Dr. Sanz - Fundación Marie Curie

Diseño de blindajes
para instalaciones con
IMRT
Córdoba, 12 de junio de 2013
Dr. Darío Esteban Sanz
Introducción
Descripción de una sala de tratamiento
Radioterapia de intensidad modulada (IMRT)
Eficiencia en la dispensa de la radiación
Dosis periférica: fotones y neutrones
Efectos de la radiación sobre los requerimientos de blindaje
adicional: fuga, radiación dispersa en los colimadores y filtro
modulador, fotoneutrones y radiación gamma de captura
Nuevos conceptos: soterramiento de paredes y
consideraciones sobre groundshine
Ejemplos sobre una sala de tratamientos típica y discusión
de los resultados
Conclusiones
Bibliografía de referencia
Sala de tratamiento
Los diseños estructurales de blindajes para
instalaciones de radioterapia con aceleradores lineales
requieren de barreras radiológicas
Las barreras radiológicas sirven para limitar la
exposición a miembros ocupacionalmente expuestos y
público a niveles aceptables
Barreras:
–
–
–
–
–
Primarias
Secundarias
Laberinto
Puertas
Puertas de acceso directo, sin laberinto
A partir de 10 MV: neutrones y γ de captura
Sala de tratamiento (cont)
Dependencias del diseño estructural:
– Sala (s) nueva, reforma o actualización de la memoria de
cálculo
– Usos futuros
– Materiales para blindaje y arquitectura
– Usos: tipo de tratamientos, irradiación de hemoderivados,
investigación, QA
– Marca y modelo de equipos
– Método de dispensa de haz
– Energías de trabajo y cargas correspondientes
– Distancias
– Factores de uso y ocupación
– Restricciones de dosis
Sala de tratamiento (cont)
120 cm Complemento de
hormigón
240
110
Puerta interna
310
120
900
380
350
100
110
200
Puerta externa
Componentes que modifica la IMRT
Radioterapia de intensidad modulada
Dispensa de fluencia energética variable en la sección
de los haces para lograr mejores distribuciones de
dosis o minimizar objetivos específicos
La fluencia variable se logra con:
Variación del tiempo (UM) de exposición de cada punto dentro
del haz (MLC, colimadores binarios de tomoterapia)
– Variación del tiempo (UM) de exposición de cada punto dentro
del volumen irradiado (IMAT)
– Interposición de un dado espesor de material (filtros
moduladores)
– Haces de barrido (no se abarcara en la presente exposición)
Eficiencia en la dispensa
En IMRT la eficiencia de la dispensa es menor que en
RT 3D en términos de la cantidad de UM
– Factor de IMRT, fIMRT= 2 - 10 (o más).
La eficiencia se define como la dosis en el punto de
máxima fluencia respecto de las UM del dado haz
Depende de la forma de dispensa y de la complejidad
del mapa de fluencia logrado
Para situaciones generales el MLC es menos eficiente
que el filtro modulador
Eficiencia con MLC
Técnicas dinámicas:
Ψ
Ψ
MLC
Espera
x0
Se mueve
x
Fluencia monótona
x0
x
Fluencia no monótona
La eficiencia disminuye con el tamaño de campo y la
complejidad del mapa de fluencia
Las técnicas estáticas (step & shoot, DAO) en general
son más eficientes
Eficiencia con filtros moduladores
Filtro modulador
Ψ
x0
x
Despreciando
la dispersión
en el cabezal y en el
fantoma, la eficiencia siempre es 1
En los casos de haces múltiples, la dosis en cada
punto del PTV resulta de una combinación de valores
variables (altos y bajos), lo que baja la eficiencia
Consecuecias de la menor eficiencia
La IMRT produce
– Mayor radiación de fuga: afecta barreras
secundarias, soterramiento y laberinto
– Mayor radiación dispersada en el MLC o filtros
moduladores: afecta dispersión de bajo ángulo
– Mayor generación de fotoneutrones y consiguiente
gammas de captura: afectan laberinto y elementos
de la sala
– Mayor dosis periférica en el paciente!
Dosis periférica debida a fotones
Valores experimentales de dosis periférica
– Técnica de sliding window, 6 MV, campo de 14×14 cm2,
DFS=100 cm, d=5 cm, en agua, con diferentes ventanas
– Filtro modulador de 70 mm de espesor máximo
– Para dispersión de 300
0
10
20
30
40
50
corresponde ∼1.5%
– Para distancias mayores
de 20 cm hay una proporción directa entre
dosis periférica y UM
Dosis periferia relativa (%)
10.0
1.0
0.1
Ventana 0,5 cm (UMx14)
Ventana 1,0 cm (UMx9)
Ventana 2,0 cm (UMx5)
Filtro m etalico (UMx2)
RT 3D
UM x 3.5 (extrapol)
0.01
Distancia al borde de campo (cm)
D S Sharma et al. 2006
60
Dosis por interacciones fotonucleares
La dosis periférica habitualmente no se documenta
Dosis por fotoneutrones y otras partículas de alto LET:
factores de calidad y fIMRT altos (x 15-100!!)
Para modos > 10 MV tb se producen en el paciente
protones y α, que para prof >10 cm y 18 MV
contribuyen más que los neutrones*
Las capturas predominantes son de H y N14
En superficie la dosis absorbida debida a neutrones es
4 órdenes de magnitud menor que la de fotones*
Considerando DER (dose equivalent ratio= Drel x Q x
fIMRT) se llega a valores cercanos a 1 cSv / Gy*
*O Chibani and CC Ma (2003)
Consideraciones especiales
Skyshine
Dispersión lateral
Radiación oblicua en barreras primarias
Groundshine
Soterramiento de paredes
Barrera
Fuente
Predio vecino
Suelo
Soterramiento de paredes, f >1/2
Reviste interés en situaciones de recintos aledaños
con uso subterráneo
Barrera
primaria o
secundaria
Se define
f=TVLbarrera/TVLsuelo
f =0.64 > 1/2
Concreto,
Fuente
ρ =2.35 g/cm
3
Situaciones
1 > f >1/2 y f ≤1/2
T
h=T/3
Soterramiento:
h/T es sólo
función de f !!
Suelo,
ρ =1.5 g/cm3
Predio
vecino
Soterramiento de paredes, f ≤1/2
Caso de barreras pesadas
f =0.083 < 1/2
Soterramiento relativo, h / T
3,0
Plomo,
2,5
ρ =11.35 g/cm3
2,0
Fuente
T
1,5
1,0
0,5
0,0
0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Atenuación relativa, f
Suelo,
1
Predio
vecino
ρ=1.5 g/cm3
h=9 T
Barreras con dientes, f ≤1/2
Los dientes ocupan menos
volumen
La excavación es más
sencilla
f =0.083 < 1/2
Plomo,
Fuente
ρ =11.35 g/cm
3
T
h=0.8 T
Suelo, ρ =1.5 g/cm3
Predio
vecino
TD=9.2 T
Groundshine
Llamativamente, para todo f se requiere la mitad de
soterramiento
Barrera primaria
o secundaria
f =0.083 < 1/2
Plomo,
ρ =11.35 g/cm
3
Predio
vecino
Fuente
T
h=0.4 T
Suelo, ρ=1.5 g/cm3
TD=9.2 T
Ejemplo de sala para RT3D
Datos básicos
– Sala única
– Carga de trabajo discriminada (6 y 15 MV)
– 50 pacientes diarios (25 y 25)
– Dosis por sesión de 2.5 Gy, 250 días al año
– Se añade 10% de la carga para dosimetría y QA
– Campo promedio de 200 cm2
– Se trabaja con una restricción de 0.2 mSv/año y 6.0
mSv/año para miembros del público y trabajadores
expuestos, respectivamente
– Hormigón de 2.35 TN/m3
Ejemplo de sala para IMRT
Datos básicos
– Sala única
– Carga de trabajo:
• 6 MV: 25 sesiones diarias de IMRT
• 15 MV: 10 IMRT, 15 RT3D
– Se añade 10% de la carga para dosimetría y QA
– Campo promedio de 200 cm2
– Factor IMRT: 3.5
Sala de tratamiento
120 cm Complemento de
hormigón
240
110
Puerta interna
310
120
900
380
350
100
110
200
Puerta externa
Componentes que modifica la IMRT
Resultados
Radiación de fugas y de bajo ángulo
– Cálculos con NCRP 151
– Fugas del cabezal
• (0.1% @ 1 m)
120 cm
30o
• U=1, T=1
– Dispersión en el paciente
• ~0.3% @ 1 m (30o, 400 cm2)
• U=0.25, T=1
350 cm
240 cm
Filtro modulador o
MLC
– Dispersión en colimadores (prim, sec, MLC)
• Filtro modulador
• ~1.5% @ 0.5 m (30o, 200 cm2)
– No se usa espesor oblicuo, aunque puede usarse para la
radiación dispersa (hasta 30o)
• P. J. Biggs and J. R. Styczynski (2006)
Resultados: Fugas y dispersión
RT 3D
mSv/año (porcentaje)
Modo
6 MV
15 MV
Radiación de fuga
0.042 (24) 0.110 (64)
Dispersión en el paciente 0.003 (2) 0.018 (10)
Total
0.174 (100)
IMRT
mSv/año (porcentaje)
Modo
6 MV
15 MV
Radiación de fuga
0.147 (37) 0.221 (56)
Dispersión en el paciente 0.003 (1) 0.018 (5)
Dispersión en MLC o filtro 0.008 (2)
S/D
Total
0.397 (100)
Prevalece la radiacion de
fuga
El aporte de la radiación
dispersa es un orden de
magnitud menor
IMRT requiere 10 cm
adicionales de hormigón
Resultados: Laberinto
120 cm
Contribuciones
240
110
310
120
900
380
350
100
110
200
Reflexiones de haz
primario, fugas y
dispersión en el
paciente
Fotoneutrones
Gamma de captura
El blindaje de la puerta
dependerá también de
las zonas aledañas
Puerta externa
Resultados: Laberinto
Dosis en mSv/año (porcentaje)
RT 3D
IMRT
– TVL neutrones: 4.5 cm PE (5% B)
Modo
6 MV
15 MV
6 MV
15 MV
– TVL
gamma captura: 60 mm Pb 0.02 (0)
Haz útil
reflejado
0.01 (0)
0.02 (0)
0.01 (0)
TVL primaria
fotones (U=0.5)
dispersos ∼6 mm Pb
en la –barrera
– TVD
fotoneutrones:
m
Radiación
de fuga
reflejada en ∼5
paredes
0.28 (3)
0.21 (2)
0.97 (6)
0.42 (2)
vistas–desde
puerta (U=1)
TVDlagamma
captura: 3.9 m (15 MV)
Radiación
dispersada
en elreduce
paciente
(U=0.5)
0.33gamma
(4)
0.26
(3) la dosis
0.33(2)
0.26 (2)
– Puerta
interna:
a 16%
la dosis
y a 8%
por neutrones
Transmisión de radiación de fuga (U=1)
0.00 (0)
0.01 (0)
0.01 (0)
0.02 (0)
Fotoneutrones
7.00 (80)
14.00 (81)
Gamma captura
0.58 (7)
1.17 (7)
Total
8.71 (100)
17.21 (100)
Conclusiones
La IMRT produce un incremento de UM que impacta
proporcionalmente en la radiación de fuga del cabezal,
radiación dispersa en los sistemas de colimación y modulación
de intensidad y en la generación de fotoneutrones
El aumento de la radiación dispersada en los sistemas de
colimación y modulación influye muy significativamente en la
dosis periférica, pero no en la barrera secundaria asociada
El incremento de UM aumenta la dosis en la puerta externa del
laberinto independientemente de la energía del haz
Se ha recomendado limitar a RT 3D el uso de potenciales de
aceleracion mayores de 10 MV. Más por consideraciones de
blindaje que por dosis periférica.
El diseño o modificación de una instalación debe contemplar la
tendencia creciente de la carga de trabajo en IMRT
Bibliografia
Structural Shielding Design and Evaluation for Megavoltage X and Gamma
Ray Radiotherapy Facilities. NCRP report 151. 2006
P H McGinley. Shielding Techniques for Radiation Oncology Facilities. Medical
Physics Publishing. Wisc. 1998
P J biggs and J R Styczynski. Do angles of obliquity apply to 30o scattered
radiation from megavoltage beams? Health Phys. 95(4). 425-32. 2008.
J E Rodgers. Radiation therapy vault shielding calculational methods when
IMRT and TBI procedures contribute. Journal of Applied Clinical Medical
Physics. 2(3) 157-164. 2001
R Lalonde. The effect of neutron-moderating materials in high-energy linear
accelerator mazes. Phys. Med. Biol. 42. 335-44. 1997.
A M Larcher y otros. Dosis ocupacional debida a neutrones en aceleradores
lineales de uso medico. Autoridad Regulatoria Nuclear. 2000
D S Sharma et al. Peripheral dose from uniform dynamic multileaf collimation
fields: implications for sliding window intensity-modulated Radiotherapy. BJR.
79. 331-5. 2006.
O Chibani and C C Ma. Photonuclear dose calculations for high-energy
photon beams from Siemens and Varian Linacs. Med. Phys. 30(8). 1990-2000.
2003.
Muchas gracias!