OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia
PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN
RADIOTERAPIA
Parte 2
Física de las Radiaciones
Conferencia 2: Dosimetría y Equipos
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International Atomic Energy Agency
Fundamentos
La dosis de radiación que se entrega al tejido
blanco y sus zonas adyacentes es uno de los
principales medios para predecir el resultado del
tratamiento de radioterapia (comparar con la parte
3 del curso). Generalmente se asume que la dosis
ha de ser administrada con precisión, en el rango
de +/-5% de la dosis prescrita, para garantizar se
cumplan los objetivos del tratamiento.
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
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Objetivos
 Comprender la importancia de las dosis y la
dosimetría de las radiaciones en radioterapia
 Poder explicar la diferencia entre dosimetría
absoluta y relativa
 Poder debatir sobre las características de los
dosímetros más empleados en radioterapia:
cámaras de ionización, semiconductores,
dosímetros termoluminiscentes (TLD) y
fílmico.
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
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Contenido de la Conferencia 2
1. Dosimetría absoluta y relativa
2. El ambiente dosimétrico:
maniquíes
3. Técnicas dosimétricas
• Fundamentos físicos
• Clases practicas
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1. Dosimetría absoluta y relativa
• Dosimetría absoluta es una técnica que registra la
información sobre la dosis absorbida directamente en
Gy. Esta medición dosimétrica absoluta también se
denomina calibración. Todas las mediciones ulteriores
se comparan entonces con esta dosis conocida en
condiciones de referencia. Esto significa …
• Realización de dosimetría relativa. En general en la
dosimetría relativa no se requiere el empleo de
coeficientes de conversión o de factores de corrección
puesto que consiste solo en la comparación de dos
lecturas de dosímetro, una de las cuales es la
efectuada en condiciones de referencia
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Dosimetría absoluta
• Se requiere para cada calidad de la radiación
una vez
• Determinación de dosis absorbida (en Gy) en
un punto de referencia en un maniquí
• Geometría bien definida (ejemplo para un
acelerador lineal: mediciones en agua, DFS a
100cm, dimensión de campo 1010cm2,
profundidad 10cm
• Seguimiento de protocolos (compare con
parte 10)
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Dosimetría absoluta
• Se requiere para cada calidad de la radiación
una vez
• Determinación de dosis absorbida (en Gy) en
un punto de referencia en un maniquí
• Geometría bien definida (ejemplo para un
acelerador lineal: mediciones en agua, FSD a
100cm, dimensión de campo 1010cm2,
profundidad 10cm
• Seguimiento de protocolos (compare con
parte 10)
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Pregunta rápida
Una dosis de 1Gy entrega una enorme
cantidad de energía al paciente – ¿es
cierto o falso?
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
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Respuesta
FALSO – 1Gy = 1J/kg. La entrega de esta
cantidad de energía elevaría la temperatura del
tejido en menos de 0.001oC. Inclusive para una
persona de 100kg representa mucho menos de
la energía incorporada de un tazón de
desayuno con leche, cereales, o nueces – por
favor, nótese que la cantidad de energía en los
alimentos por lo general se especifica en su
paquete.
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Dosimetría relativa
• Correlaciona la dosis bajo condiciones
de no-referencia con la dosis bajo
condiciones de referencia
• Por lo general se requieren al menos
dos mediciones:
– Una en condiciones en que la dosis se ha
de determinar
– Y otra en condiciones en que la dosis es
conocida
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Ejemplos de dosimetría relativa
• Caracterización del haz de radiación
– Porciento de dosis en profundidad, relación tejido
máximo o similares
– Perfiles
• Determinación de los factores que influyen en
el rendimiento
– Factores de campo, factores del aplicador
– Factores del filtro, factores de la cuña
– Factores específicos del paciente (ej.
bloqueadores de electrones)
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Medición del porciento de dosis en
profundidad
• Variación de la dosis en
el medio (generalmente
agua) con la
profundidad
• Incluye componentes
de atenuación y de la
ley del cuadrado
inverso
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Porciento de dosis en profundidad
Correlaciona la
dosis a diferentes
profundidades en
agua (o en el
paciente) con la
dosis a la
profundidad
del máximo de
dosis – nótese
que el eje ‘y’ es
¡relativo!!!
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TAR, TMR, TPR
• Dosimetría relativa para la geometría del
tratamiento isocéntrico (comparar con la parte 5)
• Todo se puede convertir a porciento de dosis en
profundidad
– TAR = cociente de la dosis en el maniquí, con x cm
de espesor de tejido, y de la dosis en el mismo
punto, pero en aire
– TMR = cociente de la dosis, con x cm de espesor de
tejido, y de la dosis correspondiente a su valor
máximo (posición fija del detector)
– TPR como TMR pero formando un cociente con la
dosis en un punto de referencia (ej. 10cm de
espesor de tejido)
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TMR, TPR
• Simula las
condiciones
isocentricas
• TMR es un caso
especial de TPR
donde la
profundidad en el
maniquí de
referencia es la
profundidad
correspondiente a la
dosis máxima
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PDD y TMR
El porciento de dosis en
profundidad (PDD) varía
con la distancia del paciente
a la fuente debido a
variaciones en la ley del
cuadrado inverso (ISL);
TAR, TMR y TPR no varían.
Fuerte
dependencia
ISL
Débil
dependencia ISL
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Factores del rendimiento
Comparar la dosis con la dosis en
condiciones de referencia
• Diferentes dimensiones de campo
• Factor de cuña
• Factor de bandeja
• Factor de aplicador
• Factor de bloqueador de electrones
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Ejemplo: factor de cuña
Dosis bajo
condiciones
de referencia
Puede también involucrar diferentes dimensiones de campo y/o
diferentes profundidades del detector en el maniquí
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Pregunta rápida
¿La medición del espesor de
semirreducción o capa
hemirreductora para la determinación
de la calidad de los rayos X es
dosimetría absoluta o relativa?
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Respuesta
Dosimetría relativa:
• Relacionamos la dosis con diferentes filtros de
cobre o aluminio en el haz con la dosis sin filtros
para determinar qué espesor de filtro atenúa el
haz a la mitad de su intensidad original
• El resultado es independiente de la dosis real
dada – podemos medir por 10s o 20s o 60s cada
vez, mientras garanticemos que la irradiación es
idéntica para todas las mediciones.
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2. El ambiente dosimétrico
Maniquíes
• Un maniquí representa las propiedades del
paciente ante la radiación y permite la
introducción de un detector de radiación dentro de
este ambiente, tarea que sería difícil en un
paciente real.
• Un ejemplo muy importante es el maniquí de agua
rastreador.
• De forma alternativa, el maniquí puede estar
hecho de láminas de material simulador del tejido
o incluso ser conformado como un cuerpo
humano (antropomorfo).
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Maniquí de agua rastreador
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Maniquíes de láminas
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Materiales tejido equivalentes
• Muchos materiales fabricados con ese propósito,
como el agua sólida (diapositiva anterior), el agua
blanca, el agua plástica, …
• Poliestireno (bueno para haces de megavoltaje,
no apropiado para fotones de baja energía)
• ‘Perspex’ (otras denominaciones: ‘PMMA’,
‘Plexiglas’) – composición tejido equivalente, pero
con mayor densidad física – se necesita aplicar
una corrección.
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Maniquí antropomorfo
Maniquí de cuerpo completo: ART
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Permite la colocación de detectores de radiación
en el maniquí (aquí se muestran los TLDs)
Incluye
heterogeneidades
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Maniquí RANDO
torso
Sección de pulmón para CT
Cabeza con
orificios para TLD
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Maniquí pediátrico
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Algunas observaciones respecto a los
maniquíes
• Es esencial que sean probados antes de
usarse
– Mediciones físicas - peso, dimensiones
– Mediciones de radiación – escaneado CT,
verificaciones de atenuación
• Se pueden emplear también alternativas más
baratas
– Cera para conformar maniquíes humanoides
– Corcho como equivalente del pulmón
• Son de utilidad mientras sean conocidas sus
propiedades y limitaciones
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3. Efectos y dosimetría de las radiaciones
Efecto de la radiación
Método dosimétrico:
Ionización en gases
Cámara de ionización
Ionización en líquidos
Cámara de ionización llena de líquido
Ionización en sólidos
Semiconductores
Luminiscencia
Dosimetría por termoluminiscencia
Fluorescencia
Detectores de centelleo
Transiciones químicas
• Placa radiográfica
• Dosimetría química
• Dosimetría NMR
Calor
Calorimetría
Efectos biológicos
• Eritema
• Daño cromosómico
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Principios de la detección de las
radiaciones
•
•
•
•
•
Cámara de ionización
Contador Geiger Muller
Dosimetría por termoluminiscencia
Fílmico
Semiconductores
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Detección de la ionización en aire
Cámara de Ionización
Adaptado de Collins 2001
IAEA
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Detección de la ionización en aire
IAEA
Adaptado de Metcalfe 1998
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Ionometría
Cámara de Ionización
• 200-400V
• Mide exposición, la
cual puede ser
convertida a dosis
• no muy sensible
Contador Geiger
• >700V
• Contabiliza todo
evento de ionización
• Contador de eventos,
no un dosímetro
• muy sensible
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Cámaras de Ionización
Cámara de 600cc
Cámaras de tipo dedal
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Sección transversal de una cámara
tipo Farmer (de Metcalfe 1996)
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Cámaras de ionización
• Cámara Farmer
de 0.6 cc con
electrómetro
• La cámara más
importante de la
dosimetría en
radioterapia
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Electrómetro
Desde la cámara
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Cámaras de ionización
• Volumen relativamente grande para una
señal pequeña (1Gy produce
aproximadamente 36nC en 1cc de aire)
• Para mejorar la resolución espacial al
menos en una dimensión, se emplean
cámaras del tipo de plano-paralelas.
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Cámaras plano-paralelas
De Metcalfe et al 1996
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Cámaras de ionización plano-paralelas
• Se emplean para
– Rayos X de baja energía (< 60 KV)
– Electrones de cualquier energía pero considerado
el método preferido para energías < 10 MeV, y
esencial para energías < 5 MeV
• Existen muchos tipos disponibles de
diferentes materiales y dimensiones
• Por lo general se vende en correspondencia
con un maniquí de láminas apropiado
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Cámaras de Ionización planoparalelas - ejemplos
Cámara Markus
• Pequeña
• Diseñada para
electrones
Cámara Holt
• Robusta
• Embebida en una
lámina de poliestireno
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Cámara de ionización tipo pozo
Para la calibración de
fuentes de braquiterapia
Fuente de
braquiterapia
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Medidores de tasa de dosis de tipo cámara
de ionización
• No tan sensibles como los equipos G-M pero no resultan
afectados por los haces pulsantes tal como ocurre con los
aceleradores.
• Debido a lo anterior, este
es el tipo de equipo preferido
en los aceleradores de alta
energía de radioterapia
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Contador Geiger-Mueller
• No es un dosímetro – solo
un contador de eventos de
irradiación
• Muy sensible
• Ligero y conveniente para
su uso
• Apropiado para
miniaturización
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
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Equipos Geiger-Mueller (G-M)
• Útil para
– Monitoreo de área
– Monitoreo de local
– Monitoreo del
personal
• Se requiere cuidado en zonas de alta
tasa de dosis o haces pulsantes puesto
que la lectura puede ser imprecisa
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Dosimetría por termoluminiscencia
(TLD)
•
•
•
•
Pequeños cristales
Muchos materiales diferentes
Dosímetro pasivo – no requiere cables
Amplio rango dosimétrico (Gy a 100s
de Gy)
• Muchas aplicaciones diferentes
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Varios tipos de TLD
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Esquema simplificado del proceso del
TLD
1
2
Banda de Conducción
radiación ionizante
luz visible
trampa de
electrones
Banda de Valencia
CALENTAMIENTO
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Curvas de termoluminiscencia
Banda de Conducción
1
dE
3
dE
2
Banda de Valencia
s ig n a l in te n s ity (a rb itra ry u n its )
dE
1.5
IV and V
1.0
III
0.5
II
I
VI
0.0
TRAMPAS MÚLTIPLES
0
50
100
150
200
250
te m p e ra tu re ( o C )
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50
Curvas termoluminiscencia
• Posibilitan la investigación
• Constituyen poderosas herramientas de garantía
de calidad - ¿Se ven bien las curvas
termoluminiscencia?
• Se pueden utilizar en evaluaciones ulteriores
• Posibilitan mejorar la precisión mediante la
deconvolución de la curva termoluminiscencia
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La influencia de diferentes aditivos
(dopants)
Banda de Conducción
Luz
Banda de Valencia
Impurezas Tipo 1
Impurezas Tipo 2
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52
Importancia del tratamiento térmico
• Determina el arreglo de las impurezas
– Sensibilidad
• ...
– Desvanecimiento (fading)
– Respuesta a diferentes características de la
radiación
• Mantener estable el tratamiento térmico
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53
4
10 4
amplio rango
dosimétrico
atención con la
supralinealidad
a p p a re n t d o s e (G y )
Respuesta a la
dosis de
LiF:Mg,Ti:
3
10 2
10 1
2
10 0
10 -1
1
10 -2
10 -3
0
10 -4
10 -4
re la tiv e re s p o n s e n o rm a lis e d to 1 G y
about 5% supralinearity
at 3G y
10 3
10 -3
10 -2
10 -1
10 0
10 1
10 2
10 3
d o se (G y)
IAEA
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54
Variación de la respuesta del TLD
según la calidad de la radiación
re la tive T L re a d in g
2.0
LiF com pressed disk s
LiF ribbons from R uden 76
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
10
100
1000
10000
effective X -ray energ y (k eV )
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55
Materiales: ¡qué selección!…
•
•
•
•
•
•
LiF:Mg,Ti (nivel de excelencia, máximo)
CaF2 (100% natural, o con Mn, Dy or Tm)
CaSO4
BeO
Al2O3 :C (sensibilidad record  1μGy)
LiF:Mg,Cu,P (¿la nueva estrella?)
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Lector de dosímetros TL
• Basado en fotomultiplicador
• Provisto de plancheta y calentador de
N2
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57
¿Qué se puede esperar?...
• Reproducibilidad: una sola pastilla  2%
(0.1Gy, 1SD)
• Precisión (estándar de 4 pastilla ,
medición de 2 pastilla)  3% (0.1Gy,
95% confianza)
• Alrededor de 30 minutos por medición...
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58
Placa radiográfica
• Reducción de haluro de plata a plata
• Requiere procesamiento/revelado --->
problemas con la reproducibilidad
• Dosímetro de dos dimensiones
• Alta resolución espacial
• Alto número atómico ---> variación de la
respuesta con la calidad de la radiación.
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Placa radiográfica
Por lo general
preembaladas para
facilitar su uso
Sección transversal
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60
Placa: respuesta a dosis
• Evaluación de la
placa vía densidad
óptica
• OD = log (I0 / I)
• Los densitómetros
están disponibles en
el mercado
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61
Dosimetría de placa radiográfica en la
práctica
• Depende de una
excelente GC del
procesador
• Generalmente empleada
para demostración de
distribuciones de dosis
• Problemas con la
precisión y variaciones en
la respuesta según la
energía de los rayos X
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62
Película radiocrómica
•
•
•
•
Nuevo revelado
Sin procesamiento
No (muy) sensible a la luz
Mejor tejidoequivalencia
• Cara
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Dispositivos semiconductores
• Diodos
• Detectores MOSFET
Diodos para mediciones en maniquí de agua
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64
Diodos
Mayormente usados
como una fotocelda
que genera un voltaje
proporcional a la dosis
recibida.
De Metcalfe y colaboradores 1996
IAEA
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65
Semiconductor de óxido metálico transistor
de efecto de campo
MOSFETs = volumen
sensible extremadamente
pequeño
From Metcalfe et al. 1996
IAEA
Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
66
1. Irradiación
2. Carga
portadores atrapados
en el substrato de Si
3. Se altera la
corriente entre
la fuente y el drenaje
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
67
Voltaje de compuerta
durante la irradiación:
determina la sensibilidad
Lectura después de
la irradiación:
se requiere voltaje de
compuerta para
mantener corriente constante
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
68
Diodos y otros dispositivos de estado
sólido
• Desventajas
• Ventajas
– Lectura directa
– Sensibles
– Pequeñas dimensiones
– Posible
impermeabilidad al
agua
– Sensibles a la
temperatura
– Sensibilidad puede
cambiar --> necesaria
re-calibración
– Necesario observar
procedimientos
sistemáticos de QA
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
69
Resumen de la conferencia 2
Cámaras de
ionización
Semi-conductores
TLDs
Placas
Ventajas
Se comprenden bien,
precisas, disponibles
en variedad de formas
Pequeños,
robustos
Pequeños, no
necesitan cables
De dos dimensiones,
facilidad de uso
Desventajas
Grandes, requieren
alto voltaje
Dependencia de la
temperatura
Lectura diferida,
manipulación
compleja
No tejido
equivalente, no muy
reproducible
Empleo más
generalizado
Dosimetría de
referencia, escaneo
del haz
Escaneo con haz,
dosimetría in vivo
Verificación de
dosis, dosimetría in
vivo
Garantía de calidad,
determinación de las
distribuciones de
dosis
La técnica dosimétrica
más generalizada e
importante
Los recientes
desarrollos
(MOSFETs)
pueden aumentar
utilidad
También
empleados para
intercomparaciones
dosimétricas
(auditorias)
Los recientes
desarrollos (placa
radiocroma) pueden
aumentar utilidad
Comentarios
IAEA
Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
70
Resumen general: Física
• En radioterapia, los fotones (rayos X y rayos gamma) y
electrones constituyen los tipos de radiación más
importantes
• La precisión en la dosis administrada es esencial para
una buena practica en radioterapia
• La dosimetría absoluta determina la dosis absorbida en
Gray en un punto de referencia bien definido. La
dosimetría relativa correlaciona entonces la dosis en
todos los demás puntos o la dosis bajo diferentes
condiciones de irradiación con esta medición absoluta.
• Se dispone de múltiples técnicas para la dosimetría –
ninguna es perfecta y se requiere entrenamiento y
experiencia para seleccionar la técnica más apropiada
para un propósito en específico y para la interpretación
de los resultados
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
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Dónde obtener más información
• Físicos médicos
• Libros de texto:
 Khan F. The physics of radiation therapy. 1994.
 Metcalfe P.; Kron T.; Hoban P. The physics of radiotherapy Xrays from linear accelerators. 1997.
 Cember H. Introduction to health physics. 1983
 Williams J; Thwaites D. Radiotherapy Physics. 1993.
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
72
¿Preguntas?
IAEA
Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
73
Pregunta
¿Que tipo de detectores de radiación
pueden resultar útiles para la
dosimetría in vivo, y por qué?
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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
74
Respuesta
En radioterapia la dosis que se administra al paciente es generalmente
demasiado grande para emplear placas radiográficas, las cuales
además son sensibles a la luz. Las cámaras de ionización son por lo
general frágiles y requieren alto voltaje, ambos aspectos no deseables
cuando se trabaja con pacientes. Por tanto, los TLDs son
frecuentemente empleados para dosimetría in vivo. Son pequeños, no
necesitan cables para la medición; y se dispone de materiales que son
virtualmente tejido equivalentes. Los TLDs se pueden complementar
con diodos en caso de requerirse una lectura inmediata (= dosimetría
activa). Al igual que los TLDs, los diodos son dosímetros de estado
sólido y por tanto sensibles y pequeños. Los restantes dosímetros de
interés en este grupo serían los MOSFETs.
Un tipo diferente de dosímetros in vivo lo constituyen los detectores de
dosis a la salida en forma de imagen portal electrónica (comparar con
parte 5). Estos demuestran ser muy valiosos para verificación directa.
IAEA
Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos
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Parte 2 - Radiation Protection of Patients