Reseña histórica de la radioterapia. Generadores de...

Reseña histórica de la radioterapia. Generadores de Rayos‐X

(Añadir al final la braquiterapia electrónica …)

Objetivos• Introducción. Papel de la Radioterapia en el control de cáncer

• Reseña histórica de la radioterapia• Conocer la historia del desarrollo del equipamiento de Radioterapia con rayos X de bajas y medias energías.

• Conocer el principio de funcionamiento y los principales sistemas de los Equipos de Radioterapia Superficial y Ortovoltage.

• Conocer las diferencias fundamentales entre los equipos de Radioterapia Superficial y Ortovoltage

Incidencia mundial del cáncer

Acceso a la radioterapia en América Latina

Radioterapia

• Una de las modalidades principales para el tratamiento del cáncer (usualmente en combinación con quimioterapia y cirugía) 

• Se asume que alrededor del 50% de los pacientes de cáncer se beneficiarán de la radioterapia

Radioterapia: Es una especialidad clínica que tiene que vercon el empleo de las radiaciones ionizantes en el tratamientode pacientes con enfermedades malignas y ocasionalmentecon enfermedades benignas.

Fin de la Radioterapia: Entregar a un volumen tumoraldefinido una dosis de radiación medida con precisión, garantizando el mínimo daño posible al tejido sanocircundante, que resulte en la erradicación del tumor y la prolongación de la vida del paciente con una mayor calidadde vida en el caso de los tratamientos curativos, por otraparte tambien se emplea la radioterapia con intenciónpaliativa o en la prevención de síntomas de la enfermedadoncológica, en el alivio del dolor, etc.

Definiciones

Braquiterapia: Esta palabra se deriva del griego, donde braqui significa cerca por tanto la braquiterapia es la radioterapia donde la fuenteradiactiva se encuentra en las cercanías e incluso dentro del tumor.

Teleterapia: Es la radioterapia a distancia, es decir la fuente de radiaciones se encuentra alejada del volumen tumoral y de modo general tiene que atravezar parte de tejido sano para alcanzar este volúmen.

Radioterapia

Radioterapia externa Braquiterapia

Radioterapia con haces externosGeneralmente se fracciona ‐ ej. 30 fracciones diarias de 2Gy hasta una dosis total de 60Gy

• Fotones de superficie/ortovoltaje (50 a 400kVp) para la piel o lesiones superficiales

• Fotones de megavoltaje (Co‐60 o aceleradores lineales = linacs) para tumores a mayor profundidad

• Electrones de megavoltaje a partir de linacspara lesiones más superficiales

Espectro electromagnético

Radiaciones ionizantes

Descubrimiento de los Rayos XNoviembre 1895

Anunció el descubrimiento de la radiactividad de compuestos de uranioNoviember 1886

Anunciaron el descubrimiento del Polonio en Julio 1898 y del Radio en diciembre 1898

1903

1911, Nobel enQuímica (Ra y Po)

Daños por radiación

She passed away in 1934 because of aplastic anemia, a bone marrow circulation disease. This disease is very often linked with over exposure to radioactive substances

Reconoció 2 métodos para medir los rayos X y gamma: Fotográfico y eléctrico, 1899

Mucho entusiasmo por los Rayos X

23 Feb 1896, Irradiation of a skin tumour in a 4‐year‐old boy

Léopold Freund (Vienna ‐ Austria)

Francis H. Williams, 1901 

Primeros tratamientos con Rayos X

Epitelioma curado por Rayos X. Paciente en 1899 antes del tratamiento y 30 meses después

Carcinoma basal tratado en1899 con 99 sesiones en 6 meses 

30 años después 

London Hospital ‐ 1905 

Tratamiento de cáncer de mama

1937 

Complicaciones en radioterapia Efectos agudos

Grado 1 ‐ Eritema Grado 2 ‐ Descamación seca

Grado 3 ‐ Descamación húmeda Grado 4 ‐ Necrosis

1895 Descubrimiento por Roentgen de los Rayos X1896 Campo externo para cáncer de mama. Voigt la utiliza para aliviar dolores

producidos por cancer.1898 Descubrimiento del Radio por los esposos Curie1899 Reporte del primer paciente curado con Radioterapia1900 Primeros años, empleo de moldes con fuentes de Radio para el tratamiento

de diferentes lesiones superficiales. Inicios de la Braquiterapia1902 Becquerel reporta el primer accidente con radiaciones, descubre la

radiactividad.1903 Alexander Graham Bell es el primero que sugiere la braquiterapia

intracavitaria en el “Journal of American Medicine”, expresó: No hay razones por las que no puedan ser introducidos fragmentos de radio en tubos de cristal y colocados en el mismo corazón del tumor”

1909 Beck realiza la primera aplicación de Radiactividad de forma Intraoperatoria.1913 Coolidge desarrolla el 1er tubo de Rayos X con el pico de energía en 140 kV1920 Tubos de Rayos X de mayor energía que permiten la terapia más profunda.

.

.

Cronología de hechos relevantesen relación con la Radioterapia

1922 Congreso de Oncología en París donde se establecela Radioterapia como una especialidad médica

1927 Moriz realiza la primera angiografía.1932 Se fabrican tubos de Rayos X de 800-1000 kV.

Chadwick descubre los neutrones.1934 Coutard realiza la protactación de las dosis.1948 Stone aplica las radiaciones con neutrones1949 Leksell realiza la primera radiocirugía.1951 Primera unidad de Cobalto. Primer acelerador.1964 Abe retoma la radioterapia intraoperatoria.1965 Planificación computarizada.1967 Primera Gamma Unit.1970 Primera aplicación de la Gamma Unit en MAV.1971 Simulador y TAC.1973 Resonancia Magnética Nuclear.1977 Acelerador lineal a 100 cm de DFS.1984 Aceleradores Lineales duales1990 Radioterapia con intensidad modulada (IMRT).

Cronología de hechos relevantesen relación con la Radioterapia (cont.)

Unidades deRadioterapia Superficial yOrtovoltage. Chaulterapia

Rayos X según la energía de los electrones que los producen

• Rayos X superficiales: producidos por electrones con energía cinética entre 10 y100 keV

• Rayos X de ortovoltage: producidos porelectrones con energía cinética entre 100 y 500 keV.

Breve recordatorio de la físicay la producción de los rayos X

en el rango de los keV

Procesos de producción de rayos X

• Desaceleración brusca de partículas cargadas

• Reordenamiento en las capas electrónicas de los átomos (Rayos X característicos)

Rayos X característicos

Resultan de la interacción de los electrones incidentes con los electrones orbitales de los átomosdel blanco.

Rayos X de frenado“Bremsstrahlung”

Resultan de la interacción entre el electrón incidente y el núcleo del átomo del material del blanco. El electrón al pasar cerca del núcleo es desviado de su dirección inicial por la acción de las fuerzas de atracción de Coulomb.

Rayos X de frenado (Bremsstrahlung)

• La probabilidad de este efecto es proporcional a la desaceleración a la que la partícula esta   sometida. 

F= m.aF = k.Z.Q/d2a ~ Z.Q/m

• Cuanto mayor el número atómico del átomo en cuestión y menor la masa de la partícula, mayor será la probabilidad de emisión de radiación.

Rayos X de frenado (Bremsstrahlung)

La Forma del espectro de rayos X depende de:• El voltaje aplicado al tubo• Tipo de blanco • El filtraje del haz• Espesor del blanco

Espectro de Rayos X de frenado

En el proceso de producción de este tipo de radiación, la energía cinética de laspartículas cargadas (la mayoría de las veceselectrones) se transforma en radiación electromagnética. Esta transformación puedeser total o parcial, o sea, la energía de la radiaciónemitida podrá ser comomáximo igual a la energía cinética de la partícula y como mínimo nula.

Espectro de Rx de frenado. Forma del blanco

• En comparación con el rango de los electrones de una energía cinética (EC) dada en en el material del blanco, estos se clasificanen:

•delgados•Gruesos

• El blanco delgado tiene un espesor mucho más pequeño que el rango R de los electrones, mientras que el blanco grueso tiene un espesor del orden del rango de los electrones.

• Para los blancos delgados la energía irradiada es proporcional al producto (ECxZ). En un gráfico de Intensidad vs Energía del fotón, la intensidad permance constante desde 0 hasta EC.

• El blanco grueso puede ser considerado una suma de blancos delgados y la ecuación que define su comportamiento es:

IE = CZ(EC‐E) (Ecuacion de Kramer)

Eficiencia de la producción de rayos X

Otro proceso de transferencia de energía ocurre simultáneamente con el de Frenado, el calentamiento del material del blanco. En realidad este es el proceso predominante y, en algunos casos, dependiendo de la energía de los electrones, solamente 1% de la energía de los electrones es convertida en rayos X y los 99% restantes son convertidos en calor. Consecuentemente, toda la producción de rayos X por el proceso de Bremsstrahlung está asociada a un gran calentamiento del blanco

El material utilizado como blanco debe tener dos propiedades principales:

• Un alto número atómico• Ser capaz de resistir altas temperaturas debidas a la absorción de energía cinética de los electrones.

El Tungsteno es el elemento más utilizado para la construcción de ánodos de tubos de rayos X. Posee un número atómico elevado, un altísimo punto de fusión (3370 ºC) y una capacidad moderada de disipación de calor.

Espectro de rayos X

Espectro de rayos X

La proporción relativa del numero de fotones de rayos X característicos con los de frenado varía con la energía cinética de los electrones y la Z del blanco.Por ejemplo el  espectro de rayos X producido por electrones de 100 keV en un blanco de Tungsteno tiene un 20 % de fotones de rayos X carácteristicosy un 80 % de frenado

Distribución angular alrededor del blanco

Los rayos X de energías altas se dirigen fundamentalmente en la dirección del haz incidente, mientras que los de bajas y medias energías son emitidos con mayor probabilidad en dirección perpendicular al blanco, esto influye en el diseño de los blancos

Espectro de rayos X. Filtraje

En cada equipo de Rayos X se adicionan filtros para mejorar la calidad del haz La interposición de materiales entre el haz de rayos X y el objeto que se desea irradiar, modifica el espectro de este haz.

Espectro de rayos X

Las curvas corresponden, de izquierda a derecha a filtración ( equiv. a :• 0,8 mm de aluminio• 1 mm de aluminio• 3 mm de aluminio• 5 mm de aluminio

Puede observarse que el espectro va siendo atenuado, principalmente en las regiones de bajas energías, se dice entonces que se va “endureciendo”, porque su energía media va aumentando y, en consecuencia, su poder de penetración.

HVL: Especificador de la Calidad de los rayos X

• HVL es el espesor de material que reduciría la intensidad del haz a la mitad

• Constituye una descripción precisa de la calidad del haz

• La magnitud HVL (half value layer/capahemirreductora), constituye una descriptor práctico de la calidad del haz en el rango de los rayos X superficiales y de ortovoltaje

• La energía efectiva de una haz heterogéneo de rayos X es definida como la energía de un haz monoenergéticoque tendría el mismo HVL que él.

HVL: Especificador de la Calidad de los rayos X. Valores típicos

• Para Rayos X superficiales (10 Kvp‐100 Kvp) el HVL generalmente se expresa en mm de Aluminio puro (valores típicos: 0.01 mm hasta 10 mm de aluminio).

• Para rayos X de Ortovoltaje el HVL se expresa en valores de mm de Cobre puro (valores típicos: desde 0.5 mm hasta 4 mm de Cobre)

¿Cómo y por qué son diferentes los ánodos en los tubos de rayos X para equipos de Diagnóstico y de Tratamiento?

– Resolución espacial:Necesidad de fuente“puntual”– Congelación del movimiento: Necesidad deexposición corta– Necesidad de alto flujo de electrones concentrados en un “punto” en el ánodo

Solución:Ánodo rotatorio

Diagnóstico

Energía instantánea pequeña: aprox. 1/10 de diagnósticoEnergía promedio total sobre tiempo largo: aprox. 10 veces la de diagnósticoPunto focal mayor, no necesidad de ánodo complejo

SoluciónÁnodo estacionario

Terapia

Radioterapia con rayos X según lacalidad del Haz

• Contacto: tubo de rayos X con potencial acelerador < 50 kV

• Superficial: potencial acelerador entre 50 y 150 kV

• Ortovoltaje: potencial acelerador entre 150 y 500 kV

Tubo de rayos X típico de una unidad de terapia

Tubo de rayos X típico de una unidad de terapia

Tubo de rayos X

Sistema deenfriamiento

por agua

Blanco

Aplicadores/colimadores

Filtro

Timer doble

Selección de Filtro y kV

Control demA y kV

Botón de encendidoy de emergencia

Ejemplo de consola

Generador

Se refiere a unidades de tratamiento que utilizan rayos X generados con potencial de 40 to 50 kVpy que tienen muy poca penetración.

El HVL de estos haces va de 1a 2 mm de Al.

Estos equipos trabajan a DFS muy cortas en el orden de pocos cm, algunos llamados de ultra corta distancia, trabajan en contacto directo con la piel.

Radioterapia con rayos X según la calidad del haz: Terapia de Contacto

Se utilizan para tratar lesiones muy superficiales de la piel (a 1 a 2 mm de profundidad).

Los tamaños de campo son muy pequeños y pueden ser usados en terapias intraoperatorias.

Por su corta distancia de tratamiento y la caidatan rápida de la dosis en profundidad, estos equipos entregan altas dosis superficiales de tratamiento en relativamente corto tiempo con muy pocas dosis al tejido por debajo de la superficie.

Radioterapia con rayos X según la calidad del haz: Terapia de Contacto (cont.)

RX superficial de contato Chaoul-Siemens.

Utilizan un ánodo reflector => rayos X 

de frenado atraviesan el cátodo

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Superficial

Se refiere a unidades que trabajan empleando rayos X generados a potenciales entre 50 y 150 kV. Típicamente se adicionan filtros en el rango de 5-6 mm Al para modificar la calidad del haz de radiación.

El filtro adicionado atenúa diferencialmente las bajas energías de rayos X y por tanto endurece el haz hasta una calidad de HVL en el rango de 1.0 a 8.0 mm Al.

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Superficial (cont)

El haz útil se colima con el empleo de conos. Los conos pueden ser hechos de cristal o acero inoxidable y se colocan en contacto directo con la piel

Las Distancias Fuente Superficie varían desde los 10 a los 30 cm.

Las máquinas trabajan con una corriente del tubo en el rango de los 5 - 50 mA.

Maximar – 100

RT – 100

Efecto On/off Fuerte dependencia de la DFS --> la

longitud del aplicador significativamente afecta el rendimiento

Contaminación Electrónica desde el aplicador (contribuye significativamente a la dosis en piel cuando el potencial es 100kVp)

Complejo proceso de calibración absoluta a causa del gran gradiente de dosis y la contaminación electrónica)

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Superficial

Factores que afectan el Rendimiento

time

output offon

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Superficial

Factores que afectan el Rendimiento: Efecto On/Off

• El hecho de que el punto focal es “grande” y la distancia de tratamiento corta (DFS 10 cm o menor) significa que el haz TIENE que ser colimado hasta la piel.

• El uso de conos es ideal para lograr esto. Sin embargo se puede utilizar bloqueos adicionales haciendo moldes de láminas de plomo

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Superficial. 

Otras consideraciones: Colimación

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Superficial. 

Otras consideraciones: Colimación

• La Tasa de Dosis es aprox. proporcional al kVpn donde 2 < n < 3

• La Tasa de Dosis es aprox. proporcional a la corriente de electrones (mA)

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Superficial. 

Otras consideraciones: Dependencia de la Tasa de Dosis

También es importante la estabilidad y precisión del temporizador así como tener en cuenta el efecto on/off.

Importancia de la estabilidad del kVp y el mA

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Ortovoltaje

Terapia de Orthovoltage o terapia profunda: Se refiere a las unidades de tratamiento entre 150 y 500 kVp. El nombre ortovoltaje representa un rango intermedio entre el superficial y el supervoltaje.

Las corrientes típicas de los tubos están 10-20 mA. Con un filtro adicional típico, el HVL del haz está en el

rango de 1 a 4 mm Cu. La DFS de estas unidades está usualmente entre los 30 y

los 60 cm.

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Ortovoltaje

Para tratar tumores a profundidades menores de 2 cm. Se utiliza un filtro adicional o filtro compuesto hecho de

capas de estaño, cobre y aluminio, estos filtros son muy eficientes para filtrar las radiaciones de bajas energías. Las capas de material deben estar colocadas de tal forma que el estaño quede más cerca de la fuente y el aluminio más cerca del paciente.

Las unidades de ortovoltaje está generalmente equipadas con localizadores de luz para ayudar a colocar el campo de radiación.

PANTAK THERAPAX DXT 300,Maximar- 250

Igual que en las unidades de rayos X superficiales, el haz se direcciona mediante el uso de conos, directamente sobre la piel del paciente

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Ortovoltaje

Otras consideraciones: Conos

Pantak

Conos y aplicadores

Aplicadores para diferentes tamaño de campo y DFS

filters

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Ortovoltaje

Otras consideraciones: Conos y fltros

• Sin embargo más recientemente se están utilizando diafragmas y un campo de luz al igual que en las unidades de Megavoltaje– asegurar que la DFS es correcta

– Tener en cuenta el aumento de la penumbra debido al tamaño del punto focal

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Ortovoltaje

La penetración es suficiente para el tratamiento paliativo de lesiones óseas relativamente cercanas a las superficie (costillas, vértebras).

Su uso está siendo reemplazado por otro tipo de equipos y radiaciones como por ejemplo haces de electrones.

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz: Ortovoltaje

Otras consideraciones: Indicaciones

• El control de la Dosis impartida se alcanza con un sistema de doble timer

• Deben existir Interlocks que prevengan de combinaciones incorrectas de kVp, mA, y filtros

Radioterapia con rayos X según la calidad del Haz

Otras consideraciones: Aspectos de seguridad

Indicadorde kV y mA

Selecciónde Filtro

Indicador de Radiation

Doble timer

Key forlock‐up

Botón de Emergencia

Superficial– 40 a 120kVp– pequeñas lesiones de piel

– máximo tamaño típicodel aplicador < 7cm

– DFS típicas < 30cm– Calidad del Haz (HVL) medida en aluminio:  0.5 a 8 mm 

Orthovoltage– 150 a 400kVp– lesiones de piel, metástasis óseas

– Diafragmas o aplicadores

– DFS 30 a 60cm– Calidad del Haz (HVL) medida en cobre: 0.2 a 5 mm

Comparación resumen 

Fuentes de rayos X de miniaturaBraquiterapia electrónica (eBx)

Características• Aplicaciones intersticiales sin radionúclido• Tubo de rayos X de miniatura• Concebida en los años 80 por PhotoElectron

Corp. (with MIT)• Propiedades dosimétricas y características de las 

fuentes publicadas en 1993 (Biggs et al., Gall et al.,

• Smith et al.) in Medical Physics• ~ otras 10 compañías dedicadas a eBx desde

entonces

RacionalFuente de Bx Ventajas DesventajasRadionúclido Uso terapeutico bien establecido

Procedimientos de calibraciónbien establecidosEspectro de fotones y vida media fijosAlta actividad específica, pequeñotamaño

Propiedadesdosimétricas fijasGeneración de desechosradiactivos Entregaregular de fuentesdebido al decaimiento

Electrónica Tasa de dosis adjustable por el usuario (on/off)Propiedades dosimétricasajustables por el ussuario enosexposición radiológica al personal

Aplicaciones clínicas no probadasNo existen protocolosde calibraciónVariabilidad del rendimietnoTipicapente tamañosmayors

Advanced X‐ray Technologies

Reprinted with permission from Gutman et al., Phys Med Biol 49, 4677-88 (2004)

Advanced X‐ray Technologies

Reprinted with permission from Gutman et al., Phys Med Biol 49, 4677-88 (2004)

• Zeiss adquirió la tecnología de PhotoElectronCorp.

• Más de 300 pacientes de IORT (fundamentalmente en Europa) tratados con el Sistema de radiocirugía INTRABEAM

• Para lesions intracraneales y post-op de mamas

• 50 kV e– @ 40 A en balnco de Au, fuente de 3.2 mm Ø 780, 168, 60, y 30 Gy/h @ 1, 2, 3, y 4 cm

Carl Zeiss Ltd.

Carl Zeiss Ltd.

Xoft Inc.Ofrece una alternative a HDR 192Ir para diversaslesiones

50 kV e– @ 300 A en blanco de Au, 5 mm Ø source 900, 135, 50, y 11 Gy/h @ 1, 2, 3, and 5 cm

Propiedades dosimétricas similares al las fuentes HDR de 125I

Sistema no aprobado aún por la FDA

Xoft Inc.

Emisión de luz por la interaccióin de e– y x-ray con el ánodo

Tubo de X-ray

Fuente de X-ray en el catéter de enfriamiento

Xoft Inc.

Fuente de miniature de x-ray insertada en el caterter flexible

• Tubo de rayos X de alto vacío• Potencial de operación de 50 kV max. • Refrigerado por agua• Dispositivo desechable

Detalles del extremo del tubo de X-ray

Resumen de eBx• Las fuentes de eBx pueden tener distrobuciones de dosis

similares al 125I (LDR) y al 192Ir (HDR)

• Las fuentes de eBx tienene características atractivas tales como:

• eBx sources can have many attractive features like:• Encendido-apagado• Rendimietno adjustable,• Energía variable,• No require material radiactivo

• La eBx puede potencialmente remplazar la braquiterapiabasada en radionúclidos tal como los linacs estánreemplazando a los Co-60

BIBLIOGRAFIA PRINCIPAL

Handbook of Medical Physics: Capitulos 5, 6 y 9 C.B.Saw. Therapeutic Radiological Physics: Capítulo 2 Serie de documentos técnicos del OIEA Volumen IV

Reparación, Mantenimiento y Verificación de Equipos de Rayos X

The Physics of Radiation Therapy. Faiz M. Khan. Cap. 3 The Physics of Radiology. H. E.Johns y J.R. Cunninghan.

Capítulo 2 The Modern Technology of Radiation Oncology. Jacob

Van Dyk. Capítulo 9