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Módulo 2: La Física Detrás de la Terapia de Protón

Eric Shinohara MD, MSCI
The Abramson Cancer Center of the University of Pennsylvania
Ultima Vez Modificado: 18 de marzo del 2009

Pérdida de energía de partículas cargadas en materia, el pico de Bragg, la caída distal e incertidumbres de la gama

Una de las ventajas principales que los protones tienen sobre los fotones es la carencia de la dosis de salida. Se demuestra abajo un gráfico que representa la dosis relativa depositada en el tejido fino para una variedad de tipos de radioterapias de uso general. Uno puede ver que después de un área de acumulación, una hace de fotón de 22 milivoltios alcanza su dosis máxima (Dmax), después de lo cual la energía depositada con el aumento de profundidad disminuye gradualmente (cuadro 1. IBA).

Proton Therapy - Module 2 - Figure 1

En contraste con esto, mientras un protón viaja a través del tejido fino, deposita una cantidad pequeña de energía predominantemente por ionización. Como las partículas pierden energía gradualmente, y desaceleran, el número de eventos de ionizaciones aumenta rápidamente y alcanza su ápice conocido como el pico de Bragg. Poco después del pico de Bragg, el número de ionizaciones disminuye rápidamente a cero, según lo visto en la figura abajo.

Proton Therapy - Module 2 - Figure 2

La anchura del pico de Bragg es típicamente 8 milímetros para una hace de protón de 177 MeV. Sin embargo, es importante observar que la dispersión puede también afectar el pico de Bragg. Como la gama de los protones se extiende en agua, también como la dispersión, causa un pico de Bragg más amplio. Aproximadamente 20% de la dosis primaria del protón se pierde con interacciones nucleares con núcleos atómicos.

Sin embargo, es importante observar que la gama de una hace de protón no es absoluta. Por lo tanto, el borde distal de una hace de protón (que representa el borde distal del campo del tratamiento de protón) lleva una cierta cantidad de incertidumbre. Esto ocurre porque la pérdida de energía debido a los acontecimientos de la ionización visto con los protones mientras viajan a través del tejido fino, es un fenómeno estadístico. Esto significa que fluctuaciones son esperadas, como van haber algunos protones que pierden energía en una tarifa perceptiblemente diversa que el protón "medio". Esto da lugar a un fenómeno conocido como "extravía de la gama," en el cual protones que tienen las mismas energías al comenzar y al terminar tienen diversas longitudes de trayectoria debido a la probabilidad antedicha de la pérdida de energía diferenciada. El efecto de la extravía de la gama en la caída distal del pico de Bragg es cerca de 1.1% de la gama de la hace. Es importante observar que hay mayor extravía de la gama con haces de dispersiones pasivas (será discutido en el módulo 3), como la dispersión en si misma causa extravía de la gama. Es también importante observar que la densidad del material que es atravesado por el protón afecta el pico de Bragg también (el cuadro 2. Cortesía del Dr. Tony Lomax, PSI). Esto tiene implicaciones importantes para el planeamiento de tratamiento cuando se maneja las interfaces del tejido fino y del movimiento del órgano, que pueden afectar perceptiblemente la gama del protón. Es también importante recordar que los cambios en el tumor durante el tratamiento también afectarán la gama distal, particularmente en el tratamiento del cáncer del pulmón debido a las diferencias en la densidad de la longitud de la trayectoria de los protones. Incertidumbres adicionales de la gama se pueden causar por errores en convertir el número de Hounsfield (o el número de CT) para parar la energía (que requiere información con respecto al tipo de partícula, la energía de la partícula y las características de la materia a través de la cual la partícula está viajando), que se requiere para los cálculos de la dosis de protón. Una inexactitud en el número de conversión del CT para parar la energía puede causar errores en hasta 3½ % de la gama de protón. Las mejorías en convertir las unidades de Hounsfield para parar la energía pueden reducir los errores relacionados con esta conversión. Una fuente de error cuando se calcula parar la energía se relaciona con los artefactos, tales como una prótesis de la cadera dentro del escáner de CT. Maneras de reducir estos artefactos pueden reducir los errores relacionados con la conversión de Hounsfield. Los escáneres de CT de megavoltaje pueden reducir los artefactos y pueden ayudar a proporcionar menos errores cuando se realizan las conversiones del número de CT, sin embargo, sufren de una resolución peor.

Dispersión múltiple y caída lateral de la dosis

Mientras la hace de protón viaja a través de la materia, hay dos mecanismos principales por los cuales la energía es perdida vía interacciones de Coulomb. Primero, la energía se pierde con la interacción del protón con los electrones atómicos, que causan la gama limitada de los protones en la materia. La segunda causa de la pérdida de energía ocurre cuando el protón obra recíprocamente con el núcleo, que causa acontecimientos múltiples de dispersión del protón. Estos acontecimientos de dispersión hacen la trayectoria del protón desviarse de una línea recta (cuadro 3. Dr. Tony Lomax, PSI). La dispersión del protón afecta los márgenes laterales de la hace (penumbra). Típicamente, los fotones de 6 milivoltios tienen una caída lateral de 6 milímetros en una profundidad de 10 centímetros (dosis desde 80% -> 20%) contra los protones, que tienen una caída lateral de 5-8 milímetros en una profundidad de 10 centímetros. La dispersión es sobre todo debido a dispersión de Coulomb múltiple, que también sucede con la terapia de electrón, pero a un grado mucho menor que con los protones. Esta dispersión es generalmente insignificante en profundidades menores, pero los efectos aumentan con la profundidad. Esto contribuye a la distribución lateral de la dosis de la hace de protón debido a las partículas secundarias que ocurren debido a las reacciones nucleares.

Algunas de las interacciones de Coulomb se pueden evitar para reducir al mínimo la penumbra lateral de una hace de protón, mientras que otras son inevitables. La dispersión de Coulomb puede ocurrir en el aire, dentro de los componentes del sistema de la entrega de protón, y dentro del paciente. La dispersión de Coulomb múltiple que ocurre dentro del paciente es inevitable. Dentro del paciente, la cantidad de dispersión de Coulomb múltiple tiene una relación casi linear con la gama, y la cantidad de dispersión que es debido a la dispersión de Coulomb múltiple representa la cantidad más pequeña de penumbra posible para una hace de protón dada.

Proton Therapy - Module 2 - Figure 2

Por lo tanto, es importante limitar el resto de las causas de dispersión de Coulomb múltiple para mantener la penumbra lateral tan aguda como sea posible. Para limitar la cantidad de dispersión de Coulomb múltiple debido al equipo, el sistema de aspiración en la línea de la hace se debe posicionar tan hacia abajo como sea posible. Además, los dispositivos de monitoreo se deben hacer del material más liviano posible y se deben hacer tan finos como sean posible. Cualquier dispositivo de modulación de la gama debe también estar tan hacia arriba como sea posible para también limitar la dispersión. Además, el inyector se debe colocar tan cerca del paciente como sea posible par disminuir más aun la dispersión. Generalmente, las haces del escáner pueden alcanzar una penumbra lateral mucho más aguda optimizando la energía de los puntos individuales de la hace para limitar la penumbra.

 

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