Estudio de la respuesta angular de un detector radioluminiscente basado en YVO4:Eu bajo ...

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Estudio de la respuesta angular de un detector
3+
radioluminiscente basado en YVO :Eu bajo
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irradiación LINAC

Tesis presentada a la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional del Centro
de la Provincia de Buenos Aires para obtener el título de Licenciada en Ciencias Físicas

Yohanna Fernández

Director: Dr. Pablo Molina
Co-Director: Lic. Nahuel Martínez

Facultad de Ciencias Exactas Instituto de Física Arroyo Seco
Índice
0. LISTA DE ACRÓNIMOS ............................................................................................. 4
1. RESUMEN ............................................................................................................... 5
2. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 6
2.1 Problema General: Cáncer ........................................................................................................................... 6
2.2 Radioterapia ..................................................................................................................................................... 7
2.2.1. Equipos de Radioterapia....................................................................................................................................... 8
2.2.2. Planificación del tratamiento oncológico ...................................................................................................... 9
2.2.3. Radioterapia en campos pequeños ............................................................................................................... 10
2.3 Dosimetría in-vivo ....................................................................................................................................... 11
2.3.1. Dosimetría de campos pequeños ................................................................................................................... 12
2.3.2. Dosímetros ............................................................................................................................................................... 13
2.3.3. Cámara de ionización .......................................................................................................................................... 14
2.3.4. Diodos dosimétricos ............................................................................................................................................ 15
2.3.5. Detectores de diamante ..................................................................................................................................... 16
2.3.6. Dosimetría por fibra óptica .............................................................................................................................. 16
Materiales centelladores .................................................................................................................................................... 18
2.4 Motivaciones de este trabajo ................................................................................................................... 20
2.5 Referencias ..................................................................................................................................................... 21
3. MARCO TEÓRICO .................................................................................................. 26
3.1 Radioluminiscencia ..................................................................................................................................... 26
3.2 Dosimetría de radiación ionizante ........................................................................................................ 30
3.2.1. Kerma ......................................................................................................................................................................... 30
3.2.2. Dosis absorbida ..................................................................................................................................................... 32
3.3 Equilibrio electrónico ................................................................................................................................. 33
3.4 Efecto Stem ..................................................................................................................................................... 34
3.4.1. Sustracción de fondo ........................................................................................................................................... 35
3.4.2. Filtrado óptico ........................................................................................................................................................ 35
3.4.3. Filtrado cromático ................................................................................................................................................ 35
3.4.4. Filtrado temporal .................................................................................................................................................. 36
3.5 Caracterización de un dosímetro ........................................................................................................... 36
3.5.1. Porcentaje de dosis absorbida en profundidad (PDD) ......................................................................... 37
3.6 Referencias ..................................................................................................................................................... 39
4. DESARROLLO EXPERIMENTAL ............................................................................... 40
1
4.1 Arreglo experimental para las mediciones RL .................................................................................. 40
4.2 Fuente utilizada en las mediciones: LINAC ......................................................................................... 41
4.3 Material Radioluminiscente YVO : Eu3+ ............................................................................................... 42
4
4.4 Construcción de las puntas dosimétricas ............................................................................................ 43
4.4.1. Fibra óptica (FO) ................................................................................................................................................... 44
4.4.2. Procedimiento de construcción de la PD esférica .................................................................................. 45
4.4.3. Procedimiento de construcción de las puntas cilíndricas .................................................................. 47
Construcción de la PD cilíndrica de 2 mm de longitud x 1 mm de diámetro .............................................. 48
Construcción de la PD cilíndrica de 1 mm de longitud x 1 mm de diámetro .............................................. 49
4.5 Sistema de detección de luz ...................................................................................................................... 50
4.5.1. Tubo fotomultiplicador (PMT) empleado en las mediciones ............................................................ 50
4.5.2. Placa adquisidora de datos ............................................................................................................................... 51
4.6 Filtrado temporal para eliminar el efecto Stem ............................................................................... 51
4.7 Procesamiento de datos ............................................................................................................................ 51
4.8 Mediciones ...................................................................................................................................................... 53
4.8.1. Repetitividad ........................................................................................................................................................... 53
4.8.2. Dependencia Angular .......................................................................................................................................... 53
4.8.3. Mediciones de Porcentaje de dosis en profundidad .............................................................................. 56
4.9 Referencias ..................................................................................................................................................... 59
5. ANÁLISIS DE RESULTADOS .................................................................................... 60
5.1 Consideraciones particulares .................................................................................................................. 60
5.2 Dependencia Angular ................................................................................................................................. 64
5.2.1. Señal de la intensidad RL para las diferentes puntas dosimétricas ............................................... 65
5.2.2. Simetría axial .......................................................................................................................................................... 68
5.2.3. Simetría acimutal .................................................................................................................................................. 71
5.3 Porcentaje de dosis en profundidad ..................................................................................................... 78
6. CONCLUSIONES .................................................................................................... 82

2
Agradecimientos

Quiero agradecer a mi familia que siempre estuvo presente y se preocupó para que pudiera
terminar mis estudios. Especialmente a mi papá que, en este último tiempo, donde el camino se
tornó más difícil, siempre me apoyó e hizo todo lo posible para que no me falte nada.

Por otra parte, no puedo dejar de nombrar a mi novio por su apoyo incondicional y que siempre
estuvo ahí para alentarme cuando la carrera se tornaba más complicada. Incluso por el apoyo al
estudiar juntos y tratar de resolver nuestras dudas mutuamente. También debo agradecer el aliento
de mis amigos que siempre confiaron en mí para poder terminar la carrera.

No puedo dejar de agradecer a Soledad Machelo, quién siempre me esperó con las puertas abiertas
del Centro Oncológico de las Sierras, incluso hasta altas horas de la noche, para que pueda
realizar las mediciones de esta Tesis. También agradezco al Grupo de Óptica de Sólidos, porque
siempre estuvieron presentes frente a cualquier duda que tenía, y especialmente a mi Director
Pablo Molina y co-Director Nahuel Martínez, por el acompañamiento pleno y la paciencia durante
la realización de este trabajo.

Finalmente, agradezco infinitamente a la Universidad Nacional del Centro de la Provincia
de Buenos Aíres, en especial a la Facultad de Ciencias Exactas, por haber sido mi espacio
de formación académica a través de una educación pública y gratuita.

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0. Lista de acrónimos
AAPM American Association of Physicists in Medicine- Asociación
Americana de Físicos en Medicina
BC Banda de conducción
BV Banda de valencia
COP Código de Práctica
CR Centros de recombinación
CT Centros trampa
DE Desviación estándar
DFO Dosimetría por fibra óptica
DFS Distancia fuente superficie
D Dosis radioluminiscente
RL
FO Fibra óptica
IAEA International Atomic Energy Agency- Organismo Internacional de
Energía Atómica
ICRU International Commission on Radiation Units -Comisión
Internacional de Unidades y Medidas Radiológicas
IMRT Intensity modulated radiation therapy-Radioterapia de intensidad
modulada
I Intensidad radioluminiscente
RL
LINAC Linear accelerator-Acelerador lineal
PD Punta Dosimétrica
PD Punta dosimétrica esférica
e
PD Punta dosimétrica de 2 mm L x 1 mm Φ sin Norland
2x1SN
PD Punta dosimétrica de 2 mm L x 1 mm Φ con Norland
2x1
PD Punta dosimétrica de 1 mm L x 1 mm Φ con Norland
1x1
PDD Percentage depth dose- Perfil o porcentaje de dosis absorbida en
profundidad
PMMA polymetilmetacrilato
PMT Photomultiplier tube - Tubo fotomultiplicador
PTV Planing target volumen-Volumen objetivo de planificación
RL Radioluminiscencia
Z Número atómico efectivo
eff

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1. Resumen
Dentro de las técnicas usuales para el tratamiento de cáncer se encuentra la
teleterapia. Ésta consiste en la aplicación de haces de radiación ionizante provenientes
de fuentes externas al paciente. Entre dichas fuentes podemos destacar los aceleradores
lineales (LINACs). Los LINACs proveen haces pulsados de electrones y fotones (rayos
X) con energías en el rango 6–20 MeV. Cada tratamiento es planificado por médicos y
físicos a partir de las características del tumor.
En este contexto la dosimetría in–vivo y en tiempo–real (IV/TR) juega un rol
importante, ya que permite medir la dosis entregada a pacientes con cáncer durante el
tratamiento de radioterapia. Esto significa que los valores de dosis, los cuales son
medidos en Gray (Gy), se miden en forma simultánea a la irradiación. De esta forma,
este método se ha convertido en una herramienta crucial para garantizar el éxito de la
terapia y detectar a tiempo errores técnicos y humanos durante el tratamiento.
Una de las técnicas más promisorias para este fin es la dosimetría por fibra óptica
(DFO). Esta técnica se basa en la medición de la intensidad de la luz emitida por una
pequeña pieza de centellador (detector de radiación) acoplada al extremo de una fibra
óptica (FO), mientras es irradiado con radiación ionizante (radioluminiscencia, RL).
En trabajos previos se observa que existe cierta dependencia angular cuando la
geometría del detector es cilíndrica (2 mm de alto por 1 mm de diámetro). Por este
motivo, en el presente trabajo se construye un detector con geometría esférica de 2 mm
de diámetro. Como resultado se logra eliminar la dependencia angular indeseada
respecto la dirección de incidencia del haz de radiación observada.

5
2. Introducción
En el presente capítulo se describe la importancia de la dosimetría in vivo y en
tiempo real en radioterapia para tratamiento de tumores cancerígenos. Para esto se parte
de una breve descripción del cáncer, seguido de la radioterapia como tratamiento
terapéutico para llegar así a la radioterapia de campos pequeños.
Por otra parte, se describe la dosimetría in-vivo, mencionando el estado de la técnica
actual en el contexto global, los dosímetros más utilizados, sus ventajas y desventajas.
Finalmente, se describe la técnica conocida como dosimetría por fibra óptica (DFO) y
las motivaciones que llevaron a realizar el presente trabajo.
2.1 Problema General: Cáncer
El cáncer es un término que se refiere a enfermedades en las que células anormales
se dividen sin control y pueden invadir otros tejidos. Las células cancerígenas se pueden
diseminar a otras partes del cuerpo por el sistema sanguíneo y por el sistema linfático,
produciendo metástasis.
En la actualidad se han detectado más de cien diferentes tipos de cáncer. La mayoría
de ellos toman el nombre del órgano o de las células donde comienzan: por ejemplo, el
cáncer que empieza en la mama se llama cáncer de mama; el cáncer que empieza en las
células basales de la piel se llama carcinoma de células basales. Cualquier tipo de
cáncer comienza en las células, unidades básicas de vida del cuerpo. Las células
normales crecen y se dividen de forma controlada produciendo más células para
mantener el cuerpo sano. Cuando las células envejecen o se dañan, mueren y se
reemplazan por células nuevas. Pero a veces este proceso deja de ser ordenado y se
descontrola. El ADN (material genético) se puede alterar produciendo mutaciones
(cambios) que afectan el crecimiento y la división normal de las células. Cuando esto
ocurre, las células no mueren en el momento que deberían y se producen células nuevas
6
sin que el cuerpo las necesite. Estas células sobrantes forman una masa de tejido
llamada tumor, National Cancer Institute (2014). Sin embargo, es importante mencionar
que no todos los tumores son cancerígenos; puede haber tumores benignos y tumores
malignos. Los tumores benignos no son cancerosos. Pueden extirparse y, en la mayoría
de los casos, no vuelven a aparecer. Además, no se diseminan a otras partes del cuerpo.
En cambio, los tumores malignos son cancerosos. Las células de estos tumores son las
que pueden invadir tejidos cercanos y diseminarse a otras partes del cuerpo.
Según la OMS (Organización mundial de la Salud), el cáncer es una de las
principales causas de muerte a nivel mundial (cifras ofrecidas en 2012 le atribuyen 8,2
millones de defunciones, 13% del total), Ferlay et al. (2013). De acuerdo a datos del
INDEC, el 18,2% de las muertes en Argentina en el año 2011 se atribuyen a tumores
malignos.
Todos estos datos requieren que se continúe avanzando en nuevos descubrimientos
para combatir o tratar esta enfermedad. Hay diferentes modalidades terapéuticas para el
tratamiento, como la radioterapia, la cirugía o la quimioterapia. El objetivo de todas
ellas es mejorar la calidad de vida o prolongar considerablemente la supervivencia del
paciente.
2.2 Radioterapia
La radioterapia es un tipo de tratamiento oncológico que utiliza radiación ionizante
para eliminar las células tumorales en la parte del organismo donde dicha radiación se
aplique (tratamiento local).
Este tratamiento se utiliza desde finales del siglo XIX para tratar lesiones en la piel.
El primer tratamiento con rayos-X documentado data de 1896, un año después del
descubrimiento de los mismos, a cargo del dermatólogo vienes L. Freund.
De acuerdo a la ubicación de la fuente radiactiva, la radioterapia se puede dividir en
dos grupos: braquiterapia y teleterapia. La braquiterapia consiste en la colocación de
una fuente radiactiva encapsulada dentro o cerca de la lesión a tratar. De esta forma se
pretende lograr un gradiente de dosis alto, evitando que los tejidos sanos circundantes
sean irradiados. Por otra parte, la teleterapia utiliza fuentes fuera del paciente, tratando
de lograr una distribución homogénea de dosis sobre el tejido canceroso.
7
2.2.1. Equipos de Radioterapia
Los primeros equipos empleados para la radioterapia fueron las unidades de rayos-X
kilovoltaicos, los cuales se usaron principalmente entre 1910 y 1950. En la actualidad
solamente se usan para tratar lesiones superficiales. Los equipos se clasificaban en
función del voltaje generado, se denominaban de baja energía o superficial, cuando
estaban entre 50 – 160 kV y de energía media u ortovoltaje, cuando los voltajes estaban
entre 160 a 300 kV. En la actualidad se comercializan equipos que son capaces de
cubrir el rango desde 40 hasta 300 kV, con un único tubo de rayos X. Debido a la
necesidad de tratar tumores malignos más profundos, estos equipos son rápidamente
reemplazados a partir del año 1950 por equipos de cobaltoterapia. Dichos equipos
utilizan una fuente de Co60 que provee rayos γ más penetrantes y con un período de
semidesintegración de 5.27 años. Como producto de la desintegración el Co60 emite un
electrón de 315 KeV y luego el núcleo activado de Ni60 emite dos rayos γ con energías
de 1.17 MeV y 1.33 MeV. Dichos fotones son los que se emplean para el tratamiento
radioterapéutico y la radiación beta indeseable es filtrada adecuadamente en la cápsula
que contiene a la fuente. Estas características hacen que los equipos de cobaltoterapia se
los considere de radiación continua y “monoenergética”.
En simultáneo aparecen los aceleradores lineales (LINAC), los cuales reemplazan de
forma rápida a los equipos de cobaltoterapia, salvo en los países en desarrollo donde se
siguen utilizando estos últimos porque son más económicos. Estos equipos suministran
rayos X de alta energía o electrones de forma pulsada. La ventaja de los LINAC se basa
en que permiten seleccionar la energía de trabajo y, por lo tanto, se puede variar la
profundidad de penetración del haz de partículas.
En la actualidad también se utilizan equipos de protonterapia. Si bien el primer
tratamiento contra el cáncer mediante esta técnica se remonta al año 1954, hoy en día ha
cobrado vigencia y se refleja en la diversidad de centros de protonterapia que hay en el
mundo. En este caso, el tumor es bombardeado con protones que han sido acelerados
mediante un sincrotrón o un ciclotrón hasta conseguir una energía del orden de los 100
MeV.
La clave para entender las ventajas de la protonterapia con respecto a la radioterapia
convencional reside en la forma en que cada partícula deposita su energía. Los fotones
8
depositan una gran cantidad de energía en los primeros centímetros de su recorrido,
sufriendo una atenuación exponencial hasta que son absorbidos por completo en la
materia. Sin embargo, los protones muestran un comportamiento opuesto, es decir,
depositan casi toda su energía al final del trayecto, en lo que es conocido como pico de
Bragg. Para asegurar una dosis uniforme en todo el volumen del tumor es necesario
superponer varios picos de Bragg de diferente energía, es decir, lanzar protones que
depositarán su energía a distintas profundidades del tumor. Esto es lo que se conoce
como ensanchamiento del pico de Bragg. Por lo tanto, en un tratamiento con protones,
la radiación será más focalizada en el tumor, con una mínima dosis a la entrada y cero
dosis en los tejidos que se sitúan después del tumor, lo que supone una gran ventaja
para el paciente.
Sin embargo, la mayor ventaja de la protonterapia es también su mayor debilidad,
puesto que pequeñas incertidumbres durante el tratamiento pueden dar lugar a una mala
estimación de este pico de energía y como consecuencia, la dosis podría ser depositada
completamente fuera del tumor. Las incertidumbres son causadas por distintos factores
como el cálculo de la dosis, el posicionamiento del paciente o cambios en la anatomía
durante el tratamiento. Estos errores también están presentes en un tratamiento con
radioterapia convencional, pero su impacto es casi despreciable debido a la caída
exponencial de la dosis, Johns (1983).
2.2.2. Planificación del tratamiento oncológico
La planificación del tratamiento oncológico es un proceso llevado a cabo por un
equipo de oncólogos, dosimetristas y físicos. A través de las imágenes obtenidas por
medio de rayos-X o tomografías computadas se puede recrear una imagen 3D de la
lesión en particular y establecer así el volumen a irradiar (PTV, planning target
volume). De acuerdo a las características del PTV, su tamaño, forma, cercanía de
órganos radiosensibles, entre otras, se establece la calidad del haz de irradiación. Esto
se refiere a la fuente de radiación a utilizar, de rayos-X, cobalto-60 o de un LINAC
(electrones o de rayos-X), es decir, el tipo y espectro energético de las partículas
ionizantes. Estos datos son cargados en un programa planificador, el cual se encarga de
diseñar la geometría del haz de irradiación para irradiar de forma homogénea el PTV,
logrando el menor daño posible a los tejidos y órganos sanos circundantes. El mejor
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