Nuevos parámetros para la determinación del grosor de barreras secundarias en búnkeres de radioterapia

Resumen El uso de radiaciones ionizantes en terapias exige que las instalaciones estén adecuadamente blindadas para garantizar que las dosis de radiación en los alrededores no superen los límites establecidos. El cálculo del grosor de las barreras en un búnker es responsabilidad del físico médico, y este trabajo se centrará en el estudio de las barreras secundarias, aquellas en las cuales el haz no incide directamente debido a la ubicación del gantry en el búnker. Dada la dificultad de realizar cálculos teóricos exactos, actualmente se emplea una metodología basada en aproximaciones conservadoras para asegurar que las dosis fuera de estas instalaciones no superen los valores establecidos por los organismos de control. Para los cálculos de grosor de las barreras, se utilizan parámetros que fueron determinados hace varias décadas, con las limitaciones computacionales de la época. La combinación de aproximaciones conservadoras y el uso de parámetros determinados hace varias decádas, representa una oportunidad de investigación que se desarrollará a lo largo de este proyecto. Introducción El uso de radiaciones ionizantes en terapias exige que las instalaciones donde se realicen estos procedimientos estén adecuadamente blindadas. Esto garantiza que las dosis de radiación en los alrededores no superen los límites establecidos [1-4]. Los materiales más comúnmente utilizados para el blindaje de rayos X son el concreto y el plomo. Para el blindaje de neutrones, se emplean principalmente el concreto y el polietileno boratado, entre otros materiales [5,6]. El grosor necesario de estos materiales en las paredes de una instalación de tratamiento o diagnóstico depende de la cantidad de radiación que incide sobre cada barrera. En los procedimientos de radioterapia con haz externo, la radiación se dispersa en el paciente y en las paredes de la instalación. Planteamiento del problema y marco teórico Física de la interacción de la radiación con la materia En un acelerador se producen del orden de 10^12 fotones, y cada uno de ellos tiene la posibilidad de realizar varias interacciones [7], como se ilustra en la figura 1. Cada colisión por efecto Compton está descrita por la sección eficaz de Klein-Nishina [8]. Debido a estas razones, las interacciones de la radiación con el paciente o con una barrera son difíciles de seguir mediante cálculos exactos realizados manualmente. Por lo tanto, el protocolo actual recomienda una metodología con varias aproximaciones y parámetros, que se describirán en la siguiente sección. Figura 1. Esquema de posibles interacciones de un fotón de rayos X con una barrera. Metodología actual para el cálculo de grosores de barreras secundarias Se han propuesto diversas metodologías para calcular el grosor de las barreras en una instalación. Organizaciones como el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) [5] y el "National Council on Radiation Protection and Measurements" (NCRP) en Estados Unidos [6] publican directrices que utilizan cálculos simplificados para el diseño de áreas controladas. Una barrera secundaria es aquella en la que el haz de radiación no incide directamente, sino que lo hace por dispersión. La dispersión en el paciente es la que mayor contribución aporta al grosor de las barreras secundarias. En la figura 2, se esquematiza el proceso de incidencia de la radiación en una barrera secundaria después de ser dispersada por el paciente. Figura 2. Esquema de incidencia de la radiación dispersa en el paciente en una barrera secundaria de un búnker de radioterapia. El grosor de la barrera depende del tipo de personal que esté al otro lado de la misma, dado que los límites de dosis difieren entre el personal ocupacionalmente expuesto y el público [1-4]. También varía según el tiempo que permanezca una persona al otro lado de la barrera. Una vez fijados estos dos parámetros, que pueden determinarse fácilmente, el siguiente factor que influye en el grosor de las barreras es la cantidad de radiación que incide sobre cada barrera. La ecuación (1) se utiliza para determinar el coeficiente de transmisión "Bp" de la radiación dispersa en el paciente. (1) P, es la dosis límite de diseño, dsca es la distancia del foco al paciente, dsec, es la distancia del paciente a la barrera, W es la carga de trabajo que indica la cantidad de radiación que envia el haz, T es el factor de ocupación que depende de cuanto tiempo permanecen las personas al otro lado de la barrera, F es el área del campo de radiación en el isocentro y “a” es la fracción de sipersión de la radiación en el paciente que se toma de la tabla 1. Tabla 1. Valores de fracción dispersa “a” tomados del NCRP 151 [6]. Es importante señalar que los valores de la Tabla 1 fueron determinados hace más de dos décadas y además reportan solamente valores para una cantidad reducida de ángulos de dispersión. Una vez obtenido el coeficiente de transmisión "B", se procede a determinar el número de capas decareductoras (TVL) o grosor del reductor mediante la ecuación (2). (2) Tabla 2. TVLs en concreto para radiación dispersa en paciente. tomados del NCRP 151 [6]. Es importante notar que los valores de la tabla 2 fueron determinados hace más de 50 años, con las limitaciones computacionales de la época. Además, se observa que únicamente se reportan valores para unos pocos ángulos de dispersión, y se recomienda utilizar el valor más cercano que produzca el grosor de barrera más grande. La metodología actual hace uso de las siguientes aproximaciones conservativas: 1. Se considera que el haz se dispersa en todas las direcciones, con la radiación más penetrante a ángulos bajos. Para el cálculo, se asume que el haz dispersado se compone de la radiación más penetrante y que esto ocurre para toda la extensión espacial de la barrera secundaria. 2. La fracción de dispersión en el paciente, representada por "a", se reporta para ángulos discretos. Si el ángulo de diseño no se encuentra en la tabla, se recomienda utilizar el valor de "a" correspondiente al ángulo más cercano que represente el mayor grosor de barrera. 3. Para calcular el grosor, se multiplica el número de TVLs por el valor de la tabla, donde también se reportan solo unos pocos ángulos. Nuevamente, se sugiere usar el valor más cercano que represente el mayor grosor de barrera. Esta acumulación de aproximaciones conservativas en cada uno de los cálculos y para cada una de las barreras puede producir sobreestimaciones significativas, como se menciona en el "Institute of Physics and Engineering in Medicine" (IPEM) [9], llevando en algunos casos a diferencias de hasta más de un orden de magnitud en el grosor necesario de las barreras. Esto conduce a gastos innecesarios en materiales de construcción y a una reducción del área total disponible dentro de la sala de radioterapia. Además, considerando que los valores reportados para los TVLs y la fracción dispersa en el paciente fueron determinados hace varias décadas, con las limitaciones computacionales de la época, surge la pregunta: ¿Cómo optimizar la determinación de el el grosor de las barreras secundarias en búnkeres de radioterapia mediante la generación y uso de nuevos parámetros de cálculo?