Principios de calibración de haces de Radioterapia Las...

Principios de calibración de haces de Radioterapia

Las bases del protocolo IAEA TRS‐398

Elaborado a partir de charlas cortesía de Rodolfo Alfonso y Prof. Pedro Andreo

Bibliografía

• TRS‐398, TRS‐381, TRS‐277• Podgorsak, cáp. 9• Attix, cáp. 13• Johns, cáp. 7• Khan, cáp. 8

Dosis absorbida: es la energía impartida por unidad de masa.

D= dE/dm

Depende:•Fuente de radiación (tipo de radiación, energía, fluencia, etc)

•Medio de interacción (tipos de tejido)

Para el cálculo de la dosis absorbida en cualquier punto dentro del paciente, es necesario valerse de un formalismo adecuado que permita, a partir de un juego de datos obtenidos en condiciones conocidas, realizar las correcciones requeridas que extrapolen estos datos al paciente específico y que tengan en cuenta la técnica de tratamiento a emplear.

DETERMINACION DEDOSIS ABSORBIDA EN AGUA (Dw)

medio

detector

1. Dosis absorbida en el detector, Ddet2. Se transfiere de Ddet a Dmed usando teoría Bragg-Gray

Condiciones de referencia para expresar la calibración absoluta del haz

•Punto de partida del conjunto de transformaciones necesarias para calcular la dosis en cualquier punto dentro del paciente.

•Generalmente se expresa la tasa de dosis absorbida en un punto sobre el eje del haz y en la profundidad del máximo de la curva de dosis.vs.profundidad, para un campo de 10x10 cm2 a una distancia fuente-superficie (DFS) igual a la distancia fuente-isocentro (DFI) del equipo en cuestión.

Detector de radiaciones

Agua

Fuente emisora

La simplicidad del formalismo basado en ND,w

• En la calidad de calibración Qo:

Dw,Qo =MQo ND,w,Qo

• En cualquier otra calidad del usuario Q:(fotones, electrones, protones, particulas pesadas)

Dw,Q=MQ ND,w,Qo kQ,QoFactorde calidaddel haz

4 Implementación

5

6 7

89

10

11

ESTRUCTURA DEL CoP IAEA TRS-398

CODIGO DE PRACTICAS PARA HACES xxxxxxxx

1. General2. Equipos de dosimetría

Cámaras de ionizaciónManiquíes y porta cámaras

3. Especificación de la calidad del hazElección del índice de calidad del hazMedida de la calidad del haz

4. Determinación de dosis absorbida en aguaCondiciones de referenciaDeterminación de Dw en condiciones de referencia

5. Valores para kQ,Qo6. Medición en condiciones de no referencia

Distribución de dosis en profundidad en el eje centralFactores de campo

7. Incertidumbre estimada en la Dw bajo condiciones de referencia8. Hojas de cálculo

Pasos para la determinación de Dw en los ptos de referenciausando el formalismo NK-ND,air y el formal. ND,w

1 K

2 N = N =

3 N =

= N - ) k k

4 N = N

5 D =

6 D = M N (s D = M N

, ,

, ,

, ,

, (

D,air,Q D,air,Q

w,Q air

w,Q Q D,air w,air w,Q Q D,

o

air Q w Q

K Qair Qo

QD w Q

w Q

Q

D air Qair Q

Q

K Q att m cel

Q w air p

p

o o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

Q Q

Q Q

D

KM

DM

DM

g k

D s

,,

,

,

, , )

)

(

1

w,Q Qo k

IAEA‐TRS‐277 IAEA‐TRS‐398

Factor de calidad del haz

• Debe ser medido directamenente con la cámaradel usuario, en la misma calidad del usuario, Q

• Primera recomendacion del TRS‐398• Pero.... solamente unos pocos PSDLs puedenhacer tales medidas

oooo

Qw,Q

Qw,Q

D,w,Q

D,w,QQ, Q MD

MD

NN

k

Determinación teórica de kQ,Qo (i) basado en la teoría de Bragg‐Gray

• Válido para todos los tipos de haces de alta energía

• Es la práctica más común hoy en día

• Valores calculados y medidos de kQ (por PSDLs) para fotones concuerdan bien para la mayoría de las cámaras

oooo Q

Q

Qair

Qair

Qair,w

Qairw,Q,Q p

p

W

W

s

s k

Sw,air : Razón de poderes de frenado de agua con relación al aireP: Factor de perturbación global (pcav, pcel, pdis y pwall)Wair: Energía media necesaria para producir un par de iones en aire.

Determinación teórica de kQ,Qo (ii)

• En terapia de electrones y haces de fotones usualmente se asume que

lo cual resulta en

• pQ y pQo son factores que dependen sólo de las cámaras

oQairQair WW

oo

oQ

Q

Qw,air

Qw,airQ,Q p

p

s

s k

1) kQ,Qo directamente medidos para cámaras de usuarios (pocos PSDLs). Usualmente Qo es 60Co (kQ)

2) kQ calculado con 60Co como QoLa práctica más común hoy díaLos Valores coinciden bien con los kQ medidos por los PSDLs para la mayoría de las cámaras

3) Valores genérico experimentales:solo son aceptados kQ,Qo obtenidos por labs estándares para una gran muestra de cámaras valores NO obtenidos en labs std NO son recomendados

Recomendaciones para kQ,Qo

Ajustes de valores calculados de kQ para varias cámaras de ionización cilíndricas usadas comúnmente para dosimetría de referencia en función de la calidad del haz de fotones, Q(TPR20,10).

Valores de kQ en varias calidades del haz de fotones medidos en el NPL, UK para cámaras de ionización NE 2561 (círculos vacíos) y NE 2611(círculos llenos). Los valores de kQ están normalizados a un TPR20,10 de 0.568 (haz de 60Co en el NPL).

Zref

Peff

Peff

Zref dc

El punto efectivo de medida de la cámara, Peff

Peff de una cámara cilíndrica se posiciona a la profundidad de referencia zref donde se requiere la dosis absorbida; el centro de la cámara está mas profundo que zref a una distancia dc igual al desplazamiento de Peff(0.5 rcyl para 60Co; 0.75 rcyl para fotones y 0.5 rcyl para electrones)

Para una cámara pp Peff está en el frente de la cavidad de aire.

Cámara cilíndrica

Cámara planoparalela

Factores de correción paraCámaras de Ionización

• Condiciones de medidas del usuario difieren de las del laboratorio de calibración

• Teoría de Cavidad B‐G sólo en condiciones ideales Factores de corrección por magnitudes que

influencian a la lectura del dosímetro Factores de corrección por perturbación de B‐G

Factores de correción

para Cámarasde Ionización

Factores de corrección por magnitudes que influencian la lectura del dosímetro

Factores de corrección por perturbación de B‐G

1. Temperatura, Presión y Humedad Relativa

2. Efectos de Polaridad3. Efectos de

Recombinación4. Fugas de corriente5. Efectos del vástago

1. Desplazamiento (punto efectivo de medida): pdis

2. Efecto de la pared: pwall3. Efecto del electrodo

central: pcel4. Efectos de dispersión en

la cavidad: pcav

Correcciones por magnitudes de influencia a las lecturas

• Temperatura, Presión y Humedad Relativa• Efectos de Polaridad• Efectos de Recombinación• Fugas de corriente• Efectos del vástago

Temperatura, Presión y Humedad Relativa

• Corrección por presión y temperatura. kTP

– Normalmente, T0 = 200C (mayoría de SSDL) ó 220C(ADCL´s norteamérica)

– Temperatura tomada en el maniquí– P0= 101.325 kPa 760mmHg

• Precausiones con presión reportada por estaciones meteorológicas y aeropuertos: a veces están corregidas por la altitud

– Válida para humedad relativa entre 20% y 80%

PP

TTkTP

0

0 )2.273()2.273(

23

• Como influye la humedad relativa:– La dosis liberada en la cavidad de la cámara:

– En general, la densidad del aire:

0 = 1.293 kg/m3 dado a 0 0C y 101.3kPaPW: presión parcial de vapor de agua. Aumenta con T a razón de 1.6 hPa/0C

Cada 10% de de HR 0.1% air (a 22 0C y 101.3kPa)

eW

VQ

eW

mQD air

air

air

airair

00

3783.0)2.273(

2.273P

PPT

Wair



No se necesitarán correcciones para la humedad si el factor de calibración ha sido referido a una humedad relativa del 50% y es utilizado en una humedad relativa entre el 20% y el 80%.

Si el factor de calibración está referido al aire seco, entonces deberá aplicarse un factor de corrección [68]; para las calibraciones en haces de 60Co el factor de corrección recomendado es Kh = 0.997.

Corrección por humedad relativa. kH

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Efectos de Polaridad• Factor de correción por polaridad. Kpol

– Efecto significativo en haces de electrones de baja energía y rayos X de muy baja energía

– En haces de electrones, depende de:• Energía y distribución angular de radiación incidente• Profundidad de medición• Tamaño de campo

– El efecto de polaridad puede cambiar su signo con la profundidad en el maniquí

– La lectura debe ser tomada como la media de los valores medidos a ambas polaridades

– El Factor de Corrección por Polaridad: si kpol >3% la cámarano debe emplearsepara dosimetría absolutaM

MMk pol 2

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Efectos de Recombinación

• Efecto del voltaje de polarización.

• No toda la carga producida es colectada falta de saturación

• Factores que afectan la saturación:

Física del transporte de ionesRecombinación general o volumétrica (predominante)Recombinación inicial o sobre la traza (depende del LET)Difusión de cargas (tipo de gas y geometría)

Diseño de la cámara: cilíndrica, PP, esférica

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• Pérdidas por Recombinación, de acuerdo al tipo de radiación:– Radiación continua (haces de cobalto, rayos X de ortovoltaje, fuentes de braquiterapia)

– Haces pulsados (haces de fotones y electrones, linacs)– Haces pulsados de barrido

• Factor de corrección por recombinación, ks : – Ks = 1/fg– fg : factor de recombinación– Considera las pérdidas por recombinación inicial, general y difusión.

sat

colg Q

Qf


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• Para Gas Electronegativo (ej.: aire) y radiación continua

para C.I. PP

v: vol. de cámara; t: duración de irradiación: parámetro adimensional

Constante del gas (mair=36.7Vs1/2cm‐1/2esu‐1/2)

Se mide Qcol para diferentes V, se grafica 1/Qcol vs 1/V2

cuando 1/V2 0 1/Qcol1/Qsat

26111

cgf

VvtQd

e eion

/2

eiongas e

m

2

42 16

11Vvt

dmQQ satcol


• Factor de Corrección para Radiación continua (Co60)

• En el caso de que V1=2V2

)/()/(1)/(

212

21

221

QQVVVVk c

s

2

1

334

QQk c

s


30

• Para radiación pulsada (linacs)

• Las constantes ai son dadas en la Tabla 9 del protocolo

• Cuando la corrección es pequeña (ksp < 1.03) y puedeaproximarse a:

1)/(1)/(1

21

21

VVMMk p

s


31

• Efectos de corrientes de fugas en las C.I. son minimizadas con:

– Electrodos guarda– Cables triaxiales de bajo ruido– Electrómetros sofisticados

• Categorías de las corrientes de fuga1. Corriente de fuga intrínseca (corriente “oscura”)2. Corrientes de fuga inducidas por la radiación3. Corrientes espurias inducidas en los cables por tensiones

mecánicas y fricción

Fugas de corriente

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• Corrientes intrínsecas: – siempre están presentes– No tienen relación con la radiación– Son el resultado se fugas superficiales y

volumétricas que fluyen entre el electrodo de polarización y el de medición

– En sistemas bien diseñados tienen un valor pequeño (al menos 2 órdenes de magnitud inferiores a las corrientes inducidas por la radiación)

Fugas de corriente

33

• Corrientes inducidas por la radiación: – Fugas post‐irradiación:

• Se pueden producir fugas por la irradiación de algunas partes de los aislantes, la cámara y sus partes, cables y componentes electrónicas del sistema.

• El efecto de estas fugas puede continuar despues de terminada la irradiación (“post‐irradiación) y suele decrecer exponencialmente con el tiempo

• La IEC 60731 recomienda que “...5 seg. luego de una irradiación de 10 min. la corriente de fuga debe haber decaido a menos del 1.0% de la corriente de ionización producida por la radiación...”, es decir, debe haber decaido al nivel de las fugas intrísecas del sistema dosimétrico.

– Fugas por acumulación de cargas• Se produce al emplear maniquíes de plásticos no conductores• Se acumulan cargas inducidas por la radicación en el maniquí, las cuales

causan un elevado campo eléctrico alrededor de la cámara, que dirige el flujo de electrones hacia la cavidad de esta, con lo que se incrementa la señal, resultando en una eficiencia de colección de cargas errónea.

Fugas de corriente

34

Efectos del vástago• Irradiación de la cámara => irradiar su vástago (“stem”)• Efectos del vástago:

– Dispersión– Fugas

PTW modelo TM 30013

Vástago

Journal of the Korean Physical Society, Vol. 58, No. 6, June 2011, pp. 1688‐1696

35

Efectos del vástago

– Dispersión: radiación dispersada en el vástago que alcanza el volumen sensible de la cámara. Su efecto se puede estimar empleando un vástago falso, irradiando la cámara sucesivamente con y sin la presencia del vástago; la razón de las lecturas daría el factor de corrección por el vástago Kstem..

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Efectos del vástago

– Fugas: Se debe a la irradiación directa del volumen dentro del vástago, así como a los aislantes y cables que en el se encuentran. Su efecto se puede estimar irradiando la cámara sucesivamente con un campo rectangular estrecho, orientado una vez paralelo y otra vez perpendicular al eje de la cámara. El factor Kstem.. se estima como la razón de las lecturas

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Consideraciones prácticas del efecto del vástago

• Cámara plano‐paralela para Rayos X

23344

23342

• Se emplean en medidas en el seno de aire

• El tamaño de campo durante la calibración puede diferir del usado por el usuario => diferencias de las condiciones de dispersión

)()()(

)()()( ,,, urefairstem

cref

uref

u

cuairstem fk

fMfM

fMfMfk

M(fc) y M(fu) lecturas corregidas de la cámara del usuario para el campo del usuario y de referenciaMref(fc) y Mref(fu) lecturas corregidas de la cámara de referencia

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Factores de Corrección por Perturbación

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• Para detectores que se comporten como cavidades B‐G, la fluencia de electrones en el medio sensible del detector debe ser igual a la que habría en un punto específico en el medio uniforme.

• El unico verdadero detector B‐G sería una pequeña burbuja de aire

• Todos los protocolos de dosimetría se basan en cámara de ionización con cavidades de aire.

• Para radiación fotónica de megavoltaje, las condiciones de la teoría B‐G se cumplen para las cámaras de ionización comunes

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• Las cámaras reales no sólo consisten en una cavidad.

• La pared en general, no es perfectamente equivalente al medio que la rodea (paredes de grafito o PMMA, medio: agua)

• El electrodo central de CI cilíndricas es comúnmente de Al.

• Otros materiales circundantes, como vástago, pared posterior de cámaras PP, etc.

• Todo esto introduce desviaciones al comportamiento perfecto B‐G => perturbaciones

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• Factor de Perturbación global pQ: – se introduce para corregir las desviaciones de B‐G– Se conforma por el producto de varios factores de perturbación, asumiendo que cada una es independiente de la otra

– La presencia del detector en el medio “perturba” la fluencia de electrones presente en la posición de interés “P ” en un medio uniforme, med(P), que se puede obtener a partir de la fluencia promedio real de electrones en el volumen detector:

Qmed pP det)(

42

Factores de Perturbación

• Efecto de Desplazamiento (punto efectivo de medida): pdis

• Efecto de la pared: pwall• Efecto del electrodo central: pcel• Efectos de dispersión en la cavidad: pcav

pQ=pdis x pwall x pcel x pcav

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Perturbación por desplazamiento pdis• El detector desplaza cierto volumen del medio• Aun para pared medio‐equivalente, hay un volumen ocupado por el aire de la cavidad, de dimensiones no despreciables => la dosis puede cambiar en fracciones de % en una distancia del orden del diámetro de la cámara

• La lectura se afecta por el medio “faltante”• Cavidad afecta

– Atenuación: menor atenuación => mayor lectura– Dispersión: menor dispersión => menor lectura– Resultado neto incrementa señal => pdis<1

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Perturbación por desplazamiento pdis• El valor de pdis depende de:

– Calidad del haz– Dimensiones de la cavidad en la dirección del haz– Profundidad de medida

• Para fotones, pdis casi cte. más allá de zmax. • Para fotones de alta energía con C.I. cilíndricas:

Pdis = 1‐0.004 rcyl [mm]• Para C.I. PP, se asume que el punto de referencia está en la cara

frontal de la cavidad => pdis = 1.0• Para haces de electrones con C.I. cilíndricas es muy difícil estimar

pdis por la forma de las curvas de PDD.

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Efecto de desplazamiento: Punto Efectivo

• Para cámara cilíndrica, los electrones penetran la pared desde diferentes profundidades

• => la fluencia de electrones en la cavidad es representativa de la que existiría en un punto en el medio corrido hacia el centro de la cámara

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• Punto Efectivo de medida Peff• Asumiendo que:

– movimiento de electrones secundarios en el sentido del haz

– # de iones longitud de la cuerda de los electrones en la cavidad

– => desplazamiento de Peff• dc= 8rint/3 para cilíndricas• dc= 3rint/4 para esféricas• dc= 0.6rint para cilíndricas con fotones de alta energía

• dc= 0.5rint para cilíndricas con electrones de alta E

Efecto de desplazamiento: Punto Efectivo

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Efecto de la pared: pwall

• Pwall: Factor que corrige la respuesta de una cámara de ionización por la no equivalencia del medio de la pared de la cámara y algún material impermeable

• Pared de la cámara no es equivalente al medio• Fracción de electrones que llegan a la cavidad provienen de la pared y

parte del medio (paredes “finas”)• Electrones generados en la pared por interacciones de fotones en esta

=> diferentes características de interacción que en el medio (no satisface B‐G)

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Efecto de la pared: pwall

• Cuando la calidad de radiación utilizada en la calibración Qo es igual a la calidad de radiación del usuario Q, esta atenuación se tiene en cuenta en la calibración de la cámara. Inclusive cuando Qo es diferente de Q, la atenuación de la pared en haces de fotones es lo suficientemente pequeña como para poder despreciarse

• Si se utiliza la cubierta impermeable en la calibración y en el haz del usuario, entonces puede ser considerada como parte de la pared de la cámara

airwallwallmed

enairmed sDD ,

,

airmed

airwallwallmed

en

wallthick s

s

p,

,,

Para CI de paredes “gruesas” de material homogéneo:

La perturbación en ese caso se puede considerar como:

49

Efecto del Electrodo Central pcel• Generalmente, electrodo central es de Al, pero puede ser grafito.

• Perturbación por no equivalencia con el aire• En haces de Co‐60 se ha medido un efecto de 0.9% en la razón de señales con electrodos de Al y C.

Nota: Las CI con electrodo de grafito deben ser tratadas muy cuidadosamente (fragilidad)

50

Efecto del Electrodo Central pcel

• Simulación con Monte Carlo: – Fotones con Electrodo de 1 mm de C => pcel 1– Fotones con Electrodo de 1 mm de Al => pcel : 1.008 a 1.004 para calidades de Co‐60 a TPR20/10=0.80

– Electrones con Electrodo de 1 mm de C => pcel 1– Electrones con Electrodo de 1 mm de Al => pcel < 1.002

51

Efectos de dispersión en la cavidad: pcav• La C.I. Introduce una

heterogeneidad de baja densidad en el medio

• En haces de electrones los cambios de densidad pueden provocar puntos calientes o fríos como resultado de la dispersión de electrones

• Teoría del efecto cavidades pequeñas en la fluencia de electrones prevé incremento de la señal

• Factor de perturbación por la dispersión en la cavidad pcav se refiere a una profundidad representativa (Peff) en el medio no perturbado

cavcaveffmed pP )(

52

Estimación de pcav• Para haces de fotones de alta energía, como existe equilibrio

electrónico transitorio a la zref, el valor de pcav 1• Para haces de electrones de alta energía:

– C.I. cilíndrica:pcav= 1‐0.0217 rcyl exp(‐0.153R50)

Para calidades donde R50<4g/cm2 la corrección supera 3% => no recomendable emplear cilíndricas!!

– C.I plano paralelas consideradas "bien protegidas", es decir que tienen un área radial protegida alrededor del volumen de colección de al menos 1.5 veces la separación entre electrodos, en zref se asume pcav 1

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Conclusiones

• Para cámaras cilíndricas es importante considerar el efecto de desplazamiento, ya sea con pdiso con Peff

• El pwall– es importante para fotones y se determina con buena exactitud para

cámaras cilíndricas, no así para PP.– Para cámaras cil. y PP en haces de electrones se puede considerar el

pwall 1• El pcav es importante para cámaras cilíndricas en haces de

electrones de baja energía (Ez<10 MeV)• El pcel es importante para CI cilíndricas con electrodo central

de Al en haces de fotones de baja energía• Las estimaciones experimentales o por métodos analíticos de

las perturbaciones son cuestionables; sólo la simulación por MC de la respuesta de la CI conduce a valores de elevada exactitud en los diferentes factores de perturbación

• Cámara de ionización con NDW

• Electrómetro• Cable de extensión• Fuente de comprobación de la

estabilidad del sistema de medición• Maniquí de agua con posibilidad de

posicionar la cámara a varias profundidades

• Termómetro• Barómetro

Cuestiones prácticasComponentes de un sistema dosimétrico típico

Las características de las cámaras aparecen en el TRS‐398

Caperuza estanca (Waterproof sleeves)

Determinación de Dw en 60Co• Cámara colocada en el centro del volumen cavitario Dw (center).

Maniquí de prof. variable

Medir ext de cámara +sleeve

Nivel de agua

Reflejo de la camara

Determinación de Dw en 60Co• Cámara colocada en el centro del volumen cavitario Dw (center).

Desplazar (ext/2)

Nivel de agua

Reflejo de la camara

Determinación de Dw en 60Co

Config. SAD


• Verificación redundante de colocación


• Maniquí de posición fija– Más económico – Considerar efecto de inserto

Waterproof sleeves

Waterproof sleeves

Considerar espesor equivalentede ventana: twin pl

Otrosinstrumentos y accesorios

Condiciones de Referencia:

• Maquiquí Agua• SCD: 80 ó 100 cm• Profundidad de ref. zref : 5 g cm‐2 (ó 10 g cm‐2)• Pto. Ref. en cámara cil.: eje long. centro cav.• Pto. Ref. en cámara PP: cara interna de ventana

• Campo 10x10 cm

El protocolo muy resumido

• TPR 20,10 S w,air KQ,Qo• Datos de la cámara pdis, pwall, pcel, pcav• Temp y Presión kTP• Polaridad kpol• Recombinación ks• PDDzref ó TMRzref Ddmax

Condiciones de Referencia. TRS‐398

• Determinación de Dw en condiciones de referencia

• Dw en zmax: ‐ uso de % DD para set‐up a SSD‐ uso de TMR para set‐up a SAD. kQ,Qo para Co‐60 = 1.0!!

oooo QQ,Qw,D,QQ,w kNMD

Hola de cálculo del OIEA para el TRS‐398

http://www‐naweb.iaea.org/nahu/DMRP/codeofpractice.html

Gracias

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