Telecobaltoterapia

Telecobaltoterapia

I. Notiuni teoretice

Radiatia Cobalt-60 este considerata ca o radiatie de energie mult mai scazuta decat cea obtinuta cu acceleratoare liniare. Fascicolul de radiatii al Cobalt-60 prezinta o serie de particularitati de ordin calitativ, geometric si cantitativ.     

1. Calitatea fascicolului

Izotopul radioactiv artificial Cobalt-60 se obtine prin reactia     (n, γ), din elementul natural Cobalt-59.

Dezintegrarea  are loc in cascada: fiecare atom emite o radiatie beta cu energia E=0.31MeV si doi fotoni gamma de 1.17 MeV si 1.33MeV, trecand in elementul .

Figura 14.1. Schema de dezintegrare si caracteristicile fizice ale radiatiei Cobalt-60.

Radiatia gamma emisa de cobalt-60 este de natura electro-magnetica fiind constituita din fotoni transportori de energie si poate fi considerata monocromatica, cu o energie medie de 1.25MeV.

In aer, fascicolul de fotoni nu prezinta practic interactiuni si energia pe care o transporta ramane constanta, indiferent de distanta de sursa, repartizandu-se uniform pe sectiunile sferice ale suprafetelor de unde crescande.

Intensitatea fluxului de fotoni, respectiv energia repartizata pe unitatea de suprafata este uniforma pe suprafata unei sectiuni sferice si scade proportional cu patratul distantei fata de sursa de emisie.

La impactul fascicolului cu un mediu material, acesta intra in coliziune cu atomii mediului si o parte din energia fotonilor este progresiv transferata electronilor secundari generati in urma interac-tiunilor elementare. Interactiunea fascicolului de fotoni cu mediul are ca rezultat patru efecte mai importante:

1. modificarea traiectoriei fotonilor incidenti, fara modificarea energiei;

2. modificarea traiectoriei fotonilor cu cedare de energie sau efect Compton;

3. disparitia fotonilor: efectul fotoelectric si generarea de perechi;

4. fascicolul, respectiv fotonii, trec fara nici o modificare.

Primele doua mecanisme produc o imprastiere a radiatiei (sau fenomenul de difuziune), iar efectul Compton, efectul fotoelectric si generarea de perechi sunt mecanisme prin care energia este cedata de fascicolul si absorbita de catre mediu.

Ambele fenomene, absorbtia si difuziunea, contribuie in mod distinct la determinarea debitului dozei absorbite in mediul iradiat. Absorbtia energiei se face prin intermediul electronilor mediului iradiant pusi in miscare de fotonii purtatori de energie ai fascicolului prin cele trei mecanisme: efect fotoelectric, efect Compton si generare de perechi.

Efectul fotoelectric este important pana la 0.5MeV si consta in expulzarea unui electron periferic de catre un foton incident care, in aceasta interactiune isi cedeaza intreaga energie.

Efectul Compton sau fenomenul de difuziune inelastica este o interactiune prin care fotonul isi cedeaza doar o parte din energie unui electron care este expulzat de pe orbita, iar fotonul incident isi continua parcursul, dar cu modificarea traiectoriei.

Generarea de perechi este prezenta pentru fotoni a caror energie depaseste 1.05MeV, dar nu devine importanta decat pentru radiatii de circa 20MeV. Fotonul incident, trecand in apropierea nucleului, se transforma intr-un electron si un pozitron, fiecare cu energia de 0.51MeV. Pozitronul este anihilat de un electron si se produc 2 fotoni de 0.51MeV, numiti radiatie de anihilare.

Figura 14.2. a. Efect fotoelectric; b. Efect Compton; c. Formare de perechi electron pozitron; e^- = electron; e⁺ = pozitron; hυ = energia fotonului incident; hυ' = energia fotonului imprastiat prin efect Compton; hυ₁ = hυ₂ = energia fotonilor rezultati din anihilarea unui electron cu un pozitron; θ = unghiul de imprastiere.

Pentru domeniul de energie al cobaltului, efectul Compton  este preponderent si un foton va produce circa 30 de coliziuni inainte de a-si ceda complet energia unui electron (prin efect fotoelectric). Electronii rezultati prin cele trei mecanisme de mai sus sunt principalii agenti prin care se realizeaza absorbtia energiei si ei sunt cei care declanseaza toate efectele fizice, fizico-chimice, biochimice si biologice ale radiatiilor.

Energia mare a radiatiilor cobaltului ii confera anumite caracteristici fizice, cum sunt cresterea parcursului electronilor secundari, diminuarea coeficientilor de atenuare si difuziune si egalizarea coeficientilor masici de absorbtie in diferite medii biologice. Energia initiala a electronilor produsi prin interactiunea fotonilor gamma ai cobaltului cu materia, este mare si directia lor de deplasare va fi apropiata de cea a fascicolului incident.

Parcursul maxim al acestor electroni rapizi este de 5mm in apa sau tesuturi moi si ei vor ceda treptat din energie, prin ionizari si excitari, pana cand vor intra in echilibru termic cu moleculele invecinate. Importanta ionizarilor si excitarilor este mai mare la sfarsitul traiectoriei unde viteza lor este mai redusa si explica decalajul dintre locul interactiunii radiatiei cu mediul si locul in care se realizeaza absorbtia maxima de energie.

Zona intre suprafata si profunzimea de 5mm este o zona de tranzitie in care fluxul electronilor secundari creste progresiv pana cand atinge valoarea maxima.

La 5mm profunzime se realizeaza un echilibru intre electronii aflati la sfarsitul traiectoriei si electronii pusi in miscare de radiatia incidenta. Dupa aceasta profunzime, intensitatea radiatiei si a ionizarilor scade, datorita atenuarii fascicolului si sub influenta scaderii debitului, invers proportional cu patratul distantei.

Doza intr-un anumit punct in profunzimea mediului iradiat este rezultatul radiatiei absorbite in acel punct direct din fascicolul primar sau radiatia primara si a radiatiei difuzate produse in urma interactiunii radiatiei cu mediul inconjurator sau volumul difuzant. Pe masura ce profunzimea creste, contributia fascicolului primar scade, dar ramane intotdeauna superioara radiatiei difuzate.

Fenomenul de difuziune (sau radiatia difuzata) este dependent de mai multi factori, cei mai importanti fiind energia radiatiei incidente si volumul difuzant, delimitat de suprafata si forma campului de iradiere si profunzimea lui.

Avantajele clinice ale radiatiei cobaltului rezulta din carac-teristicile fizice si sunt comune tuturor radiatiilor de mare energie.

2. Geometria fascicolului

Fascicolul de radiatii este definit prin mai multi parametrii care se utilizeaza in calcule dozimetrice:

a)_Distanta F fata de sursa, exprimata ca:

Referat: Vitaminele - surse alimentare de vitamine Referat: 41 de sfaturi pentru viata lunga recomandate de doctor

- distanta sursa-piele (DSP), respectiv distanta dintre planul frontal al sursei si suprafata de intrare in mediul iradiat, masurata in axul central al fascicolului;

- distanta sursa-ax (DSA), care la aparatele cu montaj izocentric corespunde distantei dintre planul frontal si axul de rotatie.

b)_Campul de radiatii corespunde suprafetei de sectiune a fascicolului, perpendiculara pe axul central. Campul se delimiteaza prin colimare la distanta fata de sursa specifica aparatului. Dupa cum se alege ca distanta de lucru, DSP sau DSA, respectiv distanta sursa-piele sau distanta sursa-ax, se diferentiaza doua aspecte:

- campul definit la nivelul dozei maxime, in cazul cobaltului sub nivelul pielii la 0.5cm profunzime;

- campul definit in axul de rotatie al aparatului, cand coincide in general cu centrul volumului tumoral.

3)_Profunzimea p_m a dozei maxime D_m: pentru cobalt-60 cores-punde punctului (P) situat pe axul central al fascicolului la 0.5cm profunzime.

4)_Debitul dozei D_m la profunzime p_m: valoarea care caracte-rizeaza cantitativ un anumit fascicul definit geometric, masurata in fantom sau liber "in aer".

Figura 14.3. Parametrii geometrici ai fascicolului,

delimitarea geometrica a fascicolului.

3. Calculul timpului de expunere

● Calculul dozei absorbite in mediul iradiat se face cu relatia:

unde:

-  debitul dozei absorbite in mediul iradiat, pentru un camp de sectiune A, la distanta DSP, exprimat in cGy/min

- Exp_(DSP) = debitul sau expunerea masurata in aer pentru un camp de 10x10cm² la distanta de referinta DSP, exprimat in R min

- C = factorul collimator

- FRD_(A) = factorul de retrodifuziune corespunzator radiatiei difuzate de mediu pentru campul patrat echivalent de sectiune A

- f = factorul de conversie doza absorbita/doza expunere (cGy/R) egal cu 0,957 pentru tesutul muscular si 0.922 pentru oase

● Calculul dozei adsorbite in axul fascicolului la profunzimea p

Doza absorbita in axul fascicolului poate fi determinata prin doua metode: folosind randamentul in profunzime (RP), cand se lucreaza cu distanta sursa-piele (DSP) fixa, sau folosind raportul tesut aer (RTS) cand distanta sursa-ax (DSA) este fixa si distanta sursa piele variabila.

a) Calculul cu randamentul in profunzime: tehnica de iradiere foloseste o distanta sursa-piele fixa, cu dimensiunile campului stabilite la nivelul portii de intrare. Astfel, debitul dozei adsorbite in axul fascicolului la profunzimea p este:

unde:              

-  = debitul dozei absorbite in mediu, pentru campul de sectiune A, la distanta DSP fata de sursa si profunzimea p, exprimata in cGy/min

-  = debitul dozei absorbite in aer pentru campul A si distanta DSP

-  = randamentul in profunzime pentru campul A, distanta DSP si profunzimea p

Randamentul in profunzime (RP) este definit de raportul dintre debitul dozei pentru campul de sectiune A, la distanta DSP si profunzimea p, D_(p,A,DSP), fata de debitul dozei intr-un punct de referinta r, D_(r,A,DSP), in conditii similare (camp de sectiune A si distanta DSP). Punctul de referinta in cobaltoterapie corespunde dozei maxime 100% la profunzimea de 5mm. Randamentul in profunzime se exprima in procente fata de doza de referinta

Valorile randamentului in profunzime, a raportului tesut aer si a factorului de retrodifuziune sunt date pentru campuri patrate. Valorile respective pentru campurile dreptunghiulare, care sunt mai frecvent folosite in radioterapie, sunt inferioare celor patrate sau circulare de aceeasi suprafata, datorita contributiei mai reduse a radiatiei difuzate de periferia volumului la doza in axul central. Din acest motiv, inainte de a utiliza tabelele din literatura, care se refera la o anumita suprafata a campului, se face trecerea de la campul dreptunghiular folosit la campul patrat echivalent, aplicandu-se formula:  

unde:  l = latura campului patrat echivalent;

a si b lungimea si largimea campului dreptunghiular

Timpul de expunere se obtine prin impartirea dozei D pe care dorim sa o administram la :

Timp expunere =   

b) Calculul cu raportul tesut-aer: tehnica de iradiere cu DSA (DTS) fixa se utilizeaza la aparatele cu montaj izocentric, dimensiunea campului de iradiere fiind luata in axul de iradiere sau centrul volumului tumoral. Debitul dozei in punctul p se calculeaza dupa formula

unde:

-  = debitul dozei absorbite pentru campul de sectiune A, la distanta DSA si profunzimea p, exprimat in cGy/min

- Exp_(DSA) = expunerea pentru campul standard (10x10cm²) la distanta DSA, exprimata in R min

- C = factorul colimator pentru campul patrat echivalent de sectiune A

- f = factorul de conversie doza absorbita/doza expunere

- RTA_{(A ,p)} raportul tesut-aer pentru campul A la profunzimea p

Raportul tesut-aer (RTA) a fost introdus de Johns in 1953 si reprezinta raportul dintre debitul dozei absorbite masurat intr-un anumit punct p in tesut si debitul dozei absorbite masurat in acelasi punct in aer, in conditii de echilibru electronic si conditii similare de iradiere

Timpul de expunere se obtine prin impartirea dozei D pe care dorim sa o administram la :

Timpul de expunere =   

4. Instalatia "Theratron Elite 100"

Theratron Elite 100 aflat in dotarea Spitalului Judetean Constanta, este un aparat destinat radioterapiei oncologice, avand urma-toarele componente majore: sursa radioactiva de Cobalt-60, suport in miscare GANTRY, partea stationara (sistemele de alimentare electrica, sistemul de aer comprimat care comanda miscarea sursei, sistemele electrice si electronice de comanda si control), cap rotativ, colimator ajustabil, masa de tratament, pupitre suspendate de comanda (unul pentru sistem si altul pentru masa de tratament), pupitru central de comanda si control.

Sistemul Theratron Elite 100 poate functiona in urmatoarele moduri: RT fixa, RT cinetica, RT rotativa, RT pe arc (pendulara).

Figura 14.4. Instalatia "Theratron Elite 100" - schema generala.

II. Parte experimentala

A._Valoarea debitului masurat in aer pentru un camp de A=10x10cm², DSP=80cm este de Exp_(DSP)=100R/min. Sa se calculeze D_med(A,DSP) pentru un camp A=10x10cm², A=6x12cm², A=12x17cm² cand DSP=80cm.

B._Sa se calculeze debitul dozei D_med(A,DSP) si timpul de expunere pentru D=250cGy, in cazul unui camp de A=10x10cm², DSP=80cm la profunzimile p=10cm si p=20cm.

C. Sa se calculeze debitul dozei D_med(A,DSA) si timpul de expunere pentru D=250cGy, in cazul unui camp de A=10x10cm², DSA=80cm, la profunzimile p=10cm si p=20cm. Se cunoaste Exp_(DSA)=100R/min.

- Factorul colimator: C_10x10=1, C_8x8=0.99, C_14x14=1.02

- Factorul de conversie: f=0,957cGy/R (muschi), f=0.922cGy/R (oase)

- Randamentul in profunzime, raportul tesut aer si echivalentul patrat al campurilor dreptunghiulare se gasesc date in tabelele 1-6.

Tabelul 1. Cobalt-60 DSP 50cm - Randament in profunzime (RP)

Tabelul 2. Cobalt-60 DSP 60cm - Randament in profunzime (RP)

Tabelul 3. Cobalt-60 DSP 80cm - Randament in profunzime (RP)

Tabelul 4. Cobalt-60 DSP 100cm - Randament in profunzime (RP)

Tabelul 5. Cobalt-60 Raport tesut aer (RTA)

Tabelul 6. Echivalentul patrat al campurilor dreptunghiulare

BIBLIOGRAFIE SELECTIVA