BRACHITERAPIA: protocolli per la calibrazione delle sorgenti e per il calcolo delle dosi delle...
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BRACHITERAPIA:BRACHITERAPIA:
protocolli per la calibrazioneprotocolli per la calibrazione delle sorgenti e per il calcolo delle dosidelle sorgenti e per il calcolo delle dosi
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Brachiterapia [βραχùς (breve) + ζεραπεία] = trattamento del cancro a breve distanza mediante radiazione emessa da piccole sorgenti sigillate
Normalmente la fluenza di radiazione da unasorgente brachitarapica consiste di fotoni:raggi γ, raggi X caratteristici (anche a seguitodi cattura elettronica e conversione interna,bremsstrahlung.
L’energia media dei fotoni emessipuò essere bassa fino a 20 keV. Invece nella radioterapia dei tumoriprofondi con fasci esterni sono necessarie energie di parecchi MeV.
La brachiterapia consente una migliore ottimizzazione del trattamento permettendouna cessione di alte dosi al tumore e di dosiminime ai tessuti circostanti.
La sorgente viene collocata direttamentenel volume del tumore (b. interstiziale) oall’interno di cavità, vicino al volume datrattare (b. endocavitaria).
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Nei trattamenti brachiterapici di molti tumori viene comunementeutilizzato l’iridio-192.
include le radiazioni gamma,i raggi X caratteristici e laradiazione x di frenamento dienergia maggiore di δ=20 keV
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Le sorgenti brachiterapiche possono presentarsicome sorgenti a seme (aventi simmetria cilindricadi lunghezza 0.5 cm e diametro ≤ 0.1 cm) o conmodelli lineari (spesso costitiuti da treni di sorgentia seme tenute insieme da un materiale dissolubiletessuto equivalente).
Esempio di impiantointerstiziale di sorgentia seme:
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Richiami di fisica delle radiazioni
m
air
trm KK
È legato al kerma in
aria K dalla relazione:
energia trasferita per unità di massa alle particellecariche e da queste dissipata sia per collisione siaper perdite radiative
Secondo le raccomandazioni dell’AIFB e di altri autorevoliorganismi nazionali ed internazionali le sorgenti brahiterapichedevono essere caratterizzate mediante la grandezza fisicaKerma (Kinetic Energy Rileased per unit MAss) in aria.
kerma nel mezzo m dovutaa fotoni monoenergetici dienergia E e fluenza (E):
coefficiente diassorbimento d’energia massico
m
trm EEK
frazione d’energia deisecondari carichi (liberati)persa in processi radiativi
coefficiente ditrasferimento d’energia massico
gen
1
[Km]= Gy
In condizioni di equilibrio elettronicotransiente dal kerma si ricava la doseassorbita nel mezzo:
m
air
trmm KgKgD
11
costante di proporzionalità trakerma per collisone e dose
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Caratterizzazione delle sorgenti brachiterapiche
1 sGyK r rK, ma nella pratica
μG·h-1 per sorgenti a basso rate
μG·s-1 ÷ mGy·min-1 per sorgenti ad alto rate
OSS:
ma Sk e sono numericamente identici
rK KmsGyS 21
rK
In realtà l’American Association of Physicistsin Medicine raccomanda di caratterizzare lesorgenti in termini di air-kerma strenght:
22rrK dKddKS
Rateo di kerma in aria misuratonel vuoto alla distanza d generica(ma sempre tale da preservare lacondizione di sorgente puntiforme):
2
d
dKdK rr
In pratica viene misurato in aria e corretto perl’attenuazione e diffusione della radiazione da partedell’aria. La distanza dr si misura dal centro della
sorgente lungo il suo asse trasverso bisettore.
rK
Più precisamente si è convenuto distabilirla in termini di rateo dikerma in aria di riferimento rK = rateo di kerma in aria misurato nel
vuoto alla distanza di riferimento dr=1 mdalla sorgente assunta puntiforme
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Determinazione diretta di rK
Viene effettuata utilizzandoun dosimetro di riferimento.
È costituito da un elettrometro,un alimentatore ed una camera aionizzazione sferica o cilindrica(con elettrodo di raccolta ageometria cilindrica).
Presso il Centro Primario devono esserestati determinati i valori NK assunti dalfattore di taratura per un’opportunascelta di radiazioni X filtrate e gamma.
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È allora possibile ricavare il fattore di
taratura per lo spettro energetico
della sorgente da caratterizzare in tre
diversi modi:
sorgKN
1) mediante interpolazione dai due valori di NK
ottenuti per i due fasci di radiazione le cuienergie medie comprendono l’energia mediadello spettro d’interesse;
2) determinando il best-fit ditutti i valori misurati di NK
Energie medie (in keV) dei fasci utilizzatiper la taratura di una sorgete di 192Ir:82.7 (S4), 116.6 (S6), 202.5 (S8),662 (137Cs), 1250 (60Co)
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3) Dalla relazione:
i i
i KisorgK K
NKN i
11
fattore di taratura relativo aifotoni di energia Ei (ricavatodalla curva di dipendenza di NK
dall’energia)
Kerma in aria dovutoalla fluenza (Ei) difotoni di energia Ei
emessi dalla sorgenteda caratterizzare
air
trii EE
t
NdMK
sorgKrp
r
segnale alla distanza dr corretto per l’attenuazionee diffusione da parte dell’aria, per la diffusione dalle strutture della stanza d’irraggiamento e perle dimensioni non infinitesime della camera aionizzazione (segnale dovuto ai soli fotoni primari)
durata della misurazionedel segnale
Per l’analogo segnale Mp(d) alla distanzagenerica d (anche < dr) ma sempre taleda preservare la condizione di sorgentepuntiforme:
2
d
ddMdM rrpp
10
ES: volume delle camere utilizzate inradioterapia di fasci collimati < 1 cm3 occorre scegliere d=(10÷20) cm
OSS: la determinazione diretta di può essereeseguita in dr ma anche, qualora si utilizzino camere
a ionizzazione di volume ridotto o si debbanocaratterizzare sorgenti a basso rateo di kerma,a distanze d < dr purché tali da preservare la
condizione di sorgente puntiforme.
rK
dPdPdMdMdM geomsp
correzione per l’attenuazione dei fotoni da parte dell’aria tra sorgente e rivelatore = exp(air·d)
correzione per la dimensione non infinitesima delrivelatore.Per camere a geometria sferica o cilindrica e peruna distribuzione angolare in generale anisotropa(con grado di anisotropia ω) degli elettroni messiin moto nelle pareti della camera
)d(Pk1
)d(P0geom
0geom
contributo dovuto ai fotonidiffusi dall’aria e dalle strutturedella stanza di irraggiamento deve essere determinato
sperimentalmente
fattore di distanza a/d
raggio internodella camera
11
per camere sferiche: k=0, )1ln()1ln(
2)(0
dPgeom
per camere cilindriche:
)(1 0 dPgeom per camere irraggiate in direzione normale al proprio asse longitudinale
semilunghezzavolume sensibile
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Misurazioni eseguite alla distanza di riferimento dr
rrnrfrs dMdMdMdM
segnale costante ottenutoall’aumentare dello spessoredei filtri a trono di cono
segnale ottenuto senzafiltro ma in presenza del supporto segnale ottenuto senza
filtro né supporto
contributo dei fotonidiffusi dal supporto
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Misurazioni eseguite a distanze <dr
22iiigeomsirrp ddPdPMdMddM
Si sfrutta l’uguaglianza: 22rrpiip ddMddM cost
Dalle n misure si ricavano
la costante
e (n-1) valori di Ms.
Sostituendo la media
di questi valori nelle n equazioni
si ricavano n valori di Mp(dr)
la cui media fornisce
la migliore stima di
2rrp ddM cost
sM
rp dM
rK
Si ripetono n misurazioni a distanzedi sufficientemente vicine in modotale da poter considerare costanteil contributo della diffusione Ms(di) = Ms
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Determinazione indiretta di rK
Purché si adotti la stessa configurazione sperimentale utilizzata per la sua taratura,il dosimetro di uso corrente può essereimpiegato per determinare il relativoad ogni nuova sorgente dello stessoradionuclide ed uguale geometria di quellautilizzata per ricavare
sorgKrN
rK
È indicata, per esempio, percaratterizzare sorgenti abreve emivita (OSS: ogni nuova sorgente
deve essere caratterizzata
prima dell’uso clinico)
Consiste in una procedura semplificata cheutilizza un dosimetro di uso corrente.
È costituito da un elettrometro,un alimentatore ed una camera aionizzazione a pozzetto oppure di geometria sferica o cilindrica(anche la stessa associata aldosimetro di riferimento).
Una volta determinato il con undosimetro di riferimento, essa viene utilizza per ricavare il fattore di taratura del dosimetro di uso corrente
tM
KN rsorgKr
rK
Si inverte la per ricavare a partire da
sorgK r
NrK
15
CEN
TR
O
PR
IMA
RIO
Uso clinicodella sorgenteDeterminazione diretta di
t
NdMK
sorgKrp
r
Taratura del dosimetro di uso corrente:tM
KN rsorg
K r
sorg
rKr Nt
MK
Determinazione indiretta di
Uso clinicodella sorgenteC
EN
TR
O D
I R
AD
IOTER
AP
IAsorgKNTaratura del dosimetro di riferimento:
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I sistemi tradizionali per i piani di trattamento sonobasati sull’approssimazione di sorgente puntiforme.
S(d) relativa all’acqua per l’iridio-192
Calcolo del rateo di dose in un mezzo omogeneo
Dose assorbita in una piccola massa di tessuto m alla distanza d dalla sorgente qualora tra sorgente e punto di assorbimento ci fosse il vuoto:
m
air
trrrm d
dKgdD
2
1
è generalmente rappresentato da unpolinomio del 3zo o 4to ordine in d.
Se invece la sorgente è“immersa” nel tessuto:
m
air
trrrm d
ddSKgdD
2
1
Fattore diattenuazionedel tessuto
vuotonelmisuratatessutoneldose
tessutonelmisuratatessutoneldose
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Protocollo dell’AAPM Task Group 43
sono grandezze relative ricavate per ogni specificasorgente d’interesse dalla valutazione sperimentaleo numerica (mediante simulazioni Monte Carlo) delladistribuzione di dose prodotta in un fantocciotessuto equivalente.
La distribuzione bidimensionaledi dose viene descritta in unsistema di coordinate polari:
)(,,
,,,
0000 dgdF
dG
dGdDKdD
rKr
Ha implementato i sistemi commercialiper i piani di trattamento con l’introduzionedell’approssimazione di sorgente lineare.
angolo rispettoall’asse longitudinaledella sorgente(θ0 π/2)
distanza dal centrodella sorgente(d01 cm)
Pto di riferimento posto a1 cm dal centro della sorgentesull’asse trasverso bisettore
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La funzione di geometria G(d,θ)descrive la distribuzione dellafluenza di fotoni nel vuoto attornoalla parte attiva della sorgente
sin
1 2
Ld
d
nell’approssimazione di sorgente puntiforme
“ “ lineare di lunghezza L
r
K K
dDdD
r
0000
,,
Costante di dose
dà il rateo di dose in P(d0, θ0)
per una sorgente con unitario
rK
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descrive la variazione di lungo l’assetrasverso bisettore della sorgente dovuta all’attenuazione e diffusione dei fotoni nel materiale costituente la sorgente, nella capsula sigillante e nel tessuto (g(d0)=1).
D
Funzione radiale
000
000
000
000
,,
,,
,,
,,)(
dDKdG
dGdD
dDdG
dGdDdg
rKr
0dS
dSdg OSS:
20
Entro le brevi distanze di interesse per iltrattamento, l’attenuazione nel tessuto ècompensata dal buidup di dose per energiadei fotoni >300 keV, è invece rilevante perenergia dei fotoni ≤ 30 keV.
La dose prodotta dalle sorgentibrachiterapiche con le emissioni piùenergetiche decresce col quadratodella distanza dalla sorgente.
21
Funzione di anisotropia 0
0
,,
,,,
dDdG
dGdDdF
descrive la variazione di rispetto al pianotrasverso bisettore dovuta all’attenuazionee diffusione dei fotoni nel materialecostituente la sorgente, nella capsulasigillante e nel tessuto (F(d, θ0)=1).
D
22
OSS: perché sia possibile un calcolo accurato
di (attualmente viene richiesta un’incertezza ≤ 3%) è indispensabile la determinazione accurata di .
D
rK
Costante gamma (costante del rate dikerma): sebbene sia una grandezza fisicaben definita, non ha un effettivo ruolo nella dosimetria delle sorgenti calibrate.
L’utente può scegliere peressa un valore diverso daquello scelto dal venditore.
Il suo uso può dar luogo ad unsignificativo errore dosimetrico.
In passato le sorgenti brachiterapichevenivano caratterizzate spesso intermini di Attività apparente K
rapp
KA
attività di una sorgente puntiformee non schermata che dà luogo ad un valore di uguale a quello della sorgente effettiva [Aapp] =Bq.
rK