External photon beam dosimetry in non reference conditions

Resumo

Esta tesis presenta un estudio de los factores de corrección de las cámaras de ionización usadas en la dosimetría física y clínica de haces de fotones de radioterapia externa. Estos factores de corrección están vinculados a los procedimientos necesarios para la obtención de un valor el de la dosis y a la actual propuesta de un nuevo protocolo de dosimetría recientemente planteada por el Organismo Internacional de Energía Atómica. Esta tesis doctoral también aborda en la dosimetría en situaciones de no-referencia o especiales, en las cuales pueden existir importantes desviaciones entre las lecturas de las cámaras de ionización y el valor correcto de la dosis. Asimismo se ha realizado la construcci ón y caracterización de una micro-cámara de ionización líquida como detector de especial interés en la medida de campos de radiación especiales (i.e. campos pequeños). El primer capítulo contiene una introducción sobre los conceptos de radioterapia (su objetivo, sus procedimientos y la maquinaria y las técnicas empleadas) y de dosimetría (su objetivo, sus fundamentos y las ventajas e inconvenientes de los distintos detectores empleados). La herramienta de simulaci ón Monte Carlo se introduce también como metodología alternativa para el estudio de la dosimetría de haces de terapia. El segundo capítulo está dedicado al estudio de la dosimetría de haces de fotones en las denominadas "condiciones de referencia". El objetivo de la dosimetría de referencia es obtener la dosis absorbida en agua que deposita un haz de radiación de terapia (un acelerador lineal o una unidad de cobaltoterapia) en condiciones de referencia (pre jadas dentro de los correspondientes protocolos) en un tanque de agua. El radiofísico de un hospital debe conocer esta dosis con precisión (en torno a un 1.5% de incertidumbre relativa) para poder plani car los tratamientos de radioterapia cumpliendo las prescripciones dadas por el oncólogo radioterapeuta y siguiendo las recomendaciones de los organismos nacionales e internacionales competentes en esta materia. El procedimiento para obtener la dosis de referencia está descrito en protocolos internacionales de dosimetría como el TRS-398 del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA ó IAEA en sus siglas inglesas). El procedimiento se basa en una medida de la carga eléctrica generada por el haz de radiación en el volumen activo de una cámara de ionización y en la conversión de esta carga a dosis en un cierto medio empleando un coe ciente de conversión y una serie de factores de corrección. El coe ciente de calibración de carga eléctrica a dosis se obtiene en laboratorios de calibración en donde se compara la carga medida por una cámara de ionización con la dosis conocida a través de otro procedimiento de una muy alta precisión (un patrón) en igualdad de condiciones. Esta medida se realiza en unas condiciones (de referencia) que aseguran su reproducibilidad por parte de cualquier usuario o de otro laboratorio de calibración y la delidad del valor obtenido respecto al valor convencionalmente verdadero. El haz de radiación empleado en los laboratorios de calibración es una fuente radiactiva (un radioisótopo) de cobalto-60. Esto se debe a que la energía media del espectro energético del cobalto-60 es similar a la energía media de los haces de terapia y a la elevada reproducibilidad del haz de un radioisótopo. Como el espectro de un haz de terapia no es el mismo que el del haz del laboratorio de calibración, es necesario un factor adicional de correccin para convertir la carga eléctrica de la cámara en dosis en el haz de radiación generalmente empleado en el centro clínico. éste es el factor de corrección por calidad de haz y depende del espectro energético del haz de radiación y de la cámara de ionización (de su geometría y de los materiales de los que esté compuesta). Estos factores están tabulados en protocolos de dosimetría internacionales, como el TRS-398, para distintas cámaras de ionización y distintas "calidades de haz". Para aquellas cámaras de ionización que no se encuentran tabuladas en el protocolo, en éste se describe un algoritmo para calcular sus factores de corrección. En este capítulo se propone la simulación Monte Carlo como método para obtener estos factores con una incertidumbre más baja que la establecida en el protocolo TRS-398. Asimismo se realizaron medidas experimentales para veri car las simulaciones realizadas. En esta tesis doctoral se determinaron los factores de corrección por calidad de haz para diez cámaras de ionización de distintos fabricantes y características (tanto para cámaras tabuladas en el protocolo TRS-398: PTW modelos 30013, 31010, 31002, 31014 y 31006; Wellhöfer modelos CC01 y CC04, como para cámaras no tabuladas: Exradin A-1SL, A-14SL y A-16) para 8 calidades de haz distintas comprendidas en el rango de energía de 4 a 25 MV. El código de simulación empleado está basado en el sistema EGSnrc, que es un código dedicado a la simulación de haces de terapia y al cálculo de dosis. Se hizo especial hincapié en aumentar la e ciencia de las simulaciones, para obtener un resultado de baja incertidumbre en el menor tiempo posible. Se realizaron distintos estudios de e ciencia de simulación para optimizar los valores de los parámetros de transporte y de las técnicas de reducción de varianza en la simulación sin introducir sesgos en los resultados. Los factores obtenidos se veri caron con medidas experimentales realizadas en distintos centros de radioterapia y de investigación alemanes para las mismas cámaras de ionización consideradas en el estudio y para tres calidades de haz (6, 15 y 23 MV). Para algunos modelos de cámara de ionización, se emplearon dos o tres unidades, para introducir una componente en la incertidumbre del resultado nal del factor de corrección correspondiente a peque~nas diferencias de fabricación. La metodología experimental está basada en el uso de una cámara de referencia de respuesta bien conocida que se compara con la cámara a estudiar (o cámara problema). Cada medida se realiza usando una cámara (referencia o problema) junto con otra cámara monitora cuyo objetivo es reducir la incertidumbre debida a magnitudes de in uencia (presión, temperatura y humedad relativa) y de pequeñas desviaciones en las condiciones geométricas de referencia (tamaño de campo, distancia fuente super cie, etc). La cámara problema es aquella para la cual se desea obtener el factor de corrección, y la de referencia sirve para proporcionar el valor del factor de correccin de forma relativa al de una cámara de factores de corrección conocidos (obtenidos en el laboratorio de estándares primarios alemán, PTB). El método arrojó una excelente reproducibilidad de resultados (0.1%). La comparación de resultados de ambos métodos (simulación Monte Carlo y determinación experimental) produjo un muy buen acuerdo. La comparación de estos resultados con los valores extraídos del protocolo TRS-398 coinciden dentro de las barras de incertidumbre, si bien existe una desviación sistemática (todos los valores obtenidos en este trabajo están por encima de los valores del protocolo). En cuanto a la cuantía de las incertidumbres, los dos métodos empleados en este trabajo tienen unas incertidumbres relativas menores que el 1% establecido en el protocolo de dosimetría TRS-398. El método experimental es más preciso (0.3%) que el de simulación (de 0.4 a 0.8%). Las conclusiones de este capítulo son: - El método experimental para la determinación de los factores de corrección por calidad de haz es el ms preciso. Sería, por tanto, deseable un aumento en la disponibilidad de calidades de haz en los laboratorios de calibración que permitiera proporcionar a los radiofísicos factores de corrección por calidad de haz de una mayor precisión. - El método de simulación Monte Carlo mejora la incertidumbre de los factores de corrección existentes y puede (debe) ser tenido en cuenta en futuras ediciones de protocolos de dosimetría. Mientras que en el cálculo de los factores tabulados en los protocolos de dosimetría se utilizaron algunos resultados obtenidos mediante simulación junto con cálculos analíticos, la presente propuesta consiste en realizar este cálculo usando únicamente el método de Monte Carlo. En el tercer capítulo se aborda el estudio de la dosimetría en condiciones de no-referencia. Esta situación se da con frecuencia en la dosimetría clínica de haces de fotones de terapia y da lugar a desviaciones entre la dosis medida con las cámaras de ionización y la dosis "correcta" que pueden ser potencialmente importantes. Las técnicas modernas de radioterapia (las cuales se introdujeron en el primer capítulo) emplean haces que se desvían sustancialmente de las condiciones de referencia descritas en el segundo capítulo y cuya modelización desde el punto de vista de la dosimetría es compleja. Ejemplos de estas técnicas son la radiocirugía, que emplea haces estrechos (de un área menor que 2 x 2 cm2) para tratar lesiones pequeñas generalmente en la cabeza o la Terapia de Intensidad Modulada (IMRT). En IMRT se construye una fluencia de fotones modulada y adaptada a la forma de la lesión, a partir de fluencias disparadas desde distintos ángulos, cuyo resultado es una dosis terapéutica más circunscrita al tumor. Esta técnica involucra la superposición de campos irregulares y generalmente pequeños. La complejidad de estos tratamientos requiere sean veri cados experimentalmente una vez hayan sido plani cados. Para ello, se realizan medidas con una cámara de ionización situada en uno o varios puntos de un maniquí y se calcula la dosis total en estos puntos cuando se realiza el tratamiento completo sobre el maniquí. En consecuencia la medida de dosis realizada para un campo de alguno de estos tratamientos se lleva a cabo en unas condiciones (de no-referencia) que pueden producir una respuesta anómala en la cámara de ionización. Por tanto el procedimiento de dosimetría de referencia, por ejemplo aquel descrito en el protocolo TRS-398, deja de tener validez estricta. Ejemplos de situaciones de no-referencia son: - Irradiación de la cámara de ionización mediante un haz estrecho (estrecho se re ere a pequeño en comparación con el alcance de partículas cargadas secundarias en el medio). Esto se evita en las condiciones de referencia empleando un campo de radiación para la calibración de 10 x 10 cm2 y a una profundidad de 5 ó 10 g/cm2. - Localización de la cámara de ionización en la penumbra del campo de radiación. La penumbra del haz esta afectada por una severa falta de equilibrio lateral de partículas cargadas además de presentar un elevado gradiente de dosis. En estas situaciones la cámara de ionización promedia este gradiente de dosis en su volumen activo produciendo una desviación respecto a la dosis (en el punto de referencia de la cámara) que depende de este volumen activo. En condiciones de referencia la cámara estaría situada en el centro del campo de radiación, lejos de la penumbra del haz. - Localización de la cámara de ionización bajo la zona de sombra del colimador multilámina (MLC). Los campos de IMRT y de CRT-3D se coliman con un dispositivo (MLC) que consiste en dos conjuntos de láminas de tungsteno enfrentados entre si dos a dos y con movimiento independiente. Por razones de diseño mecánico existe una cierta holgura entre las láminas o bien una distancia mínima entre láminas enfrentadas para evitar la colisión. Esto provoca que exista una fuga de radiación a través de ellas. Cuando la cámara de ionización está situada bajo esta radiación de fuga, el campo que recibe es estrecho, de alto gradiente y con un espectro energético distinto del haz directo. En este capítulo se estudia el comportamiento de distintas cámaras de ionización (parte del conjunto estudiado en el captulo 2) mediante la simulación Monte Carlo en los casos de condiciones de no referencia descritos arriba. Para ello se simula la dosis en agua en un punto situado en cada una de las situaciones anteriores y se compara con la dosis que se depositaría en una cámara de ionización situada en el mismo punto. Se calcula un factor de corrección, como el cociente de estas dos dosis, para corregir la respuesta de la cámara de ionización. Para el caso de irradiación con campos estrechos, se compara el resultado de las simulaciones con medidas realizadas con los mismos detectores y con un procedimiento especialmente dise~nado para obtener la dosis con precisión en esos casos. El resultado de los factores de corrección es fuertemente dependiente de los parámetros de caracterización del haz empleados en la simulación Monte Carlo. Para poder reproducir correctamente el comportamiento del haz de radiación en estos campos de no-referencia, es necesario un procedimiento laborioso y no trivial para un usuario no experto en simulación Monte Carlo o en dosimetría. El motivo es que una variación pequeña en los parámetros libres que caracterizan la fuente de radiación en la simulación, provoca un cambio importante en el resultado de ésta. Para obtener los parámetros libres de la simulación se empleó un procedimiento automatizado diseñado a tal efecto. A pesar de estas di cultades, los factores de corrección obtenidos pudieron ser utilizados para corregir medidas experimentales de factores de salida (esto es el cociente de dosis entre un campo cuadrado estrecho y un campo de referencia) realizadas con tres cámaras de ionización de distintos volúmenes activos. El resultado de estas medidas corregidas tiene un buen acuerdo (mejor que un 1%) con el resultado de medidas realizadas con diodo (de muy pequeño volumen activo y considerado en general como referente en este tipo de medidas). Las conclusiones de este capítulo son: - Se pueden calcular factores de corrección para campos de no-referencia que corrijan el comportamiento anómalo de una cámara de ionización mediante simulación Monte Carlo. - Sin embargo, el resultado depende fuertemente de los parámetros de difícil acceso a los usuarios estándar (i.e. tamaño focal y extrafocal del acelerador), que deben ser determinados mediante un procedimiento especial. Por esta razón, la inclusión de estos factores en un protocolo de dosimetría resulta extremadamente complicado, ya que la situación deseable sería poder tabular los factores en función de un parámetro fácilmente medible por el usuario (i.e. TPR20,10). En el cuarto capítulo se presentan el diseño, construcción y medidas de caracterización de un detector que intente superar las di cultades encontradas en el captulo 3 a la hora de realizar la veri cación de campos de no-referencia. El detector considerado es una cámara de ionización con lquido orgánico no polar como medio activo. El hecho de que el medio sea líquido, permite construir una cámara con un volumen activo mucho más pequeño que el de una cámara de ionización ordinaria de aire. El capítulo incluye una introducción al comportamiento de los líquidos orgánicos no polares cuando éstos son utilizados como volumen activo. El inconveniente principal de estos medios, es la magnitud de sus pérdidas por recombinación, que son mucho mayores que en el caso del aire. En particular, la recombinación inicial depende de la temperatura y del campo eléctrico aplicado (el voltaje de polarización de la cámara de ionización) y no existe forma de evitarlo. La operación estable de un detector de ionización en un líquido no polar exige que el voltaje de operación y la temperatura sean estables, pudiendo así aplicar un factor de corrección (la variación por temperatura es en términos relativos análoga a la de las cámaras de aire aunque de signo opuesto). La recombinación volúmica depende de la tasa de dosis, del campo eléctrico y de la separación entre electrodos en una geometría plano-paralela. Por tanto si se construye la cámara con una combinación de voltaje y distancia entre electrodos (para una cámara de planos paralelos) adecuada puede obtenerse una cámara con e ciencia de colección de carga superior al 99% para una tasa de dosis típica en radioterapia (3 Gy/min). La cámara emplea isooctano no ultrapuri cado (puro al 99.5%) como medio activo. La micro cámara de ionización líquida construida en nuestro grupo de investigación, cilíndrica y de planos paralelos tiene un volumen activo de tan sólo 0.5 mm3 y una distancia de 0.25 mm entre electrodos. La cámara se polariza con un electrómetro estándar (PTW conector tipo M) a voltajes de operación ordinarios (350 a 400 V para una e ciencia de colección superior al 99% a las tasas típicas en el rango de terapia). En este capítulo se presenta un conjunto de medidas de dosimetría relativa realizadas con el dispositivo construido y su comparación con resultados obtenidos con diodo (para per les y factores de salida) o con cámara de ionización (para PDD). El acuerdo es excelente (mejor que el 1% para PDD y per les y mejor que el 2% para factores de salida). Se presentan además medidas de la estabilidad del dispositivo realizadas en haces de rayos X, cobalto-60 y acelerador lineal. La desviación es menor que un 1.7% en 30 kGy de exposición y menor que un 1% en 3000 Gy sin ser necesaria pre-irradiación. Las conclusiones de este capítulo son: - Se pueden construir cámaras de ionización líquidas con tamaños de gap menores que 0.25 mm empleando líquidos no-ultrapuri cados. Un diseño compatible con los electrómetros comerciales estándar (algo no logrado por las cámaras líquidas existentes en el mercado). - La cámara construida presenta un comportamiento excelente como dosímetro relativo, con una elevada resolución espacial y delidad de la dosis comparable a un diodo de silicio (detector de referencia para dosimetría relativa de campos pequeños). - La estabilidad del dispositivo es mucho mayor que la de otros dispositivos similares presentes en la bibliografía. Adicionalmente, en los apéndices del trabajo, se presentan dos estudios complementarios: - En el apéndice A se estudia la correlación entre factores de perturbación de las cámaras descritos en los protocolos de dosimetría. En primer lugar la forma habitual de escribir los factores de perturbación como un producto en la literatura y su correspondiente cálculo de incertidumbre no es completamente correcta ya que están correlacionados. De esta forma la simulación Monte Carlo completa es una altenativa de menor incertidumbre y de mayor corrección a nivel formal, para el cálculo del factor global de corrección. Adicionalmente si evaluamos de manera completa la incertidumbre del producto de factores de perturbación (es decir, incluyendo los términos de covarianza), la incertidumbre combinada es ligeramente diferente a la obtenida por el cálculo no correlacionado. - En el apéndice B se propone un método alternativo a la simulación Monte Carlo de factores de corrección para campos de no-referencia. El método se basa en la convolución entre una función de respuesta de la cámara de ionización y la distribución de dosis para obtener la respuesta de la cámara de ionización. El método analizado se basa en la función de respuesta bidimensional respecto al mapa de dosis, cuyo uso permite, por ejemplo, reproducir los factores de salida para campos de pequeñas dimensiones en cámaras de gran volumen. Este método podría ser implementado en los sistemas de plani cación para obtener factores de corrección para veri caciones de tratamientos. De esta forma evitaría los problemas derivados de la caracterizacin Monte Carlo de los haces de radiación. Además este planteamiento sería una alternativa a las denominadas "Plan Class Solutions" propuestas por la OIEA para evaluar los factores de corrección de las cámaras en situaciones "cercanas" al problema clínico.