Le radiazioni ionizzanti e le grandezze fisiche di interesse in dosimetria I Parte

1. Le radiazioni ionizzanti e le grandezze fisiche di interesse in dosimetriaI Parte M. Giuseppina BisogniDosimetria AA 2013-2014

2. Dosimetria in radioterapia

3. Sommario • Introduzione alla radioterapia • Produzione di fasci per radioterapia Elementi di radioterapia

4. Incidenzadeitumori e mortalita’

5. Trattamenti dei tumori in Europa Non Curabili Curabili U.E. 1991 [XII/F-6/nv/91001P]

6. Scopo della radioterapia Lo scopo della radioterapia è quello di veicolare su un volume bersaglio un inviluppo di dose che sia sufficiente a eradicare fino all’ultima cellula clonogenica e nello stesso tempo risparmiare quanto più possibile i tessuti sani

7. TCP e NTCP TCP Tumor Control Probability NTCP NormalTissueComplicationProbability Buona finestra terapeutica Cattiva finestra terapeutica

8. Linear Quadratic Model a D lesioni non riparabili b D2 lesioni riparabili SurvivingFraction Tessuti normali con risposta acuta e carcinomi Tessuti normali con risposta lenta

9. Fattori che influenzano risposta biologica • Dose totale • Massima azione biologica • Limite fissato dai tessuti sani • In un trattamento si arriva a ~ 60 Gy • Dose rate • 100 -200 cGy/min • Inizio trattamento con campi grandi • Sovradosaggio al letto tumorale • Parte centrale del tumore radioresistente (ipossia) • Frazionamento • Capacita’ di recupero del danno subletale maggiore cellule sane rispetto a cellule tumorali • Frazionamento tipico; 1 fr/die-2 Gy/fr-6 weeks

10. Radioterapia transcutanea • Ortovoltaggio • 50 – 500 keV • Tubi RX • Tumori della pelle e scheletrici • Megavoltaggio • 1 – 30 MeV • Cobaltoterapia, Linac • Lesioni profonde

11. Produzione di fasci per radioterapia • Unita’cobaltoterapia • Fasci di fotoni • Betatroni • Fasci di elettroni e fotoni • Non piu’ usati • Acceleratori lineari (LINAC) • Fasci di elettroni e fotoni • Acceleratori circolari(Sincrotroni e ciclotroni) • Fasci di particelle di alta energia • Protoni, pioni, ioni pesanti

12. LINAC • Pacchetti di elettroni accelerati all’interno di cavita’ in cui e’ presente un campo elettrico oscillante • La sorgente del campo elettromagnetico e’ un klystron a microonde • Produce onde e.m. con caratteristiche: • Frequenza=3 GHz • Lunghezza d’onda=10 cm • Periodo=333 ps • Modelli di LINAC • Onda viaggiante • Onda stazionaria

13. Travelingwave LINAC • Onda e.m. trasmessa attraverso cavita’ separate da dischi • Cavita’ distanti l/4 l’una rispetto all’altra • Un elettrone introdotto in P con velocita’ c sente sempre lo stesso campo elettrico E • Analogia con surf

14. Traveling wave LINAC • Gli elettroni vengono attratti verso l’apertura Y • “impacchettati” tramite una ddp oscillante a 3 GHz e 70 kV (prebuncher) • Iniettati nella guida d’onda con spaziature crescenti per accelerare gli elettroni fino alla velocita’ c • L’aumento di energia si manifesta in aumento di massa • Con E=80 kV/cm si possono ottenere su 1 m elettroni con energia di 8 MeV

15. Standing wave LINAC • Onda stazionaria prodotta dalla sovrapposizione di due onde viaggianti in direzioni opposte • In B,D,F e H il campo elettrico e’ sempre nullo • Nelle altre cavita’ oscilla. A t=0 e’ positivo; a T/4 e’ nullo ovunque; a T/2 cambia segno • Un elettrone immesso in P sente sempre un campo elettrico positivo e viene costantemente accelerato

16. Standing wave LINAC • cavita’ acceleratrici adiacenti accoppiate da cavita’ di accoppiamento • Vengono prodotte due onde e.m. opposte • Elettrone in V acquista energia nella prima cavita’ • Dopo T/2 entra nella seconda cavita’ e acquista ulteriore energia • Campi da 150 keV/cm • Oggi i LINAC medici sono di questo tipo

17. LINAC medicali • Configurazioni di LINACs medicali • A) 4-6 MeV • B) 8-12 MeV • C)30-35 MeV • D) bending magnet a 2700 • E) LINAC a “due passaggi” • Isocentro C • Distanza 100 cm da S

18. LINAC per Radioterapia

19. Configurazione Componenti • Elettroni focalizzati su target S vengono completamente assorbiti producendo fotoni di bremsstrahlung • Oppure fatti incidere su fogli diffusori • Filtri appiattitori per avere distribuzione di fotoni uniformi • Camere a ionizzazione per controllo della dose e della posizione del fascio • Collimatori per definizione del campo di irraggiamento

20. Dispositivi di controllo • Camere a ionizzazione per il controllo della dose e del centraggio del fascio • Camera a quattro quadranti • Se il fascio e’ centrato Q1+Q2=Q3+Q4 e Q3+Q2=Q1+Q4 • Sistema di feedback per il servo-controllo del fascio • Due camere ad elettrodi circolari delle stesse dimensioni del fascio • Controllo delle unita’ monitor • L’operatore imposta la macchina per erogare una certa dose • Quando tale dose viene raggiunta la macchina si spegne

21. Bunker per radioterapia • Area da 5 x 5 a 8 x8 m2 • Altezza minima 3.5 m • Spessore pareti ~ 2m • Cemento d=2.35 g/cm3 • Per E>10 MeV schermatura extra per i neutroni

22. Radiazione Parassita • Breemstrahlung a 900 • Neutroni prodotti per fotoproduzione • 16O(g,n) 15O emissione di un neutrone e produzione dell’isotopo 15O emettitore b+ • Interazioni nel paziente e in aria • Sezione d’urto significativa sopra 12 MeV • Radioattivita’ indotta • In aria e nei metalli da reazioni fotonucleari • 13N, 15O T1/2 qualche minuto

23. Tipi di radiazione

24. Unita’ cobaltoterapia • Sorgenti di Co60 contenute in capsule sigillate • Irraggiatori con sistemi di controllo della sorgente • Sistemi di collimazione

25. Dose Percentuale in Profondita’ dm = profondita’ a cui si registra il massimo di dose

26. Vicino alla superficie • Fotoni di bassa energia rilasciano il massimo della dose all’epidermide • Fotoni > 1 MeV presentano un massimo a pochi mm dalla superficie dovuto al “build-up” degli elettroni • Per distanze > massimo range degli elettroni in tessuto la dose diminuisce a causa dell’attenuazione dei fotoni primari nel mezzo

27. In profondita’ • Oltre il massimo, l’andamento risulta esponenziale a causa della convoluzione dei seguenti effetti: • Attenuazione primari • Inverso dei quadrati di d • Indice di penetrazione • Profondita’ alla quale la dose cade al 50% del suo valore al massimo