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IAEAInternational Atomic Energy Agency
OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia
Parte 2
Física de las Radiaciones
PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA
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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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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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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IAEAInternational Atomic Energy Agency
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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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Contenido
1. Radiactividad
2. Tipos de radiaciones ionizantes
3. Interacción de las radiaciones con la materia
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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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Efecto de filtrado adicional
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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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3. Interacción de las radiaciones con la materia
• Determina la penetración (cuánta radiación alcanza el blanco)
• Determina la dosis recibida por el objetivo
?
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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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Tipos de radiación
Evento de ionización
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¿Cuál es indirectamente ionizante?
Evento de ionización
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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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Comparación de las características de la dosis según la profundidad
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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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…los fotones son los más ampliamente utilizados
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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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Los fotones son parte del espectro electromagnético
Luz visible
Rayos X & GammaUltravioletaInfrarroja
Ondas de radio
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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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Interacción de los fotones
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Albert Einstein
Explicación del fotoefecto
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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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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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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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Variación del coeficiente de interacción del fotón, con la energía
Rango de RayosX en terapia
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IAEAParte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 1. General
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Variación de la atenuación con el número atómico
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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
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Interacciones de los electrones
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Interacciones de los electrones
Fotones terciarios por Bremsstrahlung
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Fotones Electrones
• Atenuación exponencial
• Indirectamente ionizantes• Alcance finito
• Directamente ionizantes
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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.
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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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70
¿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