4- Fuentes de radioterapia externa - Telecable

Introducción a la física de la radioterapia 1/10
4- Fuentes de radioterapia externa
En radioterapia externa se han utilizado a lo largo de los años distintas fuentes de
radiación. Equipos de RX, unidades de Cs-137, unidades de Co-60, ciclotrones y
aceleradores lineales. Nos ocuparemos de los que se usan habitualmente en la
actualidad.
4.1- Rayos X de terapia
Los equipos de rayos X de terapia fueron los primeros aparatos utilizados en
radioterapia.
Se muestra en la figura el esquema fundamental de un aparato de rayos X de terapia.
220 V
selector
de kV
selector
de mA
~
transformador
alto voltaje
A partir de una tensión baja, y por medio de un transformador, se genera una alta
tensión que se aplica a un tubo de cristal donde existe vacío. Uno de los electrodos en el
tubo es en realidad un filamento que puede calentarse independientemente (cátodo), de
forma que genera electrones. Estos electrones son acelerados por el alto voltaje y se
hacen chocar contra un blanco de alto número atómico (normalmente wolframio) que se
encuentra en el otro electrodo (ánodo). La energía cinética de los electrones que se
frenan es cedida a fotones de rayos X (radiación de frenado). Aparece además radiación
característica del wolframio. Ésta es debida a los electrones de capas profundas que son
arrancados. Los huecos que dejan son llenados por electrones de otras capas, de forma
que se emite un fotón de exactamente la energía entre los dos niveles electrónicos
implicados.
Luego el espectro de los fotones es continuo, salvo la radiación característica, yendo
desde muy baja energía hasta la energía máxima, que se corresponde con el potencial de
aceleración. Así, si aplicamos un potencial de 100 kV, se producirán fotones desde 0
transformador
bajo voltaje
Pedro Sánchez Galiano. Unidad de radiofísica. Hospital Central de Asturias 4
tubo de RX
haz de RX

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hasta 100 keV. Para aumentar la ‘dureza’ de la radiación, es decir su capacidad de
penetración, es necesario retirar los fotones de baja energía. Esto se consigue filtrando
el haz con láminas de algún metal.
En el dibujo se muestra un esquema de un tubo de rayos X. Se aprecia que el ánodo es
de gran tamaño para que pueda evacuar el abundante calor que se genera (el 99% de la
energía de los electrones acelerados). Es necesario utilizar un circuito de refrigeración
(usualmente de aceite).
cátodo
vacío
Debido a su baja energía (hasta 400 kV) los rayos X así producidos tienen escaso poder
de penetración. Por lo tanto para irradiar un volumen profundo es necesario utilizar
muchos haces para evitar sobredosificar la piel. Otra consecuencia de la baja energía es
la imposibilidad de utilizar cámaras monitoras, con lo que la salida es inestable,
llegando al 15 – 20 % de fluctuación.
Con la invención de las unidades de Co-60 y posteriormente de los aceleradores lineales
de electrones su uso se vio muy reducido. Hoy día su utilización, de hacerse, queda
restringida a lesiones superficiales, pero estos tratamientos pueden realizarse en mejores
condiciones con haces de electrones.
4.2- Unidad de Co 60
ánodo
electrones
ánodo
rayos X
Con la construcción de reactores nucleares de alto flujo de neutrones fue posible la
fabricación de fuentes de isótopos artificiales de alta actividad y tamaño reducido. Se
utilizó durante algún tiempo el Cs-137 (cesio) pero el mejor resultado lo tuvieron las
unidades de Co-60.
El Co-60 se obtiene por bombardeo con neutrones a partir del Co-59. Su esquema de
decaimiento es el siguiente
Co-60 -> decaimiento β -> Ni-60 excitado -> decaimiento γ -> Ni-60 estable
Un átomo de Co-60 tiene una probabilidad conocida de sufrir un decaimiento β
consistente en la transformación de uno de los neutrones de su núcleo en un protón,
emitiendo en el proceso un electrón que es absorbido en la propia fuente, que lo lleva a
ser un átomo de Ni-60 excitado. La energía de excitación es cedida mediante un
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decaimiento γ consistente en la emisión de un fotón de 1,33 MeV y otro de 1,17 MeV
(de media dos fotones de 1,25 MeV) para llevar al átomo de níquel a un estado estable.
La vida media (tiempo que tarda la actividad en reducirse a la mitad) para el Co-60 tiene
un valor de 5,27 años. Lo que significa que para tener una calidad aceptable en los
tratamientos es necesario sustituirla cada cierto tiempo.
En las unidades de tratamiento se monta la fuente (1,5 cm de longitud) en el extremo de
un cilindro capaz de moverse en el interior de un cabezal blindado, de forma que se
tienen dos posibles estados, según la fuente esté en el interior del blindaje en la posición
de reposo (OFF) o alineada con los colimadores en la posición de irradiación (ON). En
el extremo opuesto del cilindro se sitúa una lámpara que sirve para simular el campo de
radiación. El movimiento del cilindro se consigue con un sistema hidráulico. En el
siguiente dibujo se muestra el cabezal de una unidad Theratron 80.
colimadores
indicador óptico
de distancia
posición OFF
El cabezal se monta sobre un brazo que es capaz de girar.
posición ON
luz de simulación del campo
varilla indicadora de la
posición de la fuente
El punto donde se cruzan el eje
de giro del brazo con el eje de
giro del colimador y con el eje
de giro de la mesa se denomina
isocentro. En las unidades de
Co-60 suele estar a 80 cm de la
fuente.
Se tiene así una unidad isocéntrica. Si
colocamos el isocentro dentro del volumen a
irradiar giremos hacia donde giremos
siempre estaremos apuntado al isocentro.
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La única complicación técnica que presentas estas unidades consiste en mover un peso
cercano a la tonelada con precisión milimétrica. Esto explica su éxito.
4.3- Acelerador lineal de electrones
A partir de 1940 se empezaron a construir distintos aceleradores de electrones (betatrón,
ciclotrón, microtrón, acelerador lineal). En 1962 Varian introduce el primer acelerador
lineal (AL) de uso clínico isocéntrico y completamente rotable. Hoy en día los
aceleradores lineales son capaces de generar haces de fotones y de electrones de varias
energías, con lo cual pueden cubrir todas las necesidades de radioterapia externa. Hay
que unir además una gran cantidad de accesorios, como colimadores asimétricos y
multiláminas, dispositivos de imagen portal, cuñas dinámicas, aplicadores para
radiocirugía, etc. Por todo esto son máquinas que requieren gran preparación y mucho
tiempo, tanto para la puesta en marcha como para el programa de garantía de calidad y
el mantenimiento.
En un AL los electrones se generan en un cátodo incandescente, son acelerados hasta un
cuarto de la velocidad de la luz en el cañón mediante la aplicación de un campo
eléctrico pulsado. Entonces se introducen en la guía de ondas que forma la estructura
aceleradora y en donde existe un campo electromagnético de alta frecuencia y alta
potencia. Se crean pequeños paquetes y se aceleran hasta el 99 % de la velocidad de la
luz. Estos electrones acelerados pueden utilizarse directamente o bien frenarlos
haciéndolos chocar contra un blanco de material pesado para que cedan su energía
cinética en forma de fotones de rayos X. Con este sistema pueden alcanzarse energías
muy altas. En la utilización clínica son del orden de la decena de MeV (∼ 100 veces
mayor que los equipos de rayos X y 10 veces mayor que los rayos γ del Co-60).
En la siguiente figura se muestran los componentes básicos de un acelerador lineal
ARMARIO
pulsos
potencia
consola de control
ESTATIVO BRAZO (GANTRY)
guía de
ondas
klystron
circu
lador
sistema
refrigeración
cañón de
electrones
El armario se encuentra normalmente dentro de la sala de tratamiento. En el se
encuentra una fuente de alto voltaje y un modulador de pulsos que a partir de la
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sistema
presión
guía del acelerador
AFC
vacío
cabezal
MESA DE TRATAMIENTO

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corriente alterna de la red general crean pulsos cuadrados de alto voltaje. Estos pulsos
alimentan el klystron (o el magnetrón) y el cañón de electrones.
circuito de
refrigeración
circuito de
refrigeración
haz de
electrones
cátodo
ventana de
salida
ánodo
calentador
El magnetrón (cuyo nombre proviene de unir magneto y electrón) es un oscilador que
produce microondas de alta potencia (3 MW). El magnetrón presenta las desventajas de
su menor potencia y duración pero a cambio es más económico y necesita un voltaje y
un aislamiento menor.
El cañón produce electrones y los acelera antes de introducirlos en la guía aceleradora.
calentador
cátodo
rejilla de control
focalizador
ánodo
El klystron (cuyo nombre proviene
del griego y significa oleaje de
electrones) es un amplificador de
potencia de alta frecuencia, es decir,
recibe a la entrada ondas
electromagnéticas de alta frecuencia
(microondas) y baja potencia (400
W) y da a la salida microondas de
alta potencia (7 MW).
En el cátodo se producen electrones por calentamiento (efecto termoiónico) que son
acelerados hacia el ánodo. Mediante la rejilla se consigue variar la corriente de una
manera rápida y precisa.
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Los electrones producidos en el cañón son acelerados en la guía de ondas principal por
las microondas producidas en el klystron.
cañón
cavidades cavidades
La guía aceleradora está dividida en cavidades de resonancia. El campo eléctrico oscila
(valor positivo -> cero -> valor negativo –> cero -> valor positivo ...) en cada cavidad
con la frecuencia de las microondas producidas por el klystron. Los electrones son
inyectados formando pequeños paquetes en fase, es decir, encuentran en cada cavidad el
campo ‘a favor’, de forma que van siendo acelerados a lo largo de la guía. Esto se
esquematiza en la siguiente figura.
Es necesario que exista un alto vacío en el interior de la guía, así que es necesario el
funcionamiento continuo de bombas de extracción físicas e iónicas.
Para conseguir rayos X de alta energía (mayor que 6 MV) son necesarias guías de uno o
dos metros de longitud, por lo que para construir una máquina isocéntrica es necesario
girar el haz 90º (o 270º) antes de enviarlo a la ventana de salida. Esto hace que el
cabezal aumente de tamaño, con lo que se aumenta la altura del isocentro desde el suelo.
trayectoria
de entrada
ventana de
microondas
M 1
M 2
M 3
órbita
central
rendija
bomba
iónica
ventana de
electrones
La figura muestra un dispositivo de
curvatura de electrones compuesto por
tres electroimanes. Los electrones con
más energía describen la órbita más
grande que los de menos energía. Se
utiliza una rendija para reducir el
espectro de energía de los electrones
(los que tengan mucha o poca energía
no pasarán por la rendija).
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En el cabezal se incluyen los sistemas de colimación, estabilización y monitorización
del haz.
blanco
electroimán de curvatura
órbita electrónica
colimador primario
filtro aplanador
lámina dispersora
cámara monitora
luz de campo
distancia
colimadores
En la siguiente figura se muestra el cabezal en el caso de un tratamiento con electrones.
lámina dispersora
carrusel
cámara monitora
montaje de
accesorios
haz de
electrones
paciente
isocentro
blanco de
rayos X
colimador
primario
filtro aplanador
colimador
secundario
aplicador de
electrones
La guía y el cabezal están blindados
con plomo para reducir la radiación
de fuga. A la salida de los electrones
del electroimán de curvatura se
encuentra el blanco retráctil para la
producción de rayos X. Más adelante
están la lámina dispersora y el filtro
aplanador montados sobre un
carrusel que permite situar una u otro
según se tenga un haz de electrones o
de fotones. A continuación se
encuentra la cámara de ionización
monitora que muestrea la salida
permitiendo estabilizar el haz. Por
último se encuentran los colimadores
y los dispositivos ópticos de
distancia y simulación de campo.
El blanco de wolframio se
retrae, de manera que los
electrones salen sin
impedimento de la guía. El
carrusel se coloca de forma
que la lámina dispersora
quede en el camino del haz.
Los colimadores secundarios
se colocan en una posición
fija que depende de la energía
y del aplicador elegidos.
En la siguiente figura se muestra el mismo cabezal en el caso de un tratamiento con
fotones de rayos X.
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haz no
aplanado
carrusel
cámara monitora
colimador
secundario
haz aplanado
haz de
electrones
paciente
blanco de
rayos X
colimador
primario
filtro aplanador
lámina dispersora
La cámara monitora muestrea a cada momento el haz y realimenta la salida para
aumentar la estabilidad. Es decir, si la señal aumenta por encima de un valor dado, esta
cámara lo detecta y hace que el acelerador disminuya la salida (disminuye la intensidad
de electrones que circulan por la guía). De la misma forma, si la salida disminuye por
debajo de otro valor determinado la cámara envía el mensaje de que se aumente la
salida.
C 3
C 1
C 2
haz
C 4
ranuras para
cuñas, moldes, etc
El blanco de wolframio se
coloca en el haz, de forma que
los electrones chocan con él
produciendo un haz de rayos X.
Dicho haz presenta un
pronunciado pico en la dirección
de los electrones incidentes.
Para transformarlo en un haz útil
se utiliza un filtro aplanador.
Los colimadores secundarios se
pueden mover a voluntad para
conformar el campo requerido.
La cámara monitora está formada por cuatro cámaras
de ionización planas agrupadas por parejas. De esta
forma se controla la salida total por duplicado
(sumando las señales C1 + C2 y C3 + C4), y la simetría
y homogeneidad del haz tanto en la dirección radial
como en la transversal del haz (considerando las
señales independientemente). Si tanto la salida total
como la simetría y homogeneidad no son las
correctas durante un tiempo determinado el
acelerador detiene su funcionamiento. Esta es otra
característica que pone de manifiesto la superioridad
de los aceleradores lineales, el aumento de la
seguridad proporcionado por la gran cantidad de
controles.
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En la siguiente figura se muestra una imagen completa de un acelerador lineal de
electrones de uso clínico.
blanco RX
rotación gantry
eje del haz
láser lateral láser lateral
eje del gantry
movimientos de la mesa
mesa de
tratamiento
mando
gantry
láser del techo
rotación colimador
indicadores digitales
estativo
isocentro
rotación mesa
En las siguientes figuras se muestran la planta y el alzado de una instalación completa
de un AL.
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Obsérvese que el anillo de protección (engrosamiento de la pared) cubre toda la anchura
del haz, y que el pasillo de entrada tiene forma de laberinto.
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