a 659d Módulo 3: Equipo para la Entrega de la Terapia de Protón | Oncolink - Cancer Resources

Módulo 3: Equipo para la Entrega 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

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Aceleradores: Ciclotrones y Sincrotrones

El primer paso en la generación de una hace de protón es obtener una fuente de protones que se puedan entonces acelerar a energías suficientes para el tratamiento. Esto se puede hacer usando el hidrógeno como el producto de comienzo y separando el electrón del hidrógeno de su protón usando un campo eléctrico. Una vez que se hayan generado los protones, deben ser acelerados de tal manera que la energía del protón sea suficiente para alcanzar el borde distal de un tumor. Los aceleradores de partícula utilizan un campo eléctrico para acelerar los protones y un campo magnético para dirigir las partículas cargadas. Los aceleradores lineares son de uso general en la terapia de fotón. En la terapia de fotón, los electrones se aceleran con un solo paso por una serie de campos eléctricos, y en el extremo de la línea de la hace, los electrones se dirigen hacia un blanco para generar los fotones, o alternativamente, una hoja de dispersión para la terapia de electrón. La terapia de protón requiere aceleradores cíclicos de la partícula, que hacen la partícula pasar a través del campo eléctrico repetidamente hasta que alcanzan una energía suficiente para el uso clínico.

Proton Therapy - Module 3 - Figure 1Actualmente, los dos dispositivos de más uso general para la aceleración de protón son ciclotrones y sincrotrones. Los ciclotrones (cuadro 1. IBA) se componen de dos semicírculos grandes con un espacio entre ellos. Estos dos semicírculos se conocen como "D's" o "Dees" (cuadro 2. IBA). Hay un campo magnético que es perpendicular al plano de los dees que se mantiene constante. Los protones se inyectan en el centro en los dos dees, y alternando el voltaje proveído a los dees, los protones son acelerados gradualmente. Los campos magnéticos ayudan a dirigir los protones tales que se mueven en un patrón espiral. El campo magnético y los cambios de voltaje entre los dees son mantenidos constantes, y mientras los protones circundan, continúan ganando energía y moviéndose gradualmente hacia fuera hasta que ellos pueden ser extraídos para el uso. Los ciclotrones producen una corriente alta, continua de protones (es decir, pueden producir una cantidad grande de protones continuamente); sin embargo, pueden solamente producir protones de una energía fija.

Proton Therapy - Module 3 - Figure 2Con los sincrotrones, mientras los protones se aceleran, los campos magnéticos tan bien como el índice de la oscilación del voltaje, son ambos modulados continuamente para mantener los protones viajando en un lazo fijo más bien que haciendo que se muevan gradualmente hacia fuera. Por lo tanto, en los ciclotrones la trayectoria de los protones cambia mientras que la energía aumenta, mientras que en los sincrotrones los protones se sostienen en una trayectoria constante vía cambios en la fuerza del campo magnético y alteraciones en el índice de la oscilación del voltaje. Así, los sincrotrones pueden producir protones de varias energías variando los campos magnéticos y eléctricos. Sin embargo, una vez que una cantidad de protones dada comience a ser acelerada, el sincrotrón se mantiene en paso con este conjunto de protones, y un conjunto nuevo de protones no puede ser acelerado hasta que el primer conjunto haya salido del sincrotrón. Es decir los sincrotrones no tienen una salida continua.

Transporte de la hace, degradadores, modulación de la gama, y modulación actual

Proton Therapy - Module 3 - Figure 3Una vez que se hayan acelerado los protones, deben ser dirigidos al pórtico para la entrega al paciente. Cuando los protones primero salen del acelerador, ellos salen como una hace fina de protones de una sola energía. Los protones se deben dirigir en una forma mono-energética porque los imanes de flexión, que son parte de la línea de la hace que transporta la hace de protón, pueden solamente doblar las haces mono-energéticas (cuadro 3. IBA). La hace de protón viaja en un vacío dentro de la línea de la hace y es dirigida por una variedad de imanes que puedan ambos desviar (los imanes dipolos) y enfocar (los imanes cuádruples) la hace. Estos imanes se pueden controlar precisamente para dirigir haces de energías diversas. Además, muchas instalaciones utilizan un solo acelerador para proveer pórticos múltiples. Estas líneas de hace tienen ramas múltiples, y el control exacto de los imanes de flexión se puede utilizar para proveer cada pórtico individualmente. Puesto que solamente un pórtico se puede proveer a la vez, los algoritmos para optimizar la entrega de la hace a cada pórtico se están desarrollando para maximizar el uso de la hace entre los pórticos. Actualmente, en la mayoría de los centros clínicos, la hace es dirigida manualmente por los reguladores a la siguiente sala de tratamiento que tiene un paciente listo para el tratamiento.

Proton Therapy - Module 3 - Figure 4La energía de la hace de protón sí misma se puede modular de un número de maneras. En aceleradores que pueden producir protones de energías variables, tales como los sincrotrones, los protones pueden simplemente ser extraídos en la energía apropiada. Sin embargo, en los aceleradores que producen haces mono-energéticas, tales como los ciclotrones de energía fija, un degradador de hace se puede utilizar para cambiar la energía de la hace de protón (cuadro 4. IBA). Este sistema de selección de energía (ESS, por sus siglas en ingles) degrada la hace inicial producida por el ciclotrón para producir varias energías diversas más bajas. Esto permite que la energía de la hace sea modulada, tal que una variedad de profundidades dentro del tejido fino pueda ser tratada. Actualmente, con haces de protón de 250 MeV, profundidades de aproximadamente 40 centímetros se pueden tratar con un degradador, permitiendo que profundidades más bajas sean tratadas. Generalmente, un material de Z bajo, tal como grafito, se utiliza para degradar la hace de protón mientras que atenúa la hace al mismo tiempo que reduce al mínimo la dispersión. No obstante, a pesar del uso de los materiales de Z, todavía hay atenuación significativa de la hace y dispersión resultando en degradación de la hace y un protector se utiliza para reducir al mínimo la dispersión.

Proton Therapy - Module 3 - Figure 5Una vez que se haya producido la energía deseada de la hace de protón, todavía necesita ser "extendida" tal que pueda cubrir el tumor entero, pues una hace mono-energética de protón cubriría solamente una porción pequeña del tumor con su pico de Bragg. Para crear una hace con energías múltiples que puedan extender sus picos de Bragg sobre profundidades múltiples (extensión de pico de Bragg), una rueda de modulador puede ser utilizada (cuadro 5. IBA) ("rueda de desplazador de gama" en el cuadro 6. PSI). La rueda de modulador gira en la trayectoria de la hace de protón y se abarca de áreas de diversos gruesos que atenúan la hace de protón a diversos grados. Haciendo esto, crea protones de varias energías, dando por resultado la extensión del pico de Bragg, tal que los tumores más grandes puedan ser tratados. Sin embargo, la rueda de modulador tiene varias limitaciones. La rueda de modulador tiene un número limitado de energías de protones para las cuales es eficaz, y puede crear solamente una sola anchura dada de la extensión del pico de Bragg. Por lo tanto, una gran cantidad de ruedas de modulador serían necesarias. Sin embargo, este número puede ser reducido usando la modulación corriente.

Proton Therapy - Module 3 - Figure 6

La hace de protón puede ser apagada en puntos específicos durante la revolución de la rueda de modulador, que cambia la anchura del campo de tratamiento. Esto tiene la desventaja de aumentar los tiempos del tratamiento (como la hace está apagada por una porción del tratamiento) tan bien como hacer la fabricación del sistema más complejo. La corriente de la hace se puede también variar precisamente con la rotación de la rueda de modulador, que puede reducir más aun el número de las ruedas de modulador necesarias; sin embargo, la complejidad del sistema es incluso aun más creciente. Usar esta técnica también requiere un detector de corriente muy sensible y cambios en la corriente que son muy estables y lineares.

Pórticos y sistemas de haces inclinados

Proton Therapy - Module 3 - Figure 7Después de que la hace de protón se haya creado y se haya dirigido a la sala de tratamiento usando la línea de hace, hay una variedad de maneras en cual los protones se pueden dirigir precisamente para tratar el tumor. Una forma es utilizar un pórtico que pueda rotar 360 grados alrededor del paciente, permitiendo la entrega de la radiación de cualquier ángulo dentro de un solo plano (cuadro 7. IBA) Conjuntamente con una tabla de tratamiento ajustable, casi cualquier ángulo de tratamiento deseado puede ser alcanzado. Hay gran interés en la integración de tablas robóticas con la terapia de protón porque tienen más flexibilidad que las tablas de tratamiento tradicionales (discutido en mayor detalle en el módulo 6). Sin embargo, los pórticos necesitan ser bastante grandes (tres pisos o aproximadamente 10 metros en altura) para dirigir los protones al paciente apropiadamente, y el espacio en el centro del pórtico debe ser bastante grande para acomodar al paciente así como al equipo de proyección de imagen, que es crucial para la entrega exacta de los protones.

El sistema de hace inclinado utiliza dos haces, una hace horizontal y una segunda hace que se orienta a 30 grados de la vertical. Estas haces utilizan un isocentro común y se pueden utilizar juntas, en conjunto con un posicionador del paciente robótico, para alcanzar una gama amplia de ángulos para tratar al paciente (cuadro 8. Procure). Hay también haces fijas que pueden entregar los protones solamente en una dirección singular. Estas haces confían en el movimiento de la tabla o de la silla de tratamiento alrededor de la hace para permitir que ángulos múltiples sean tratados.

Proton Therapy - Module 3 - Figure 8

Inyectores

Los inyectores se utilizan para entregar los protones al paciente y se abarcan de componentes múltiples (cuadro 9. IBA). Hay dos tipos de sistemas de entrega de protón principales usados actualmente, dispersión pasiva y escán de hace. La dispersión pasiva será discutida primero.

Proton Therapy - Module 3 - Figure 9

Dispersión pasiva, aberturas, y compensadores

En un sistema de dispersión pasiva, el inyector contiene los componentes antedichos incluyendo las hojas de dispersión, filtro de arista o rueda de modulador, la abertura y el compensador de gama. Además de extender el campo de protón para cubrir la profundidad del tumor, los aspectos laterales del campo también necesitan ser ampliados de la hace de lápiz fina original. Un sistema de hoja de dispersión doble se puede utilizar para anchar la hace de protón lateralmente (los discos verdes en el cuadro 6). La primera hoja de dispersión usada en este sistema es uniforme y crea una distribución de protones Gaussian, o forma acampanada. Sin embargo, esto se debe entonces aplanar antes de alcanzar al paciente. Por lo tanto, una segunda hoja de dispersión no uniforme es necesaria. Los protones centrales se dispersan a un grado mayor comparados con los protones en el aspecto lateral de la hace, que actúan para aplanar la hace de protón. Muy igual a un filtro de aplanar en la terapia de fotón, cualquier desalineamiento de la segunda hoja de dispersión no uniforme, puede crear una hace sesgada. En un sistema de una sola hoja de dispersión, la sola hoja de dispersión causa una distribución Gaussian de las energías de protón, sin embargo, sólo la porción del centro, donde las energías de protón están dentro del aproximadamente 5% de los protones de energía más alta producidos, puede ser utilizada. Esto limita grandemente el tamaño de la hace. Además, el sistema doble de la hoja de dispersión permite menos pérdida de energía que el sistema de una sola hoja de dispersión. Una abertura se puede entonces utilizar para formar más aun las fronteras laterales de la hace ("colimador" en el cuadro 6). Éstos se hacen de cobre amarillo y pueden generalmente ser bastante pesados y difíciles de manipular. Las aberturas y los compensadores se insertan en el "hocico" del inyector. Hay actualmente un sistema de MLC para los protones en desarrollo en la Universidad de Pennsylvania que prevendría la necesidad de aberturas especificadas. El proceso de desarrollo de MLC se describe en mayor detalle aquí: Diseñando un colimador de multi-hoja para la terapia de protón.

Proton Therapy - Module 3 - Figure 10Como se describió anteriormente, la profundidad a la cual un protón puede tratar puede ser modulado por la energía de la hace de protón. Además, usando protones de energías múltiples, el tumor entero puede ser tratado. Sin embargo, el borde distal del campo de protón todavía no es conformado a la frontera distal del tumor. Sin contorneo adicional de la hace, se deja un campo de forma de bloque. Un compensador (cuadro 6), hecho generalmente de cera o acrílico, se utiliza para controlar donde la dosis va a lo largo del borde distal del tumor. Éstos pueden ser molidos en el tiempo del tratamiento (cuadro 10). Sin embargo, contorneando la dosis distalmente, algo de la dosis es "empujada" proximalmente. Esto da lugar a algunas áreas próximas al tumor, que no deseamos ser tratadas, recibiendo 100% de la dosis (observe las áreas púrpuras próximas al tumor en el cuadro 6). Los compensadores y las aberturas se necesitan solamente en una hace de dispersión pasiva y no se requieren para contorneo distal con un sistema de escán de hace.

Hay varias desventajas del sistema de dispersión pasiva. Debido a la necesidad de una abertura y de un compensador, la hace de protón debe viajar por varias capas, creando más neutrones. La contaminación de los neutrones entrega una dosis indeseada al paciente. Como se describe anteriormente, el uso de un compensador puede cambiar de puesto la dosis completa en las áreas próximas al tumor, que reciben dosis altas indeseadas. Los tratamientos de dispersión pasiva también requieren muchos componentes especificados ser hechos para cada paciente. Los compensadores y las aberturas especificados se deben hacer para cada campo usado para tratar a un paciente. Las aberturas llegan a ser radiactivas después del tratamiento y necesitan ser almacenadas hasta que puedan ser dispuestas con seguridad. Todos estos componentes también necesitan tener chequeos de calidad y aseguramiento realizados que pueden consumir mucho tiempo.

Sistemas de escán de punto

El segundo tipo de terapia de protón que está comenzando recientemente a ser utilizado en los Estados Unidos es la terapia de protón de escán de hace. Los escánes de hace utilizan imanes para mover la hace de protón precisamente, tales que pueden "pintar" el área que debe ser tratada. En un sistema de escán de punto, el inyector contiene los imanes necesitados para dirigir la hace de protón. Una vez que un área en una profundidad dada es tratada, la energía de protón puede ser cambiada y la "capa siguiente" puede ser pintada. Repitiendo esto, es posible tratar el tumor entero. Esta técnica permite mayor conformalidad con contorneo de los extremos distales y próximos del campo de protón. Los escánes de hace de protón también permiten el uso de la terapia de protón de intensidad modulada (IMPT, por sus siglas en ingles). Con IMPT, se utilizan haces múltiples y un algoritmo de computadora calcula el arreglo óptimo del pico de Bragg individual necesario para cubrir el volumen. La suma de estos picos de Bragg puede proporcionar una distribución exacta de la dosis a través del volumen tridimensional. Pocos neutrones se producen con los escánes de hace, como un compensador, una hoja de dispersión y una abertura no son necesarios. La desventaja principal del escán de hace es la mayor complejidad y tiempo de tratamiento más largo debido a las "capas" múltiples que se deben "pintar". Hay también desafíos significativos en usar los escánes de hace en áreas de movimiento del órgano, pues esta tecnología es más susceptible a problemas con el movimiento.

Determinación de la dosis

Similar a la terapia basada en fotones, la dosis de radiación entregada a un paciente con los protones se mide en unidades de monitor. Estas unidades de monitor corresponden a la cantidad sabida de carga recogida en una cámara de ionización presente dentro de la hace. La cámara de ion desempeña el papel crítico de ser el monitor absoluto de referencia para la dosis entregada. Esto también significa que la prescripción de la dosis en gris se debe convertir a unidades de monitor. El factor de conversión necesario para convertir la dosis a unidades de monitor se conoce como factor de salida, y varios modelos para el factor de salida se han desarrollado para los fotones. Para los protones, una medida actual de salida de los campos individuales se requiere para determinar exactamente los factores de salida. Modelos numerosos, predominantemente los algoritmos que utilizan los cálculos de Monte Carlo para determinar el factor de salida para un campo de tratamiento dado, están en desarrollo. La determinación de la dosis entregada por una hace de protón se realiza generalmente con una cámara de ionización que se ha diseñado especialmente para el uso con protones. Generalmente, se utiliza o una cámara de ionización cilíndrica o una cámara de plano paralelo (para gradientes de dosis de profundidades grandes o picos de Bragg extendidos estrechos). Los escánes de hace presentan desafíos adicionales. El escán de hace de punto requiere supervisión cercana para asegurar que cada punto está recibiendo la dosis correcta. Para los escánes de hace, generalmente dos cámaras de supervisión, que abarcan la gama entera del escán de hace, se utilizan para proporcionar dos medidas independientes del flujo de la hace. Las cámaras de ionización también supervisan la dosis entregada a un punto dado.

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