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OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia

Parte 2

Física de las Radiaciones

PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA

IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General

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Antecedentes

La generación de las radiaciones, su avance e interacción con la materia, son procesos físicos:

• Mientras que las radiaciones no se pueden ver o sentir, sí se pueden describir y cuantificar físicamente

• Se pueden detectar con precisión mediante experimentos apropiados


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Objetivos del módulo

• Conocer los diferentes tipos de radiaciones ionizantes

• Comprender los procesos más importantes de interacción entre las radiaciones y la materia

• Poder emplear y comprender todas las unidades básicas de medición de las radiaciones

• Tener una comprensión básica de los medios para la detección de las radiaciones


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Contenido

• Conferencia 1: General1. Radiactividad

2. Tipos de radiaciones ionizantes

3. Interacción de las radiaciones con la materia

4. Magnitudes y unidades de la radiaciones

• Conferencia 2: Equipamiento– Principales medios para la detección de las

radiaciones

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OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia

Conferencia 1: Física General de las Radiaciones

Parte 2. Fisica de radiaciones


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Radiaciones = Radiaciones ionizantes

• Energía suficiente para ionizar los átomos (desprendiendo o adicionando electrones)

• Esto deja iones cargados.

• Los iones van a perturbar los enlaces químicos

• Si esto afecta moléculas críticas como las de ADN (ya sea directa o indirectamente) puede provocar daño, mutación, o muerte de las células.


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Contenido

1. Radiactividad

2. Tipos de radiaciones ionizantes


4. Magnitudes y unidades de las radiaciones


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Identificación de un isótopo

Núcleo

Átomo

Electrones


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Henri Becquerel (1852-1908)

Descubrió la radiactividad en 1896


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1. Radiactividad

• Una propiedad de los núcleos• Debido a propiedades físicas inherentes,

determinados núcleos pueden no ser estables y sí propensos a sufrir transformaciones nucleares. Este proceso puede ser rápido (período de semidesintegración corto) o lento (período de semidesintegración largo). En cualquier caso, para cada núcleo en específico, no se puede predecir el tiempo o momento de su transformación – se trata de un evento fortuito que solo se puede describir adecuadamente mediante el empleo de las estadísticas.


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Período de semidesintegración t1/2

• Describe cuán rápido se transforma un núcleo en específico

• Es el tiempo que le toma transformarse a la mitad de la cantidad de un material radiactivo (frecuentemente también se le denomina decaimiento)


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A(t) = A(0) exp (-t ln2 / t1/2)

• A(t) actividad en el tiempo t

• A(0) actividad original en el tiempo 0

• t tiempo

• t1/2 período de semidesintegración


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Período de semidesintegración – gráfico logarítmico


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Tipos de radiaciones ionizantes

• Partículas alfa (núcleos de Helio) – “pesadas”, carga positiva dos (2+), interaccionan fuertemente con la materia

• Partículas/radiación beta (electrones) – partículas ligeras, interaccionan libremente, no obstante; alcance limitado

• Radiación gamma (fotones)


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Desintegración alfa


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Desintegración beta


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Transición gamma

Estado excitado


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Radiactividad

• En la parte 6 del curso se ofrece más información sobre los isótopos radiactivos que se emplean en radioterapia

• En el curso complementario sobre medicina nuclear también se proporciona información adicional sobre la radiactividad; en radioterapia, por lo general, la principal consideración es respecto a la radiación como tal…


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2. Radiaciones ionizantes

• La radiactividad es uno de sus orígenes o causas

• Entregan cierta cantidad de energía a su paso por la materia, suficiente para ocasionar la ruptura de enlaces químicos.

• Se suelen describir como ondas y como partículas, ambas representaciones son correctas

• Una sola partícula de radiación, por lo general entrega energía en múltiples locaciones, ya sea directamente o mediante la liberación de otras partículas


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Tipos de radiaciones (1)

• Rayos X y rayos gamma = fotones

• Electrones y partículas beta – carga negativa

• Neutrones

• Protones – carga positiva

• Partículas alfa y partículas pesadas cargadas


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Tipos de radiaciones (2)

• Rayos X y rayos gamma = fotones

• Electrones y partículas beta – carga negativa

• Neutrones

• Protones – carga positiva

• Partículas alfa y partículas pesadas cargadas

Fotones y electrones constituyen los tipos más importantes de

radiaciones empleados en radioterapia


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Fotones

• Rayos gamma: monoenergeticos (una o más líneas)

• Rayos X: un espectro

• La diferencia radica en el modo de generación:– Gamma en el núcleo

– Rayos X en la envoltura atómica

CW Roentgen, descubridor de los rayos X


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Generación de rayos X

Electrones de alta energía inciden en un objetivo metálico, donde parte de su energía se convierte en radiación

Objetivo

Electrones

Rayos X

Baja a media

energía(10-400keV)

Alta > 1MeVenergía


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Aspectos de la generación de rayos X

Distribución angular: Los rayos X de alta energía fundamentalmente son emitidos en la misma dirección y sentido que el haz de electrones incidente, mientras que los rayos X de baja energía son emitidos en principio en dirección perpendicular a dicho haz, como reflejo del diseño del blanco

objetivo

Baja a media energía

(10-400keV)

Alta > 1MeVenergía

Electrones


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Tubo para generación de rayos X de baja y media energía


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Acelerador lineal de megavoltage de rayos X

blanco

electrones

rayos X


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Aspectos de la generación de rayos X

• Distribución angular: Los rayos X de alta energía fundamentalmente son emitidos en la misma dirección y sentido que el haz de electrones incidente, mientras que los rayos X de baja energía son emitidos en principio en dirección perpendicular a dicho haz

• Eficiencia de producción: En general, mientras mayor es la energía, mayor es la eficiencia de la generación de rayos X, esto significa que, a bajas energías, la mayor parte de la energía de los electrones (>98%) se convierte en calor en el blanco, por lo que es imprescindible que posea un sistema de enfriamiento.


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Tipos de generación de rayos X

Rayos X típicos: – 1 El electrón

incidente expulsa un electrón de un nivel interno de la envoltura atómica

– 2 Un electrón de un nivel superior de la envoltura, pasa a ocupar la vacancia y, la diferencia de energía de la transición ocurrida se emite como radiación X

1

2


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Tipos de generación de rayos X

Bremsstrahlung (Radiación por frenado): El electrón incidente deflecta y se decelera en la envoltura atómica, la diferencia de energía se emite como radiación X


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Bremsstrahlung

• A mayor número atómico del material del blanco de los rayos X, mayor generación de radiación X

• A mayor energía de los electrones incidentes, mayor probabilidad de producción de radiación X

• A cualquier energía de los electrones, la probabilidad de generar rayos X disminuye al aumentar la energía de estos últimos


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Espectro de rayos X resultante

Unfiltered radiation (in vacuum)

20 40 60 80 100 120

INTENSITY

PHOTON ENERGY (keV)

Radiación X típica

Bremsstrahlung

Espectro después del filtrado

Energía máxima de los electrones


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Efecto de filtrado adicional


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Tipos de radiaciónes (3)

• Radiación directamente ionizante – las partículas ceden su energía directamente en la materia (electrones, protones)

• Radiación indirectamente ionizante – una primera partícula transfiere energía a una segunda partícula la que a su vez desencadena eventos de ionización (fotones, neutrones)


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• Determina la penetración (cuánta radiación alcanza el blanco)

• Determina la dosis recibida por el objetivo

?


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Tipos de radiación

Evento de ionización


36

¿Cuál es indirectamente ionizante?

Evento de ionización


37

Comparación de las características de la dosis según la profundidad


38

…los fotones son los más ampliamente utilizados


39

Los fotones son parte del espectro electromagnético

Luz visible

Rayos X & GammaUltravioletaInfrarroja

Ondas de radio


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Los fotones son parte del espectro electromagnético

Suficiente Energía para provocar ionización

Luz visible

Rayos X & GammaUltravioletaInfrarroja

Ondas de radio


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Interacción de los fotones


42

Albert Einstein

Explicación del fotoefecto


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Interacción de los fotones con la materia en el rango de energías de la radiación gamma y de la radiación X (Z = número atómico; A = número másico; excepto para el caso del hidrógeno, se puede emplear como primera aproximación A = 2Z). La dependencia según el número atómico, así como de la energía; es solo una aproximación y varía en función de ambos.

Tipo de interacción

Dependencia según el número atómico

Dependencia según la energía del fotón

Partículas secundarias

Dispersión clásica Z2.5/A E-2

Fotoefecto Z4/A E-3 electrones, radiación x característica, electrones Auger

Efecto Compton Z/A E-1/2 electrones, fotones dispersados

Producción de pares

Z2/A E > 1022 keVlog E

electrones, positrones,radiación de aniquilación

Fotoefecto nuclear depende del material E > umbral del material neutrones, fotones, fisión,…


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Variación del coeficiente de interacción del fotón, con la energía

Rango de RayosX en terapia


45

Variación de la atenuación con el número atómico


46

Variación de la atenuación con el número atómico

0.01

0.1

1

10

100

10 100 1000 10000

water

lead

muscle

bone

Rango de rayos X en diagnóstico

Rango de rayos X en

terapia


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Implicaciones

• El blindaje con plomo muy eficiente a baja energía de los fotones (diagnóstico)

• En general, los fotones son difíciles de atenuar, especialmente en el rango de Megavoltage usado para terapia

• Los fotones de Megavoltage son menos apropiados para registrar imágenes


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Partículas secundarias y terciarias en un haz de fotones de megavoltage


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Interacción del electrón en la materia

• Eventos de ionización y excitación de átomos en toda la trayectoria del electrón en la materia. Las deposiciones individuales de energía son pequeñas y un electrón de megavoltage puede depositar energía en más de 10000 locaciones

• Bremsstrahlung (= “radiación de frenado”). El electrón pierde energía en forma de rayos X mientras deflecta alrededor de los núcleos


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Bremsstrahlung

• Más eficaz en electrones de muy alta energía en materiales de alto número atómico (metales).

• El proceso de generación de rayos X en primer lugar…

blancorayos Xelectrones


51

Interacciones de los electrones


52

Interacciones de los electrones

Fotones terciarios por Bremsstrahlung


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Fotones Electrones

• Atenuación exponencial

• Indirectamente ionizantes• Alcance finito

• Directamente ionizantes


54

De radiación a deposición de energía en un haz de fotones


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4. Magnitudes y unidades de las radiaciones

Necesidad de cuantificar los efectos de las radiaciones para

• determinar y cuantificar los riesgos

• determinar la probabilidad de beneficio (cura o mitigación del cáncer)

• Sopesar el riesgo y el beneficio

• Optimizar el enfoque de la radioterapia

• Tomar decisiones fundamentadas


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Caracterización de las radiaciones

FuenteDeposición de

Energía

PrimeraInteracción

Transporte


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Magnitudes físicas que pueden ser medidas

• En la fuente: Actividad, mA, kV

• En el haz: Flux [Flujo (ej. W/m2 = J/s/m2)]; Fluence [Fluencia (ej. J/m2)]

• En el primer punto de interacción: Kinetic Energy Released in Matter (KERMA) [energía cinética liberada en la materia]

• En la materia: Dosis absorbida


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Actividad

• La ‘cantidad’ de un radionúclido

• Unidad SI: becquerel (Bq) - una transformación nuclear por segundo

• Unidad antigua: curie (Ci)

1 Ci = 37 109 Bq = 37 GBq


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1 Bq es una unidad de medida pequeña

• Potasio-40 en las personas > 1000Bq

• Muchas fuentes radiactivas son > 100,000Bq

• Las fuentes radiactivas en radioterapia en su mayoría > 100,000,000Bq


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Múltiplos y prefijos (Actividad)

Múltiplo Prefijo Abreviatura

1 - Bq

1,000,000 Mega (M) MBq

1,000,000,000 Giga (G) GBq

1,000,000,000,000 Tera (T) TBq


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Exposición

• Cantidad de cargas creadas por la radiación en el aire

• Relativamente sencilla de determinar

• Medida en coulomb por kilogramo (C/kg) – unidad antigua roentgen (R)

1 R = 2.58 10-4 C/kg


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Dosis absorbida

• Energía depositada en la materia

• D = E/m (1 Gy = 1 J/kg)

• La magnitud relacionada con los efectos en la materia

• No necesariamente directamente proporcional a la intensidad del haz de radiaciones


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De exposición a dosis

EXPOSICIÓN• Solo definida en aire• Es la magnitud que

representa el ‘primer efecto’

DOSIS

• Puede ser definida para cualquier medio utilizando las relaciones de poderes de frenado

• Puede ser obtenida a partir de la exposición empleando W/e


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1 Gy es una unidad relativamente grande

• Las dosis en radioterapia > 1Gy

• Por lo general las dosis en radiología diagnóstico < 0.001Gy

• La radiación de fondo anual debida a la radiación natural (terrestre, cósmica, debida a la radiactividad interna, radon,…) aproximadamente 0.002Gy


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Fracciones y prefijos (dosis)

Fracción Prefijo Abreviatura

1 - Gy

1/1000 milli (m) mGy

1/1,000,000 micro (µ ) µGy


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Resumen

• En radioterapia, los fotones (rayos X y rayos gamma) y los electrones son los tipos de radiaciones más importantes

• Mediante los fotones son posibles varios procesos de interacción diferentes - todos los importantes transfieren energía a un electrón el cual deposita la energía en el tejido

• La dosis absorbida se define como la energía depositada en la materia y es medida en gray


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Dónde obtener más información

• De los físicos médicos

• Libros de texto:– Khan F. The physics of radiation therapy. 1994.

– Metcalfe P.; Kron T.; Hoban P. The physics of radiotherapy X-rays from linear accelerators. 1997.

– Cember H. Introduction to health physics. 1983

– Williams J; Thwaites D. Radiotherapy Physics. 1993.


68

Nota de precaución:La deposición de la energía en la materia es un evento aleatorio y la definición de dosis se circunscribe a volúmenes pequeños (ej. para una célula). La disciplina de microdosimetría tiene el objetivo de abordar este aspecto.

Adaptado de Zaider 2000


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¿Preguntas?


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¿Qué diferencia se esperaría al usar fotones de megavoltage para la obtención de imágenes de los pacientes en lugar de los rayos X de kilovoltage que se emplean en radiología diagnóstica?

Pregunta


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Simulador (kV) e imagen portal (MV) del mismo lado anatómico (próstata)

• Película de simulador • Película de verificación portal


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Agradecimientos

• Robin Hill

Date post:	04-Mar-2015
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