Método y aparato de medida de la transferencia lineal de energía y de la energía de haces de hadrones e iones
SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al campo de la hadroterapia (radioterapia con haces de hadrones o iones) y
haces de hadrones o iones en aceleradores de partículas para tratamientos terapéuticos. En particular, se presenta un método y aparato para medir distribuciones en profundidad de la Transferencia Lineal de Energía, del inglés Linear Energy Transfer (LET) , de los haces usados de iones o hadrones, para determinar la efectividad radiobiológica relativa, del inglés Relative Biological Effectiveness (RBE) y la dosis biológica depositada en el tumor y/o órganos de riesgo.
ESTADO DE LA TÉCNICA
El uso de haces de hadrones o iones (protones o iones pesados) en radioterapia (hadroterapia) ofrece varias ventajas sobre los tradicionales haces de rayos X, gamma o electrones. Por una parte, la distribución de dosis en profundidad de hadrones o iones alcanza un máximo en el llamado pico de Bragg. La profundidad del pico de Bragg depende de la energía del haz incidente y del tipo de partícula (protón, ión He, ión C, etc) . El paradigma de 15 la radioterapia mediante iones o hadrones se basa en ajustar la energía del haz de modo que la posición que corresponde al pico de Bragg coincida con el tejido tumoral, éste se irradiará con una alta dosis mientras que la dosis de entrada (en los tejidos a través de los que el haz penetra en el cuerpo) será más baja que en haces de fotones/electrones de megavoltaje. Por otra parte, la alta densidad de ionización creada por los hadrones o iones a lo largo de su trayectoria, caracterizada por un LET elevado (i.e. superior a 10 keV/ !m) produce multitud de 20 dobles-roturas de la cadena de ADN, lo que causa un daño irreparable a la célula. Dicho efecto es especialmente importante en la vecindad del pico de Bragg, y provoca una mayor eficiencia radiobiológica relativa, del inglés Relative Biological Effectiveness (RBE) , respecto a la radiación de fotones (de 60Co o de megavoltaje) , lo que se manifiesta en un mayor efecto biológico para una misma dosis física depositada (siendo este aspecto especialmente importante en iones pesados tales como 12C) . La optimización de tratamientos hadroterápicos implica por tanto la optimización de dosis 'biológicas', que se obtienen a partir de la dosis física depositada, y de modelos radiobiológicos para calcular el RBE de la radiación usada. Dichos modelos usan información relativa al LET de la radiación incidente, estimado o medido en cada punto del volumen de interés. Tanto el LET como la RBE cambian con la profundidad de penetración de la radiación debido al cambio en el espectro energético del haz debido a su frenado en el medio.
El LET de un haz de hadrones o iones proporciona una medida de la energía transferida a un material cuando el haz lo atraviesa. Así, el LET permite cuantificar el efecto del haz de partículas ionizantes sobre el material que lo atraviesa. Por tanto, en hadroterapia es importante disponer de un conocimiento preciso del LET de la radiación utilizada, y de su variación en profundidad. Habitualmente se utilizan técnicas de simulación Monte Carlo para calcular estas distribuciones de LET y su variación en profundidad en agua [1, 2]. Sin embargo, dichos resultados Monte Carlo pueden depender de la elección de determinados parámetros libres en la simulación. La verificación experimental del LET de los haces usados en radioterapia supone por tanto un control de calidad importante dentro del proceso de verificación de tratamientos hadroterápicos.
Varios dispositivos/métodos han sido desarrollados para verificar distribuciones de dosis física en radioterapia [3, 4]. Estos dosímetros usados en radioterapia/hadroterapia son cámaras de ionización de aire, que miden la 40 dosis física depositada, pero no el LET/dosis biológica. Uno de los métodos usados desde los comienzos en la hadroterapia está basado en el análisis de la altura de pulso de una cámara de gas proporcional (tipo Rossi) con un gas de composición equivalente a tejido [5]. Existen métodos pasivos basados en dosímetros termoluminiscentes, del inglés ThermoLuminiscent Dosimeters (TLD) . En el método HTR desarrollado por el Atominstitute of the Austrian Universities [6] el LET promedio de la radiación incidente se obtiene midiendo la 45 curva de luminiscencia, del inglés glow curve, de TLDs expuestos a la radiación, que depende del LET. Se trata de un método pasivo ya que el TLD debe ser irradiado y posteriormente analizado para obtener una medida del LET, lo que dificulta su utilización para el control de calidad de haces radioterapeúticos. El estudio de la variación de LET en profundidad también presenta complicaciones debido al alto número de medidas a realizar. Existen dispositivos activos basados en detectores de estado sólido que pueden determinar el LET de partículas 50 incidentes [7]. Tales dispositivos son capaces de medir la deposición de energía de cada partícula incidente debido a la alta movilidad de la carga ionizada, que permite extraer la señal producida por una partícula antes de
la llegada de las sucesivas partículas. Sin embargo, si la fluencia de partículas incidentes es demasiado alta se producen efectos de apilamiento de señal que convierten estos dispositivos en inutilizables. Esta situación ocurre en los haces terapeúticos para sus intensidades nominales.
[1] Francis Z., Incerti S., Ivanchenko V., Champion C., Karamitros M., Bernal M. A. and El Bitar Z. 2012 “Monte Carlo simulation of energy-deposit clustering for ions of the same LET in liquid water” Phys. Med. Biol. 57 209– 224
[2] Grassberger C, Trofimov A, Lomax A and Paganetti H 2011 “Variations in linear energy transfer within clinical
proton therapy fields and the potential for biological treatment planning” Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 80 1559– 10 66
[3] US6799068. Method for verifying the calculated radiation dose of an ion beam therapy system.
[4] EP1974770. Device and method for online quality assurance in Hadron therapy.
[5] Coutrakon G. et al. 1997 “Microdosimetr y spectra of the Loma Linda proton beam and relative biological effectiveness comparisons”, Med. Phys. 24 1499-1506
[6] Measurement of the average LET and determination of the quality factor in mixed radiation fields using the HTR-method with LIF-TLDs – A critical discussion” W. Schöner and N. Vana, Proc. IRPA Regional Congress on Radiation Protection in Central Europe, Budapest, 1999
[7] Rosenfeld A. et al 2009 “RBE estimation of proton radiation fields using a LE-E telescope” Med. Phys. 36, 4486-4494
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La determinación del LET se ha realizado experimentalmente a través del análisis de la altura de pulso en cámaras proporcionales con gases equivalentes a tejido y en los últimos años usando dispositivos semiconductores.
En la presente invención se describe un método y aparado para medir distribuciones de LET y Energía de haces de hadrones o iones. El método y aparato objetos de la presenten invención están basados en cámaras de ionización, herramientas habitualmente usadas en la dosimetría de radioterapia. La invención se dirige a las técnicas de verificación dosimétrica de los haces de terapia de hadrones o iones. Mediante las medidas sucesivas, en puntos muy cercanos de un maniquí equivalente a agua, de tal forma que las características del
haz no difieran en estos dos puntos, es decir, la señal medida con dos cámaras de ionización que tienen medios materiales activos ionizantes distintos, como por ejemplo de la señal medida con una cámara de ionización de aire y de la señal medida por en una cámara de ionización líquida basada en un líquido orgánico no polar, se obtiene un cociente que está directamente relacionado con el LET de las partículas en el punto de medida. El aparato se trata es un dispositivo activo que mide distribuciones de LET en tiempo real, y no es sensible a los efectos de apilamiento en haces de alta fluencia como otros métodos de medida activa basados en detectores de contaje. Además, la medida se realiza en un medio equivalente a tejido tanto en composición atómica como en densidad lo que permite su uso para verificación del RBE del haz de iones.
Las cámaras de ionización usadas para la dosimetría de haces radioterápicos presentan efectos de recombinación que han sido ampliamente estudiados. Dichos efectos pueden dividirse principalmente en dos:
i) Recombinación inicial, que se produce inmediatamente después de la ionización de un átomo del medio. Ésta es debida a que el electrón ionizado al frenarse (termalizar) muy cerca del átomo/molécula ionizada (u otros átomos/moléculas ionizados cercanos) , se encuentra bajo la influencia de su campo eléctrico y su probabilidad de volver al ión madre o recombinarse con un ión adyacente es elevada.
ii) Recombinación volúmica, que se produce en un momento posterior, durante la deriva de los portadores de carga hacia sus respectivos electrodos, cuando dos portadores de signo opuesto se encuentran en el volumen de deriva del detector.
La recombinación inicial depende de diferentes factores. Por una parte, la composición atómica del medio de ionización usado y su densidad afectan a la distribución de ionización creada por la partícula incidente. En un medio de elevada densidad (e.g. materia condensada) el electrón durante el proceso de termalización recorre una distancia mucho menor que en un medio de baja densidad (e.g. gas) y por tanto está sometido a un campo de Coulomb mucho más intenso proveniente de el (los) ión (es) creado (s) durante las interacciones que dieron lugar a su ionización. Por otra parte, para las partículas cargadas que atraviesan el medio material su LET está relacionado con la densidad de ionización. En una partícula de alto LET la elevada densidad de pares electrón ión aumenta la probabilidad de su recombinación inicial. Este efecto de recombinación inicial es dependiente del LET del proyectil, y también del tipo de partícula proyectil. La recombinación volúmica, por su parte, depende principalmente de voltaje de operación de la cámara de ionización y de la tasa de dosis (o de la tasa de ionización por unidad de volumen) de la radiación incidente. No depende del LET de la radiación ionizante.
Por tanto, la respuesta de dos cámaras de ionización en las que los medios material activos ionizantes presentan distinta recombinación inicial será diferente para haces con idéntico LET. En particular, en cámaras de ionización gaseosas los efectos de recombinación inicial son pequeños incluso en irradiación con partículas de alto LET debido a su baja densidad másica, que resulta en distancias de termalización grandes y bajas densidades de ionización, mientras que en cámaras de ionización con medios densos, como por ejemplo las cámaras de ionización líquidas, tales efectos son muchos más importantes debido a su alta densidad que induce distancias de termalización pequeñas y altas densidades de ionización, causando una gran recombinación inicial de carga. Debido a este efecto, el cociente de las señales de dos cámaras de ionización con diferente recombinación inicial:
i) Muestra una dependencia con el LET y el tipo de partícula utilizada, y puede usarse para determinar el LET de un haz de hadrones o iones incidente. También podrá usarse, sabiendo el tipo de partículas que conforman el haz de radiación, para determinar la energía E de dicho haz.
ii) Además, dicho parámetro, al tratarse de un cociente es independiente de posibles variaciones en la dosis del haz si ambas medidas se realizan al mismo tiempo o en condiciones repetibles de irradiación (sistema acoplado de cámaras de ionización) .
Este cociente es una medida directa (si la recombinación volúmica es despreciable) de la recombinación inicial que se produce en las cámaras de ionización y que depende de la transferencia lineal de energía. Así, el LET se puede expresar como una función del cociente de las dosis medidas con las dos cámaras de ionización que comprenden distintos medios materiales activos ionizantes de acuerdo a la siguiente expresión:
SCI1
LET= F [J (1)
[J
SCI2
mientras que la energía del haz puede calcularse a partir de otra función del cociente de las dos medidas,
SCI1
E=G [J (2)
[J
SCI2
Donde SCI_1 y SCI_2 son las dosis medidas con las cámaras de ionización 1 y 2 que comprenden distintos medios materiales activos, ionizantes, F es una función de calibración previamente determinada para el tipo de partícula del haz de iones usando haces de calibración de LET conocido y/o complementando dichos valores con simulaciones Monte-Carlo, y G es una función de calibración previamente determinada para el tipo de partícula del haz de iones usando haces de energía conocida y /o complementando dichos valores con simulaciones Monte-Carlo.
La presente invención aprovecha este efecto, y se indica un método de medida del LET y Energía (E) de un haz de hadrones o iones basado en este efecto y un aparato que dispone de matrices de detección de ionización con medios materiales activos ionizantes distintos, muy próximos entre sí para monitorizar la misma zona del haz, y obtener el LET de la radiación en el punto de medida a partir del cociente de las señales medidas con estas dos matrices de detección, y obtener la energía del haz de hadrones o iones incidentes a partir del cociente de las señales medidas por las dos matrices de detección calculado mediante un sistema informático. Este método se ilustra en la Figura 1. El método de medida del LET y de la Energía E de un haz de hadrones (101) o iones para verificación de tratamientos que comprende (a) realizar una primera medida de la dosis del haz con una matriz de detección de ionización, SCI_1 (102) ; (b) realizar una segunda medida de la dosis del haz con una segunda matriz de detección de ionización, SCI_2 (103) ; (c) calcular el LET (104) y Energía (E) (105) del haz de hadrones/iones (104) realizando el cociente entre la dosis medida con la primera matriz y la dosis medida con la segunda matriz de acuerdo a las ecuaciones (1) y (2) . La primera y segunda matrices de detección de ionización empleadas para realizar la primera y segunda medidas comprenden medios materiales activos ionizantes de diferente densidad y/o composición atómica. Así, por ejemplo la primera matriz de detección de ionización comprende un medio material activo ionizante líquido, como por ejemplo isooctano, y la segunda cámara de ionización comprende un medio material activo ionizante gaseoso, como por ejemplo el aire. Las medidas en la primera y segunda matrices de detección de ionización se realizan de forma simultánea mediante el desplazamiento conjunto de las dos matrices de detección de ionización dispuestas consecutivamente.
El aparato de medida del LET y de la Energía de un haz de hadrones o iones (208) que comprende: (a) una primera matriz de detección de ionización que comprende uno o varios detectores deionización con un medio material activo ionizante A; (b) una segunda matriz de detectores de ionización que comprende uno o varios detectores de ionización con un medio material activo ionizante B; (c) una electrónica de lectura de las señales producidas por la primera y segunda matrices de detección de ionización mediante sendas tarjetas (201, 202 y 206, 207) de circuito impreso y los electrodos de alta tensión (204) que crean una diferencia de potencial necesaria para realizar la lectura de la primera y segunda matrices de detección de ionización; (d) un sistema informático (209) que ejecuta un programa de ordenador que recibe los datos proporcionado por las tarjetas de electrónica de lectura y calcula el LET y la Energía (E) del haz de iones como el cociente entre la dosis medida por la primera matriz de detección de ionización y la dosis medida por la segunda matriz de detección de ionización. Los medios materiales activos ionizantes de la primera y segunda matrices de detección comprenden medios materiales activos ionizantes de diferente densidad y/o composición atómica. La primera matriz de detección de ionización comprende un medio material activo ionizante A gaseoso o líquido. La segunda matriz de detección de ionización comprende un medio material activo ionizante B gaseoso o líquido. A modo de ejemplo, y sin introducir limitaciones, el medio material activo ionizante gaseoso es aire, y el medio material activo ionizante líquido es isooctano. La primera (201) y segunda (207) tarjetas de electrónica de lectura envían la información correspondiente a las señales proporcionadas por la primera y segunda matrices de detección de ionización, respectivamente, al sistema informático. El sistema informático (209) ejecuta el programa de ordenador que calcula el LET y la energía (E) en cada uno de los detectores de las matrices de detección calculando el cociente entre los datos de medida proporcionados por la primera matriz de detección de ionización y la segunda matriz de detección de ionización.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Las modalidades detalladas en las figuras se ilustran a modo de ejemplo y no a modo de limitación:
La Figura 1 muestra el método de medida del LET empleando dos matrices de detección de ionización con medios materiales activos ionizantes diferentes.
La Figura 2 muestra una realización particular del aparato de medida del LET.
La Figura 3 muestra una realización particular del uso del aparato de medida del LET en un volumen de agua.
La Figura 4 muestra una realización particular del uso del aparato de medida del LET para obtener una distribución del LET en función de la posición mediante dos matrices de detección de ionización situadas a lo largo de la dirección del haz.
La Figura 5 muestra una realización particular del uso del aparato de medida del LET para obtener una distribución del LET en función de la posición mediante dos matrices de detección de ionización situadas en un mismo plano perpendicular al haz incidente.
La Figura 6 muestra la relación del LET con las dosis medidas en las matrices de detección de ionización del 5 aparato de medida del LET.
La Figura 7 muestra la relación de la energía de un haz de protones con el cociente de las dosis medidas en las matrices de detección de ionización del aparato de medida del LET.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PARTICULARES
La presente invención se ilustra mediante los siguientes ejemplos, los cuales no pretenden ser limitativos de su 10 alcance.
EJEMPLO 1: Sistema acoplado de detectores de ionización, con dos planos de matrices de detección de ionización situadas transversalmente a la dirección de incidencia del haz, para medidas de mapas de LET en dos dimensiones de haces de hadroterapia y energía del haz de iones.
El presente ejemplo se ilustra en la Figura 2. El aparato de medida del LET comprende el uso de dos matrices 15 detección, que comprenden una pluralidad de detectores de radiación ionizante (208) .
El aparato comprende una primera matriz de detección de ionización; una segunda matriz de detección de ionización, una tarjeta de circuito impresa intermedia (204) y un sistema informático (209) .
La primera matriz de detección de ionización comprende una tarjeta de electrónica de lectura que lee la carga producida por la ionización de un medio material activo ionizante A que comprende una cara externa con elementos conductores segmentados en píxeles dispuestos en matriz bidimensional (202) ; un conjunto de pistas que conectan los píxeles con la primera tarjeta de electrónica de lectura (201) y un elemento espaciador que establece el espesor y el medio material activo ionizante A (203) .
La segunda matriz de detección de ionización comprende una tarjeta de electrónica de lectura que lee la carga producida por la ionización de un medio material activo ionizante B que comprende una cara externa con elementos conductores segmentados en píxeles dispuestos en matriz bidimensional (206) ; un conjunto de pistas que conectan los píxeles con la segunda tarjeta de electrónica de lectura (207) y un elemento espaciador que establece el espesor y el medio material activo ionizante B (205) .
La tarjeta de circuito impreso intermedia (204) , que comprende el (los) electrodo (s) de alta tensión, que crea una diferencia de potencial eléctrico necesaria para realizar la lectura de la primera y segunda matriz de detección de ionización a través de los componentes 201, 202, 206 y 207. Finalmente el sistema informático (209) conectado al detector recoge las señales proporcionadas por la electrónica de lectura y calcula el LET y la Energía del haz de iones.
Los medios materiales activos ionizantes de la primera y segunda matrices de detectores de ionización del aparato, A y B respectivamente, son medios materiales activos ionizantes que presentan distinta recombinación inicial, como pueden ser medios materiales activos ionizantes líquidos, como por ejemplo isooctano, o medios materiales activos ionizantes gaseosos, como por ejemplo el aire. Los medios materiales activos ionizante A y B tienen diferente densidad y/o composición atómica.
El espesor másico de medios materiales A y B dentro del volumen establecido por los espaciadores (203 y 205) de las matrices de detectores, así como el de la tarjeta de circuito impresa intermedia (204) son mínimos (del
orden de 0.3 g/cm2) a fin de que la distancia entre las los elementos sea mínima y no haya variaciones apreciables de LET y la Energía (u otras perturbaciones significativas) entre el haz que irradie las primera matriz de detección el haz que irradie la segunda matriz de detección. El haz de hadrones o iones (208) incide sobre el sistema de modo perpendicular al plano de las matrices de detección.
En la Figura 3 se muestra el modo de operación del aparato para la medida del LET, donde se puede ver la 45 conexión eléctrica asociada al dispositivo, constando de una primera cámara matriz de detección de ionización (301) con una electrónica de lectura que arroja un conjunto de señales eléctricas de lectura (302) . La primera matriz de detección de ionización (301) contiene un medio material activo ionizante A. La tarjeta de circuito impreso intermedia (303) consta de los electrodos de alta tensión comunes a ambas matrices de detección de ionización. La segunda matriz de detección de ionización (304) con su correspondiente electrónica de lectura proporciona un conjunto de señales eléctricas (305) para su lectura. La segunda matriz de detección de 5 ionización (304) contiene un medio material activo ionizante B. El conjunto se encuentra inmerso en un medio material de medida (306) irradiado por el haz de hadrones (307) . Dicho dispositivo, resistente al agua, se introduce en una cuba de agua para medir la variación del LET en profundidad. El posicionado del detector en dicha cuba es tal que el haz de radiación incide perpendicularmente a los planos de las cámaras de ionización. A cada profundidad, el cociente entre la medida de la primera matriz de detección de ionización y de la medida de la segunda matriz de detección de ionización permite obtener el LET y la Energía de la radiación en ese punto. Desplazando el aparato en la dirección paralela a la dirección de incidencia del haz de iones (307) se obtienen pares de cocientes de medidas en la primera y segunda matriz de detección de ionización, lo que proporciona un mapa de distribución del LET y de la Energía en profundidad.
La determinación de la energía del haz de iones se realiza a partir del cociente de medidas realizadas en la cuba de agua a una determinada profundidad, o bien a través del cociente de medidas realizadas con el dispositivo sin introducir en dicha cuba.
EJEMPLO 2: Sistema acoplado de cámaras de ionización aire para medida puntual del LET y energía de haces de hadroterapia.
En la Figura 4 se muestra un sistema de medida de la distribución del LET en el que el una realización particular
del aparato consta de dos matrices de detección que comprenden un detector de ionización unidos solidariamente en un soporte mecánico. En este ejemplo las matrices de detección de ionización se encuentran situadas a distintas profundidades dentro del medio de medida. Mediante la traslación de la primera matriz de detección (402) y de la segunda matriz de detección (403) en condiciones de medida con recombinación en volumen muy limitada, realizando el cociente de las señales en los puntos de medida de igual espesor másico (desde el punto de vista del haz) se obtiene el valor del LET.
Mediante el movimiento motorizado (404) del conjunto formado por dos matrices de detección de ionización con dos medios de materiales activos ionizantes que presenten diferente recombinación inicial (402) y (403) (e.g. aire e isooctano) se obtienen la medidas de la curva de señal en función de la profundidad (406) . Las medidas realizadas mediante desplazamiento dentro de un tanque de agua (401) permiten medir el LET y la Energía en los puntos en los que incide el haz de hadrones o iones (405) .
En la Figura 5 se muestra un sistema de medida análogo en el cual las matrices de detección de ionización (502, 503) están dispuestas en un plano situado perpendicularmente a la dirección de propagación del haz (505) . De este modo las medidas se realizan simultáneamente en puntos situados a la misma profundidad (espesor másico) (506) para ambos detectores. Este sistema es aplicable cuando las dimensiones del haz (505) y/o el
tamaño de las matrices de detección de ionización son tales que el LET en los puntos de medida de las cámaras de ionización es el mismo dentro de la incertidumbre asociada al dispositivo experimental. El conjunto de las matrices de detección de ionización se traslada mediante un sistema motorizado (504) dentro del medio de medida (501) .
Las curvas de la función F (z) indicada en la ecuación (1) se muestran en la Figura 6 para haces de protón, en la gráfica superior, y de carbono, en la gráfica inferior. Así pues, a partir del cálculo del cociente SISOOCTANE, dosis medida por la matriz de detección en la que el medio material activo ionizante es el ISOOCTANO, sobre SAIR, dosis medida por la matriz de detección en la que el medio material activo ionizante es el aire, se obtiene el valor del LET asociado al haz en el punto de medida. La calibración de este cociente se obtiene mediante la realización de medidas en un haz de referencia de LET conocido y se contrasta mediante el cálculo Monte Carlo 45 (i.e. Fluka) o bien mediante medidas que involucran otros detectores.
La curva de la función G (z) indicada en la ecuación (2) se muestra en la Figura 7 para un haz de protones. De esta gráfica, de la medida del cociente SISOOCTANE sobre SAIR, se obtiene la energía del haz.
