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Normal 0 false false false EN-US X-NONE X-NONE /* Style Definitions */ Módulo 4: Seguridad de la Radiobiología y Radiación

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

Radiobiología: Transferencia de energía linear (LET) y efecto biológico relativo (RBE)

La radiación se mide generalmente en unidades de dosis absorbida (gris o rads) que se definen como la cantidad de energía absorbida por unidad de masa del tejido fino. Sin embargo, este valor no considera las diferencias en eficacia biológica entre diversos tipos de radiación. La eficacia biológica relativa (RBE, por sus siglas en ingles) es una manera de explicar diferencias en la eficacia biológica entre diversos tipos de radiación, usando radiografías como el punto de referencia. Estudios anteriores han encontrado la eficacia biológica relativa de protones ser entre 1.08 y 1.15. La RBE se puede utilizar para convertir la dosis de fotón a protón. La dosis de protón se prescribe generalmente en equivalentes de gris de cobalto (CGE, por sus siglas en ingles). Sin embargo, es importante observar que cerca del extremo del pico de Bragg puede haber un aumento en la RBE. La RBE aumentada cerca del extremo del pico de Bragg se ha estimado ser tan alta como 2.05. Un factor que se relaciona de cerca con la RBE es la transferencia de energía linear (LET, por sus siglas en ingles). Se define como la energía perdida por distancia de unidad por una partícula mientras viaja a lo largo de su pista. Las haces de protón tienden ser poco ionizadas hasta que están cerca del extremo de su gama. Para una hace de aproximadamente 200MeV, esto corresponde a sobre 4 veces más dosis depositada en el pico de Bragg que comparado con la dosis depositada en el área donde la hace entra. El cociente de realce de oxígeno (OER, por sus siglas en ingles) compara la cantidad de radiación requerida para dar un efecto en condiciones anoxicas contra la cantidad de radiación requerida en condiciones de oxígeno óptimas. Los estudios han demostrado que no hay diferencia en el OER entre los protones (2.5-3.0) y las radiografías estándares. Por lo tanto, las ventajas que los protones proporcionan son sobre todo debido a sus características físicas más bien que a sus efectos biológicos sobre los tejidos finos.   

Dosis de cuerpo entero, dosis de neutrón, y radiactividad inducida en pacientes

El uso de haces de protón de dispersión pasiva crea niveles crecientes de dosis de neutrón secundaria debido a las interacciones de los protones con las hojas de dispersión y los componentes colimadores del inyector. Específicamente, la abertura usada para formar la hace de protón contribuye a la contaminación de neutrón más secundaria, pues está la más cercana al paciente. Puesto que la abertura está formando la hace a un tamaño más pequeño, la abertura se bombardea necesariamente con una cantidad grande de protones. Por lo tanto, la dosis de neutrón puede ser limitada cerciorándose de que el inyector más pequeño para emparejar la abertura debe ser utilizado. De esta manera, solamente la cantidad mínima de bloqueo será utilizada, reduciendo al mínimo la dosis de neutrón de abertura. Movimiento adicional de la hoja de dispersión más lejos del paciente puede también reducir la dosis de neutrón y se utiliza en sistemas más nuevos. Sin embargo, es confuso de cuán importancia clínica esta dosis de neutrón es. Parte de la dificultad en determinar el efecto de la producción de neutrón secundaria es la dificultad en medir la dosis de cuerpo entero relativa a los neutrones. Estas dificultades incluyen: las diferencias en las técnicas de medida usadas en diversas instalaciones y dificultades técnicas asociadas a la medida de la dosis de neutrón en un campo de radiación mezclado así como dentro de un fantasma. Estas dificultades han proporcionado una gama amplia de estimaciones para la dosis de cuerpo entero debido a los neutrones secundarios. No obstante, generalmente se conviene que las dosis de neutrón de cuerpo entero es demasiado pequeña para causar efectos tempranos o tardíos de radiación, pero de preocupación primaria es el riesgo de malignidades secundarias. La mejor estimación para el RBE de neutrón de energía baja es aproximadamente 30. Sin embargo, la mayoría de neutrones secundarios producidos en la terapia de protón son de energía alta, y las estimaciones de su RBE es en la gama de 25. Los cálculos sugieren que con la dispersión pasiva y el escán de hace, la dosis de radiación secundaria está en la orden de 10-2 Gy y 10-3 Gy por Gy de protones prescrito, respectivamente. Estudios de Hall y otros han sugerido que el riesgo de por vida de desarrollar una malignidad para una persona de 15 años tratada con la terapia de protón con una hace de dispersión pasiva es 4.7% y 11.1% para un muchacho y una muchacha, respectivamente. El riesgo fue encontrado disminuir substancialmente con edad. Es importante observar que estos cálculos están basados en exposiciones estimadas y valores de RBE. Por lo tanto, mientras que es confuso cuáles son los riesgos y las exposiciones exactas de las haces de protón de dispersión pasiva, maneras de reducir al mínimo la producción de neutrones secundarios deben ser implementadas.   

En un intento de mejorar responder a la pregunta de la dosis de neutrón y de malignidades secundarias, un estudio emparejado retrospectivo comparó a pacientes tratados en la facilidad de ciclotrón de Harvard a partir de 1974-2001 con pacientes tratados con la terapia de fotón extraída de la base de datos de SEER. Un total de 503 pacientes tratados con protones fueron emparejados a un a tres pacientes tratados con radiación de la base de datos de SEER. No incluyeron a pacientes tratados con un campo de protón pequeño en este estudio. Incluyeron a pacientes de edad de 1-90 años en este estudio con la edad mediana de 62 años. El cuidado de seguimiento mediano de pacientes de protón fue 6.8 años contra 5.2 años para los pacientes tratados con fotones. Emparejaron a todos los pacientes por edad, año de tratamiento, histología y sitio de tratamiento. El resultado primario de este estudio era la malignidad secundaria. Es importante observar que la mayoría de pacientes tratados con fotones también recibieron protones por parte de su curso de tratamiento (típicamente 20% del tratamiento). Los resultados del estudio demostraron que 32 pacientes (6.4%) tratados con protones desarrollaron malignidades secundarias con respecto a 66 pacientes (13.1%), que recibieron fotones y que esta diferencia era estadísticamente significativa. Los escánes de haces no requieren componentes numerosos en la línea de la hace como las haces de dispersión pasivas requieren, y por lo tanto la producción de neutrón secundaria es mucho menos un problema.

Además de dispersión, los protones pueden también experimentar reacciones nucleares con una colisión de frente con un núcleo atómico. Estas colisiones pueden ser elásticas, con dispersión de protón o inelásticas, dando por resultado una reacción nuclear. Las reacciones nucleares componen solamente una minoría de las interacciones que los protones experimentan mientras que viajan a través de la materia (el cerca de 20%). Cerca de la superficie, donde los protones tienen la energía más alta, la interacción nuclear más probable es una colisión elástica entre un protón y un núcleo en la cual el protón se dispersa. Sin embargo, la interacción predominante del protón todavía es con los electrones atómicos y esta interacción causa la mayoría de la pérdida de energía del protón y representa el mecanismo dominante de la pérdida de energía en la región del pico de Bragg. Colisiones no-elásticas del protón con el núcleo dan lugar a una reacción nuclear, produciendo los isótopos energéticos junto con los protones secundarios, neutrones y fragmentos cargados de vez en cuando pesados, tales como partículas alfa. Sin embargo, la fluencia que resulta de estas partículas es bastante baja y la mayoría de la dosis entregada es atribuida a la hace de protón primaria. Una pequeña cantidad de isótopos que emiten positrón también se producen, por ejemplo el oxígeno 16, que puede producir una reacción de aniquilación dando por resultado los rayos gama que pueden ser detectados. Un explorador de PET puede ser usado ambos durante la terapia de protón así como después de la terapia de protón para detectar reacciones de aniquilación.  

Bloqueo de la radiación y seguridad del personal

Diseñar bloques apropiados para una facilidad de protón tiene varios aspectos que son similares a diseñar bloques para una facilidad de fotón. La corriente de la hace, la cantidad de trabajo de la sala de tratamiento, el horario de funcionamiento, la cantidad de radiación de salida y de dispersión, el factor de la orientación de la hace, y el factor de la ocupación del área se deben todos explicar en calcular bloques apropiados para los protones así como para los fotones. Además, igual a los fotones, las instalaciones de protón se deben equipar de luces de advertencias de radiación, de monitores para la observación del paciente, de audio instalado para la comunicación con el paciente, de interruptores para apagar en casos de emergencia, y de dispositivos dosimétricos calibrados para la seguridad del personal.

El diseño de bloques para una facilidad de protón debe también considerar la producción de la dosis secundaria de la radiación, que se abarca principalmente de neutrones, además de la hace de protón primaria. Sin embargo, la literatura en la producción de neutrones secundarios en haces de protón es escasa. Parte de la razón de esto es que la producción de neutrón secundaria es dependiente de la colocación de y de los materiales de los cuales el sistema de entrega de hace se abarca. No hay disposición estándar para el sistema de entrega y por lo tanto es difícil traducir la cantidad de neutrones secundarios producidos a partir de una facilidad a otra. Además, los protones se pueden dar usando una dispersión pasiva o una técnica de hace de exploración, que afecta la producción del neutrón secundaria. La manera de la cual la energía de la hace de protón se modula también determina la cantidad de neutrón secundario producida. Los sincrotrones pueden producir protones de varias energías, mientras que los ciclotrones requieren un modulador de gama, que genera más neutrones mientras que requiere poner material atenuante adicional dentro de la hace.   

La dosis de radiación secundaria se puede determinar por experimentos o por cálculos basados en un modelo. Según lo discutido arriba, las medidas experimentales son a menudo difíciles y los resultados son específicos para el sistema particular de entrega de la hace de protón. Por lo tanto, no es fácil extrapolar los datos experimentales a diversos aparatos de tratamiento. Los cálculos son también a menudo complejos y difíciles. Los cálculos de Monte Carlo que modelan el sistema de entrega de la hace se pueden utilizar para intentar estimar la dosis entregada por la radiación secundaria, la dosis al blanco previsto, y la dosis a los tejidos finos normales adyacentes. Sin embargo esto requiere cómputos complejos. Los neutrones generados consisten en neutrones evaporados que se lanzan isotrópicamente y neutrones de alta energía que se producen durante las reacciones intranucleares, que se lanzan predominantes en la dirección delantera. Los neutrones intranucleares son una fracción más pequeña de los neutrones producidos, pero son el componente más penetrante de neutrones secundarios y deben ser explicados.

Los bloques más comunes usados para atenuar la producción de neutrón secundaria son tierra, concreto, y acero. El acero tiene la ventaja de ser de densidad alta, creando un protector más fino; sin embargo, también crea neutrones de poca energía y por lo tanto requiere bloques secundarios de concreto. La densidad y el contenido en agua del concreto afectan la absorción del neutrón y deben ser explicados. El contenido en agua del concreto se piensa generalmente ser el cerca de 5% y cualquier desviación de esto debe ser explicada. La determinación de la transmisión del protector es también difícil y se puede hacer usando los modelos de Monte Carlo (tales como FLUKA, LCS, y MARS) o métodos experimentales.  

Otro peligro potencial para el personal y los pacientes es la radiactividad inducida que puede ocurrir en cualquier material que es irradiado por la hace primaria o la radiación secundaria. La cantidad de radiactividad inducida es dependiente en la energía de la hace y el tipo de material irradiado. El personal puede ser expuesto a la radiactividad inducida durante el mantenimiento de la unidad de protón así como al manejar componentes específicos a los pacientes, tales como aberturas. La supervisión y la disposición apropiadas de materiales activados son cruciales para la seguridad del personal y de los pacientes. La línea del acelerador y de la hace se pueden también activar por la hace de protón primaria. Generalmente, aparte de los blancos y colimadores, la actividad de los componentes activados es bastante baja y la mayoría de los isótopos creados son de duración breve.

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