Diseño de blindajes para instalaciones con

IMRT

Dr. Darío Esteban Sanz

Córdoba, 12 de junio de 2013

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 240

110

100 110

120

310

380 350

Complemento de hormigón

Puerta externa

200

Puerta interna

900

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:

� 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

Fluencia monótona Fluencia no monótona

Ψ

x

Se mueve

x0

Espera

MLC

Ψ

x x0

Eficiencia con filtros moduladores

� 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

Ψ

x

Filtro modulador

x0

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

corresponde ∼1.5%– Para distancias mayores

de 20 cm hay una pro-porción directa entre dosis periférica y UM

D S Sharma et al. 2006

0.0

0.1

1.0

10.0

0 10 20 30 40 50 60

Distancia al borde de campo (cm)

Dos

is p

erife

ria r

elat

iva

(%)

Ventana 0,5 cm (UMx14)Ventana 1,0 cm (UMx9)Ventana 2,0 cm (UMx5)Filtro metalico (UMx2)

RT 3DUM x 3.5 (extrapol)

1

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

Fuente

SueloPredio vecino

Barrera

Soterramiento de paredes, f >>>>1/2

� Reviste interés en situaciones de recintos aledaños con uso subterráneo

� Se definef=TVLbarrera/TVLsuelo

� Situaciones1 > f >1/2 y f ≤1/2

� Soterramiento:h/T es sólo función de f !!

Suelo,

ρρρρ=1.5 g/cm3

Barrera primaria o secundaria

T

Predio vecino

Fuente

h=T/3

f =0.64 > 1/2Concreto,

ρρρρ=2.35 g/cm3

Soterramiento de paredes, f ≤≤≤≤1/2

� Caso de barreras pesadas

Soterramiento relativo, h / T

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Atenuación relativa, f

Suelo,

ρρρρ=1.5 g/cm3

T

Prediovecino

h=9 T

f =0.083 < 1/2

Plomo,

ρρρρ=11.35 g/cm3

Fuente

Barreras con dientes, f ≤≤≤≤1/2

� Los dientes ocupan menosvolumen

� La excavación es más sencilla

Suelo, ρρρρ=1.5 g/cm3

T

Prediovecino

Fuente

h=0.8 T

f =0.083 < 1/2Plomo,

ρρρρ=11.35 g/cm3

TD=9.2 T

Groundshine

� Llamativamente, para todo f se requiere la mitad de soterramiento

Suelo, ρρρρ=1.5 g/cm3

Barrera primaria o secundaria

T

Predio vecino

Fuente

h=0.4 T

f =0.083 < 1/2Plomo,

ρρρρ=11.35 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 240

110

100 110

120

310

380 350

Complemento de hormigón

Puerta externa

200

Puerta interna

900

Componentes que modifica la IMRT

Resultados

� Radiación de fugas y de bajo ángulo– Cálculos con NCRP 151– Fugas del cabezal

• (0.1% @ 1 m)• U=1, T=1

– Dispersión en el paciente• ~0.3% @ 1 m (30o, 400 cm2)• U=0.25, T=1

– 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)

240 cm

120 cm

30o

Filtro modulador o MLC

350 cm

Resultados: Fugas y dispersión

� RT 3D

� IMRT

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)

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 240

110

100 110

120

310

380 350

Puerta externa

200

900

Contribuciones

�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

Resultados: Laberinto

– TVL neutrones: 4.5 cm PE (5% B)– TVL gamma captura: 60 mm Pb– TVL fotones dispersos ∼6 mm Pb– TVD fotoneutrones: ∼5 m– TVD gamma captura: 3.9 m (15 MV)– Puerta interna: reduce a 16% la dosis gamma y a 8% la dosis por neutrones

Dosis en mSv/año (porcentaje) RT 3D IMRT Modo 6 MV 15 MV 6 MV 15 MV Haz útil reflejado en la barrera primaria (U=0.5)

0.02 (0) 0.01 (0) 0.02 (0) 0.01 (0)

Radiación de fuga reflejada en paredes vistas desde la puerta (U=1)

0.28 (3) 0.21 (2) 0.97 (6) 0.42 (2)

Radiación dispersada en el paciente (U=0.5) 0.33 (4) 0.26 (3) 0.33(2) 0.26 (2) 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!