionalidad que depende de la sensibilidad del espectrómetro, m es la masa del dosı́metro y GQ,T es el rendimiento de la radiación de la alanina, definido como el número de radicales generados por unidad de energı́a absorbida en la alanina para cierta calidad de haz Q y temperatura de irradiación T [16]. Las propiedades intrı́nsecas hacen de la alanina un buen dosı́metro para aplicaciones industriales y también como dosimetrı́a de referencia en radioterapia. Sin embargo la mala relación señal ruido hace que la dosimetrı́a en el rango de la terapia (1 a 20 Gy) sea más difı́cil [17]..

(34) 25. CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO Propiedades dosimétricas de la alanina Linealidad de la respuesta de dosis.. La relación entre la concentración de radicales de los dosı́metros de alanina es lineal con la dosis absorbida en agua, lo que simplifica el proceso de calibración entre los 0.5 Gy y los 10 kGy [18]. El procedimiento de calibración que permite medir la dosis absorbida en agua a partir de la intensidad existente de señal de alanina/ESR, implica la determinación del factor de proporcionalidad que relaciona estas dos magnitudes. El factor de proporcionalidad, puede ser calculado como la pendiente BQ,T del ajuste lineal de la señal ESR y la dosis absorbida en agua (intensidad ESR, para dosı́metros que han sido irradiados a diferentes niveles de dosis absorbida en agua, a una temperatura T y una calidad de haz Q). La ecuación que relaciona la dosis absorbida en agua y la dosis absorbida en la alanina se muestra a continuación:. Dw,Q = BQ,T ·. (IESR )Q,T = BQ,T · K · GQ,T · Dal,Q m. (2.3). Estabilidad de radicales libres La concentración de radicales en la alanina es una caracterı́stica importante que condiciona la adquisición de la señal ESR. La ventaja de la alanina es que los radicales son más estables que en otras sustancias orgánicas donde la estabilidad imposibilita el uso como dosı́metro y por lo tanto, resulta más complicado relacionar señal con dosis. La recombinación de los radicales va a depender de factores externos como la humedad relativa y la temperatura de las muestras. Ha sido reportado que la alanina presenta una tasa de desvanecimiento de la señal aproximadamente del 3 % por un periodo de 17 meses bajo condiciones normales, a una temperatura de 20◦ C y una humedad relativa del 55 % [19]..

(35) 26. CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO Dependencia energética y tasa de dosis. La dependencia energética se define como la variación en la lectura del dosı́metro cuando este es irradiado por haces de distintos espectros de energı́a depositando un mismo valor de dosis absorbida en agua Dw . Como el detector es siempre calibrado a cierta energı́a y a cierta calidad de haz Q0 , se pueden obtener factores de corrección, FQ,Q0 , a partir de la razón de las lecturas del detector y el valor de la magnitud de interés bajo el espectro energético Q y el de calibración Q0 .. FQ,Q0 =. (IESR /Dw )Q (IESR /Dw )Q0. (2.4). Para haces de fotones de megavoltaje entre 6−30 MV, la alanina muestra una variación de respuesta de aproximadamente un 0.6 % con respecto a haces de. 60. Co [20], debido. principalmente a las variaciones de rendimiento de radiación, G, por lo que normalmente no se corrige por dependencia energética en las modalidades de linac de megavoltaje, por lo mismo se obtendrán incertidumbres más pequeñas en relación con las variaciones en la calidad del haz. Por otro lado, en lo que respecta a la tasa de dosis, no se observan efectos significativos de la tasa de dosis en dosı́metros de alanina irradiados con tasas inferiores de 3.1 Gy/s [21]. Por lo tanto el efecto de la tasa de dosis puede ser ignorado completamente en dosimetrı́a con alanina en el rango de la terapia..

(36) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 27. Proceso no destructivo de lectura La concentración de radicales inducidos por la radiación en los dosı́metros de alanina no se ve afectada por el proceso de lectura en ESR. Esto implica que los dosı́metros de alanina se pueden leer tantas veces como se desee, lo que permite realizar estudios acumulativos. Esto presenta una ventaja en comparación con otros métodos dosimétricos, como por ejemplo la dosimetrı́a termoluniscente.. Pequeña dependencia con las condiciones ambientales Las condiciones ambientales como la humedad relativa y la temperatura afectan en el desvanecimiento de radicales en los dosı́metros de alanina. Este trabajo se desarrolló bajo condiciones ambientales normales de medición. Se controlaron las condiciones ambientales mediante un pre acondicionamiento previo a la irradiación como también previo a la lectura de los detectores, dejándolos en la sala donde se encuentran los equipos a temperatura ambiente un dı́a antes de las medidas..

(37) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 28. Adquisición de Espectros. • Espectrómetro A principios de esta sección se describió el principio teórico en que se basa la medición de los dosı́metros de alanina mediante espectroscopı́a de resonancia spı́n electrónico. Los equipos de ESR se componen principalmente de cuatro componentes: fuente de radiación de microondas, un electroimán (o magneto), una cavidad resonante de microondas y un diodo detector. Para adquirir un espectro se varia el campo magnético, mientras incide sobre la muestra un campo de radiación electromagnética en el rango de microondas. Se mide con un diodo la cantidad de radiación electromagnética, que es reflejada por la cavidad que aloja a la muestra, cuando se produce la absorción de energı́a electromagnética. La Figura 2.3 muestra esquemáticamente un espectrómetro Bruker EPR y los principales componentes que lo componen. Cada una de las secciones que componen el espectrómetro se describen a continuación:. Figura 2.3. Esquema de Espectrómetro.

(38) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 29. • Puente de Microondas: El puente de microondas es un elemento del equipo que consta de la fuente de microondas y el diodo detector. A la salida de la fuente de microondas se encuentra un atenuador variable, cuya función es controlar el flujo de radiación de microondas que entra a la cavidad. En particular para este trabajo se utilizó un espectrómetro de reflexión. El cual mide los cambios, debidos a transiciones espectroscópicas, en la cantidad de radiación de microondas que regresa desde la cavidad. Es por esto que se utiliza un circulador que asegura que la radiación de microondas proveniente del atenuador es dirigida hacia la cavidad. Finalmente la radiación que es reflejada por la cavidad es dirigida hacia el diodo detector. El diodo detector consiste en un diodo Schotkky que convierte la potencia de microondas que llega de la cavidad en corriente eléctrica. • Cavidad: La muestra es colocada dentro de una cavidad de microondas que consiste en una caja rectangular de metal que resuena con las microondas, amplificando señales débiles provenientes de la muestra. Para acoplar las microondas en la cavidad hay un agujero con un tornillo llamado iris que se puede mover hacia arriba o hacia abajo para controlar la cantidad de microondas que entran a la cavidad, ver Figura 2.4. Cuando la cavidad esta acoplada la cantidad de radiación de microondas reflejada por la cavidad es mı́nima. De este modo cuando las transiciones paramagnéticas ocurren, la muestra absorbe energı́a de microondas produciendo cambios en la impedancia efectiva de la cavidad, con lo cual ya no estarán crı́ticamente acopladas. En esta situación, cierta cantidad de radiación de microondas será reflejada hacia el circulador, alcanzando al diodo detector, que produce una corriente eléctrica que conforma la señal ESR..

(39) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 30. Figura 2.4. Esquema de la Cavidad Resonante. Las cavidades se caracterizan por su factor de calidad, FC, que indica cuan eficiente es la cavidad para almacenar la energı́a de las microondas. A medida que FC aumenta, la sensibilidad de la cavidad aumenta. El FC es definido como la razón entre la energı́a almacenada y la energı́a disipada en la cavidad por ciclo (energı́a perdida durante un ciclo de microondas), siendo relacionada con los parámetros de abertura del iris y la fuente de microondas en la cavidad. Un aspecto a considerar es la presencia de agua en la cavidad, que afecta al FC y a la sensibilidad del espectrómetro. Sin embargo siempre habrá cierta cantidad de agua dentro de la cavidad, debido a la humedad relativa del aire. Además la separación espacial del campo eléctrico y magnético en la cavidad será relevante. Como es el campo magnético el que impulsa la absorción en EPR, colocar la muestra en una posición en que el campo eléctrico sea mı́nimo y el campo magnético sea máximo, permite medir con mayor sensibilidad..

(40) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 31. • Canal de Señal, Amplificador Lock−in: La espectroscopı́a EPR utiliza una técnica conocida como detección de fase sensible para aumentar la sensibilidad del espectrómetro. Esto consiste en introducir una modulación sinusoidal en la intensidad del campo magnético al que se somete la muestra. Esto permite codificar las señales de EPR discriminando fuentes de ruido o interferencia que están presentes en un laboratorio. Cuando una transición espectroscópica ocurre, la modulación del campo magnético barre la señal y las microondas reflejadas desde la cavidad son también moduladas con la frecuencia de modulación del campo magnético. El amplificador Lock−in suprime entonces todas las señales que no tienen la frecuencia y fase de la modulación del campo magnético. Además un filtro pasa baja se acopla al detector para eliminar parte del ruido de alta frecuencia. Un aspecto importante es que la amplitud de la señal oscilante detectada incrementa con la pendiente de la señal absorbida por el canal de señal, siendo ésta la razón por la cual los espectros ESR son adquiridos como la primera derivada de la señal de absorción, Figura 2.5.. Figura 2.5. Canal de señal.

(41) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 32. Parámetros de operación del espectrómetro Es importante saber cómo afecta cada uno de los parámetros de operación del espectrómetro a la señal adquirid. Esto nos permitirá optimizar la operación del equipo, para obtener una señal ESR de alta calidad y baja razón señal−ruido. Existen diferentes aspectos que determinan la sensibilidad del espectrómetro, como la amplitud de modulación del campo magnético, la componente magnética del campo de microondas y el factor de calidad de las cavidades. Los distintos parámetros de operación del espectrómetro se describen a continuación. • Potencia de microonda La intensidad de señal ESR medida por el diodo incrementa con la potencia de microondas. Sin embargo, si la potencia de microondas es demasiado alta, el tiempo de recuperación de equilibrio en un campo magnético externo se hace más largo que el tiempo entre los pulsos de microonda por lo que obtendremos una señal saturada con peaks poco definidos. Un aspecto a considerar es que para potencias superiores a los 2.53 mW se produce una distorsión en el espectro, debido a la salida del régimen lineal. Además con altas potencias de microondas,se pueden producir efectos de calentamiento dentro de la cavidad resonante que pueden afectar negativamente a la estabilidad del equipo, produciendo cambios en el contenido de humedad de los pellets de alanina durante la medición. En este trabajo la potencia utilizada para realizar la adquisición de los espectros fue de 0.64 mW [22]. • Tiempo de barrido El tiempo de barrido es el tiempo empleado por el espectrómetro para la adquisición de un espectro, es el producto entre el tiempo de conversión, que es el tiempo de integración del diodo en cada valor de intensidad de campo magnético externo y el número de intensidades de campo magnético empleado para adquirir un espectro. A mayor tiempo de conversión, los espectros presentan una mayor razón señal−ruido. El tiempo de conversión utilizado en este trabajo fue de 20.48 ms, además el número de puntos adquiridos por espectro fue de 1024 puntos. El tiempo de barrido para la.

(42) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 33. adquisición de un espectro es de aproximadamente 20.97 segundos. • Time Constant Es un parámetro que permite suprimir el ruido de alta frecuencia, ya que consiste en un filtro pasa baja. Cabe destacar que no se puede trabajar con un valor excesivamente grande de time constant ya que podrı́a producir distorción del espectro ESR. El valor de time constant utilizado en éste trabajo es de 163.84 ms [22]. • Amplitud de modulación La modulación del campo magnético también afecta a la intensidad de la señal ESR. A medida que la amplitud de modulación aumenta, también lo hace la intensidad de señal ESR, aunque por encima de cierto valor la señal ESR tiende a distorsionarse. Además pueden surgir efectos de calentamiento dentro de la cavidad si la amplitud de modulación es muy alta. La amplitud de modulación debe mantenerse por debajo del ancho más estrecho de la muestra que se quiere medir [23]. En el caso de los dosı́metros de alanina es habitual considerar el ancho del peak central para comprobar que se cumple la condición mencionada. En nuestro caso el ancho del peak central es de 9 Gauss ver Figura 2.6, ası́ que se consideraron las adquisiciones de espectros con una amplitud de modulación de 6.3 G..

(43) 34. CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. Figura 2.6. Espectro ESR de dosı́metro de alanina irradiado a 50 Gy. La lı́nea (azul) muestra el ancho de peak central, de 9 G. Cuantificación de la señal La cuantificación de señal de los dosı́metros fue realizada utilizando dos métodos diferentes. Uno de los métodos utilizados consiste en calcular la amplitud peak a peak del espectro. El cálculo de la amplitud peak a peak es realizado tras la sustracción de la lı́nea base del espectro (obtenida de espectros de alanina sin irradiar) al promedio de las adquisiciones en cada orientación investigada. El otro método usado es el llamado “Factor de Proporcionalidad”, el cual consiste en la comparación de un espectro de referencia con el espectro de cada dosı́metro, calculando el factor de proporcionalidad que se debe aplicar al dosı́metro para minimizar la diferencia entre los dos espectros por mı́nimos cuadrados, ver Ecuación 2.5.. n. χ2red. 1 X (a · refi − sigi )2 = n − 2 i=1 σi2. (2.5). En donde sigi el valor de intensidad de señal del espectro investigado para cada valor de.

(44) 35. CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. campo magnético y refi es el espectro de la señal de referencia y σ representa la amplitud de ruido, obtenido como la desviación estándar de la señal experimental en una región sin señal ESR significativa. El factor de proporcionalidad, a, se identifica con la intensidad de senãl, IESR , del dosı́metro investigado. Como espectro de referencia se toma el de un dosı́metro irradiado a un alto valor de dosis, en nuestro caso a 90 Gy, ya que exhibe una alta relación señal−ruido. La lı́nea base fue también sustraı́da a este espectro de referencia antes de ser comparado con los otros espectros. En la Figura 2.7 podemos observar el espectro de referencia utilizado y el espectro de una muestra irradiada a 20 Gy.. 100000. Señal de referencia Señal 20 Gy. 80000. Intensidad ESR (a.u.). 60000 40000 20000 0 −20000 −40000 −60000 −80000 3350. 3400. 3450. 3500. 3550. 3600. 3650. Campo Magnético (G). Figura 2.7. Comparación entre la señal de referencia del dosı́metro irradiado a 90 Gy, y la señal de un dosı́metro irradiado a 20 Gy, sin normalizar por el factor de proporcionalidad.. El método de factor de proporcionalidad fue propuesto por Sharpe et al [24], el cual se basa en el supuesto de que la forma del espectro (señal ESR) de la alanina es independiente de la dosis depositada en el dosı́metro. La Figura 2.8 muestra la normalización de la señal de 20 Gy..

(45) 36. CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 100000. Señal de referencia Señal 20 Gy normalizado. 80000. Intensidad ESR (a.u.). 60000 40000 20000 0 −20000 −40000 −60000 −80000 3350. 3400. 3450. 3500. 3550. 3600. 3650. Campo Magnético (G). Figura 2.8. Comparación entre la señal de referencia del dosı́metro irradiado a 90 Gy, y señal de un dosı́metro irradiado a 20 Gy, normalizada por el factor de proporcionalidad. La frecuencia de resonancia de la cavidad puede variar debido a distintos factores: humedad en el ambiente, contenido de agua de los detectores. Por ello resulta conveniente realizar un alineamiento en el eje x de los distintos espectros con respecto al espectro de referencia, encontrando la traslación que maximice la correlación entre ambas señales [22]. Independientemente del método de cuantificación empleado, el valor de intensidad de señal asociado a cada dosı́metro o cada nivel de dosis se calculó como el promedio de 3 dosı́metros, tal y como muestra la Ecuación 2.6. Se debe considerar la masa de los pellets de alanina, m. Además de considerar las orientaciones de los pellets 0◦ y 90 ◦ . . IESR m. . 3. 1 X (IESR)i,0◦ + (IESR )i,90◦ = 3 i=1 2mi. (2.6).

(46) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 2.2.. 37. Dosimetrı́a Termolumiscente. Fundamentos La luminiscencia es la propiedad de algunos cuerpos de emitir luz tras haber absorbido energı́a, por ejemplo tras la exposición a radiación ionizante. La emisión luminiscente ocurre como resultado de una transición electrónica radiativa, en la cual, un electrón pasa de un nivel de energı́a mayor a uno más bajo. La diferencia de energı́a es emitida en forma de un fotón. La longitud de onda de la luz emitida es caracterı́stica de cada material. De acuerdo al tiempo caracterı́stico τ que transcurre entre la excitación y la luminiscencia, ésta se clasifica en fluorescencia y fosforescencia [25]. Para entender el fundamento fı́sico de los TLD nos centraremos en la fosforescencia.. • Fosforescencia: Se caracteriza por un retraso entre la absorción de energı́a y la luminiscencia. El tiempo tras el cual se produce la emisión supera los 10−8 s. Aquı́, la excitación ocurre desde el estado fundamental a un nivel metaestable (“trampas electrónicas”) desde el cual el electrón no puede volver al estado fundamental, emitiendo un fotón, a no ser que se suministre cierta energı́a. El electrón debe pasar del estado metaestable al estado excitado y necesita para ello adquirir la energı́a correspondiente a la diferencia entre ambos niveles energéticos, la cual se provee mediante medios térmicos. Esto también puede ser explicada a través de la estructura de bandas en la energı́a de los electrones del material. Las caracterı́sticas que posee ésta estructura son: una banda de valencia que incluye los electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos. Una banda de conducción en la que los electrones se encuentran libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Entre ambas bandas, se encuentra una zona energética no permitida llamada banda prohibida. Al introducir impurezas y defectos en el material aparecen niveles energéticos intermedios (en la banda prohı́bida) donde los electrones pueden quedar atrapados, denominados estados metaestables (trampas). Las impurezas pueden ser de tipo.

(47) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 38. aceptor, creando estados metaestables cercanos a la BC, o de tipo donador, creando estados metaestables cercanos a la BV y que permiten la reabsorción de electrones [26]. Posteriormente se observará la emisión luminiscente, incluso después de haber sido retirada la fuente de excitación. Esta emisión continuará, con menor intensidad, hasta que no haya más cargas en los niveles metaestables. El tiempo de decaimiento depende de la temperatura. Si el cristal se coloca a una mayor temperatura la transición se producirá a una mayor tasa y por consiguiente su tiempo de decaimiento será más corto. A este fenómeno se le denomina termoluminiscencia.. Un cristal termoluminiscente será eficiente en la medida que tenga una alta concentración de trampas electrónicas (huecos causados por impurezas y defectos estructurales del cristal). Los defectos de un cristal se dividen en tres tipos:. • Defectos intrı́nsecos: Se deben a pérdidas de átomos sin reponer, defecto Schotkky, o a la inserción de un átomo en un cristal en un sitio no adecuado, defecto Frenkel.. • Defectos extrı́nsecos o impurezas: Se deben a la inserción de un átomo de un elemento distinto a los que componen el cristal en un sitio adicional que no pertenezca al cristal.. • Defectos adicionales: Producidos por radiación ionizante en haluros alcalinos. La termolumiscencia se puede explicar mediante dos procesos:. 1. Cuando se irradia un cristal, la ionización da lugar a la aparición de electrones libres y sus respectivos huecos. Estos electrones se mueven en la banda de conducción por un corto tiempo y pueden suceder tres cosas, ver Figura 2.9:.

(48) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 39. a) Los electrones pueden quedar atrapados en los estados metaestables (estados intermedios). b) Los electrones se pueden recombinar con los huecos volviendo a ocupar la banda de valencia. c) Los electrones pueden quedar atrapados en los huecos (estados metaestables) que activan centros de luminiscencia, como resultado de la irradiación, y que serán posteriormente desactivados dando lugar a la emisión de luz.. Figura 2.9. Procesos al irradiar el cristal, adaptada desde [27]. a) Excitación, b) Recombinación, c) Atrapamiento en estado metaestable.. 2. Tras la irradiación, si el cristal se calienta entre los 100 y 500◦ C, los electrones atrapados en los estados metaestables obtienen la energı́a termal suficiente para escapar de la trampa y volver a la banda de conducción y nuevamente pueden pasar tres cosas, ver Figura 2.10: a) Pueden quedar reatrapados en los defectos. Con una baja probabilidad. b) Pueden caer en la banda de valencia y recombinarse, radiativamente (fluorescencia o no), con los huecos. c) Se pueden recombinar radiativamente en un hueco activando un centro de luminiscencia. La emisión de luz de este proceso es lo que se denomina termoluminiscencia..

(49) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 40. Figura 2.10. Procesos al calentar el cristal, adaptada desde [27].. Los dosı́metros termoluminiscentes (TLD) pueden obtenerse de yacimientos minerales naturales o pueden ser fabricados artificialmente, mediante el dopaje de cristales con un porcentaje muy pequeño de especies activadoras. Un ejemplo de ésto son los TLD de LiF : Mg; Ti ,es decir, fluoruro de litio dopado con magnesio y titanio o los TLD de Li2 B4 O7 : Cu que es Li2 B4 O7 dopado con cobre. Las caracterı́sticas de un dosı́metro termoluminiscente difieren considerablemente dependiendo de su composición y porcentaje de activadores. El registro de la intensidad de luz emitida por el sólido en función de la temperatura o el tiempo se denomina termograma, o curva de brillo. La temperatura a la cual el portador de carga es excitado desde la trampa a la banda de conducción, se relaciona directamente con la profundidad de la trampa. Los TLD se pueden encontrar en distintos formatos como por ejemplo polvo, dosı́metros sólidos (barras, pellets, chips) o polvo adherido a un sustrato. En particular en éste trabajo se utilizaron chips cristalinos TLD−100 (Harshaw−Thermo Scientific, USA) con dimensiones de: 3.2 × 3.2 × 0.9 mm3 , ver Figura 2.11..

(50) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 41. Figura 2.11. Dosı́metros termoluminiscentes sobre una placa petri.. Considerando lo anterior podemos elegir un TLD cuyo z efectivo sea similar a la del tejido humano (8.2 de los TLD 100 frente a 7.4 del tejido).. Propiedades dosimétricas de los TLD. • Linealidad de la respuesta de dosis. La respuesta de un TLD, se define como la señal integrada por el tubo fotomultiplicador, que detecta la luz producida por la termoluniscencia y la convierte en una carga eléctrica, por unidad de exposición a la radiación. A medida que aumenta la dosis el detector exhibe distintos tipos de respuesta, pasando por una región lineal, una región supralineal seguido de una región de saturación y una región sublineal. La importancia relativa de cada una de estas regiones depende del material que constituye el TLD, la naturaleza y energı́a de la radiación, ası́ como también de los parámetros empleados en el proceso de lectura. En la práctica, se recomienda que los TLD sean utilizados en la región lineal y haciendo uso de factores de corrección cuando se salga de la región de linealidad. Según lo reportado los TLD-100 muestran un comportamiento lineal entre los 0.01 cGy hasta los 2 Gy [28]..

(51) CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO. 42. Figura 2.12. Curva de respuesta a dosis de un TLD, adaptada desde [27].. La respuesta de los TLD es considerada como independiente de la tasa de dosis [29]. Por ejemplo, los dosı́metros de LiF, TLD 100, son independientes de la tasa de dosis hasta los 450 Gy/µs [30]. Esto quiere decir que no es necesaria la implementación de factores de corrección por ninguna variacion en la tasa de dosis asociadas a modificaciones al haz, variación de la SSD, contextura del paciente, etc. • Dependencia con la temperatura y Annealing. Previo a la irradiación de un TLD en dosimetrı́a, y para borrar cualquier carga almacenada es que se ha llevado a cabo el desarrollo de procedimientos de annealing, que consiste en un proceso térmico previo a la irradiación y lectura, para borrar la información anteriormente almacenada en los TLD. El annealing se realiza para reducir la intensidad de los otros peaks a excepción del peak principal, número 5, ver Figura 2.13. Por lo tanto es importante la elección de un proceso de annealing y de enfriamiento adecuado.. Zimmerman et al [31] sugieren un procedimiento de “annealing estándar”, que da lugar a una curva de brillo que sólo tiene peaks de alta temperatura, peaks 4 y 5 presentes. Este procedimiento consiste en calentar el dosı́metro a 400◦ C durante.