Juan Azorin Nieto Seminario Web organizado por la Red Latinoamericana de Protección Radiológica en Medicina

1. LA DOSIMETRÍA DE ESTADO SÓLIDO
APLICADA EN FÍSICA MÉDICA Y
PROTECCIÓN RADIOLÓGICA
Juan Azorín Nieto
Universidad Autónoma Metropolitana-
Iztapalapa, Ciudad de México,
México
azorin@xanum.uam.mx

2. La dosimetría es una
disciplina fundamental en las
aplicaciones de la radiación
y los radioisótopos,
especialmente en Física
Médica y Protección
Radiológica

3. DOSIS ABSORBIDA
Dosis absorbida es el cociente:
Donde dε es la energía media impartida
por la radiación ionizante, absorbida en
una cantidad de masa dm de un
material específico.
Unidad especial: rad.
Unidad del S.I. : gray (Gy). (J/kg)
1mGy = 10-3 Gy; 1 μGy= 10-6 Gy.
Relación entre unidad especial y unidad del
S.I.
- 1 Gray = 100 rad - 1 rad= 10-2
Gy = 1cGy
dm
d
D


Recordemos algunos conceptos fundamentales

4. TASA DE DOSIS ABSORBIDA
Variación de la dosis absorbida dD en
un punto de un material en un
intervalo de tiempo dt.
Unidad especial: rad/s
- Se utilizan submúltiplos
rad/h; mrad/h.
Unidad del S.I. : Gy/s
- Se utilizan submúltiplos :
mGy/h; μGy/h.
dt
dD
D 

5. • Es la magnitud dosimétrica de mayor interés.
• Hace referencia a la energía impartida por la radiación ionizante de
cualquier tipo y absorbida en un punto de un material específico.
• El efecto medido es de gran interés para estudios de radiobiología
y protección contra las radiaciones.
• Fácil relación entre las unidades tradicionales y las del S.I.
• Es una magnitud que se relaciona de forma sencilla con otras
magnitudes (Exposición , Dosis Equivalente, etc.) .
• Es el pilar básico para el cálculo de las magnitudes limitadoras y
operacionales.
DOSIS ABSORBIDA (Observaciones)

6. DOSIS EQUIVALENTE EN UN PUNTO
D= Dosis absorbida en un punto de un material
Q = factor de calidad de la radiación.
Factor de calidad Q .- Q es una constante
adimensional que pondera la efectividad biológica de la
calidad de la radiación . (Se calcula observando la
distribución de la energía a nivel microscópico : LET).
Unidad especial: rem (*).
Unidad SI : J/kg = sievert (Sv). (*)
Relación entre ambas unidades:
1 Sv = 100 rem
(*) Al ser Q una constante adimensional, la unidad de dosis equivalente del SI es
también J/kg .
Para distinguir las unidades de dosis equivalente, H, de las de dosis absorbida , se
utilizan nombres propios diferentes (sievert y gray respectivamente).
H= D·Q

7. Variación de la dosis equivalente dH
en el intervalo de tiempo dt
Unidad especial: rem/s.
(Se utilizan submúltiplos: rem/h, mrem/h)
Unidad SI : sievert/segundo (Sv/s)
(Se utilizan submúltiplos:
mSv/h ; μSv/h
Ejemplo: Radiación cósmica a diferentes altitudes.
.
TASA DE DOSIS EQUIVALENTE
Tasas de dosis equivalente debida a la radiación cósmica a
diferentes altitudes
dt
dH
H 
0.03 µSv/h
0.1 µSv/h
1 µSv/h
5 µSv/h
10 µSv/h

8. DOSIS EQUIVALENTE EN ÓRGANO: HT
- DT,R .- Es la dosis absorbida promediada sobre
el tejido u órgano T procedente de la radiación R.
- wR.- Factor de ponderación de la radiación R.
Constante adimensional que pondera la radiación
incidente en el órgano ó tejido, calculada a partir de
la observación de la LET .Unidad SI: sievert (Sv).
HT= ∑R
wR· DT , R
Tipo de radiación wR
Fotones 1
Electrones y muones 1
Protones y piones cargados 2
•Partículas alfa, fragmentos de
fisión, núcleos pesados
20
•Neutrones
Una curva
continua en
función de la En
Factor de ponderación para
neutrones (ICRP 103, 2007)

9. DOSIS EFECTIVA (E)
La dosis efectiva “E” es la suma de las dosis
ponderadas en todos los tejidos y órganos del cuerpo
a causa de irradiaciones internas y externas.
- HT es la dosis equivalente en un tejido u órgano T
- wT es el factor de ponderación del tejido.
FACTORES DE PONDERACIÓN DEL TEJIDO (ICRP-103, 2007)
Unidad SI: sievert (Sv).
E= ∑T
wT · HT
Tejido / órgano wT ΣwT
Gónadas 0.08 0.08
Médula ósea, colon, pulmón,
estómago, mama y resto del
organismo
0.12 0.72
Vejiga, esófago, hígado y tiroides 0.04 0.16
Superficie ósea, cerebro, glándulas
salivales, piel
0.01 0.04

10. Dosis promedio anual que recibe una persona (mSv)
Radiación del suelo
16%
Radiación Cósmica
12%
Gas Radón
46%
Actividad Corporal
12%
Medicina
14%
Varios
0%
Radiación del suelo Radiación Cósmica
Gas Radón Actividad Corporal
Medicina Varios
0.45 mSv
0.35 mSv
1.26 mSv
0.34 mSv
0.4 mSv
0.01 mSv
DOSIS EFECTIVA PROMEDIO QUE RECIBE UN INDIVIDUO ANUALMENTE

11. Dosis en órganos
 Permite estimar con exactitud el riesgo que tendrá el paciente
como consecuencia de la irradiación.
 En radiodiagnóstico, las diferentes edades de los pacientes y las
altas dosis que se pueden alcanzar en algunos órganos, hace que
éste parámetro sea el utilizado por la mayoría de los países para la
estimación del riesgo.
 Estas dosis sólo se pueden medir directamente en órganos
superficiales como mama, tiroides o testículos.
 Para la medida directa de dosis en órganos profundos, tales como
útero o pulmón, hay que recurrir al uso de fantomas que simulan
el cuerpo humano y sobre los que se hace una reproducción de la
exploración radiológica con idéntico protocolo al que se utilizará
para pacientes.
DOSIMETRÍA A PACIENTES

12.  Rayos X
 Radiación gamma
 Partículas beta
 Electrones acelerados
 Partículas pesadas
 Neutrones
Tipos de radiación implicados en Física
Médica y Protección Radiológica

13.  Dosimetría de pacientes y fantoma (intencional)
 Dosimetría del personal ocupacionalmente expuesto
(reglamentario)
 Monitoreo ambiental (reglamentario)
La dosimetría en Física Médica y
Protección Radiológica implica:

14. Radiodiagnóstico:
 Las dosis aplicadas a los pacientes
no son controladas
 Las dosis varían mucho de un
paciente a otro para un mismo tipo de
estudio
 La radiología médica contribuye en
gran parte a la dosis colectiva de la
población

15. La dosimetría en radiodiagnóstico debe estar dirigida a:
 Establecer que las dosis que reciban los pacientes
estén de acuerdo con el funcionamiento óptimo del
equipo (como parte del Programa de Garantía de
Calidad)
 Comparar las dosis entre diferentes equipos y
técnicas para optimizar el diseño y el funcionamiento
de equipo nuevo
 Estimar el riesgo al paciente
Radiodiagnóstico:

16. Radioterapia:
 Dosis altas en un volumen
bien definido
 Las dosis deben ser muy bien
controladas
 Es muy importante verificar
las dosis mediante mediciones
 Debe ser posible hacer
mediciones en posiciones
intracavitarias o en implantes

17.  Directamente sobre el paciente
colocando dosímetros en los sitios de
interés para el médico, ya sea sobre la
piel y/o dentro del paciente
 En fantoma para conocer la
distribución de la dosis cuando no es
posible insertar dosímetros en el
paciente o para planear tratamientos
La dosimetría se puede efectuar:
Radioterapia:

18. Mediciones en fantoma:
Se efectúan para simular el
tratamiento para diversos
individuos , colocando
dosímetros a diferentes
profundidades determinadas
por los puntos de interés en
el paciente.

19. Dosimetría “In vivo” :
Se lleva a cabo colocando los
dosímetros en el punto de interés
en el paciente, para medir dosis de
entrada y/o de salida o para
determinar la efectividad de la
protección en puntos distantes del
campo de radiación (órganos
sanos)
Esta información es importante porque puede usarse
para modificar el plan de tratamiento o controlar su
calidad

20. ¿Cuáles son los dosímetros de estado sólido
más usados en Física Médica y/o Protección
Radiológica?
 Diodos
 MOSFETs
 Dosímetros de RPE
 Películas radiocrómicas
 Dosímetros termoluminiscentes
 Cintiladores plásticos

21. Materiales:
Silicio dopado con fósforo (diodos de tipo n)
Silicio dopado con boro (diodos de tipo p)
Medición de la señal:
Modo voltaje (circuito abierto)
Modo corriente (corto circuito). Es el más utilizado (relación
lineal entre la carga generada en el diodo y la dosis absorbida).
Dosímetros de diodos
Generalmente se utiliza
como una fotocelda,
generando una señal
proporcional a la dosis
absorbida.

22. Diodos tipo N
 dopado con impurezas de valencia 5 como el P (fósforo)
“donador” contribuye con un electrón libre al silicio
Electrones (-) son mayoría
Agujeros (+) son minoría
El Silicio tiene 4 electrones de
valencia, cada uno en enlace
covalente con el vecino

23. Diodos tipo P
• P-type semiconduct
 dopados con impurezas de valencia 3 como el B (boro) “aceptor”
 contribuye con un electrón libre al silicio
 Agujeros (+) son mayoría
 Electrones (-) son minoría

24. En la unión p-n
La mayoría de los portadores de carga se
difunden al lado opuesto
Concentración de equilibrio
Los iones de carga opuesta inducen un
campo eléctrico (“potencial incorporado” = )
Previene la incorporación de los portadores de
carga mayoritarios
Unión P-N
• Constituido por un diodo tipo p y uno tipo n en contacto directo “región de
depleción”
Un detector de diodo está
constituido por una unión P-N

25. El detector de diodo no necesita
voltaje de polarización
La alta intensidad del campo eléctrico a través de la
unión pn hace que la colección de carga sea posible
sin polarización externa
El ancho típico de la región de depleción es de unos cuantos µm
El voltaje de polarización es menor que 1 volt
El campo eléctrico a través de la unión p-n es muy grande
(mayor que 103 V/cm)

26. ¿Como se mide la dosis
usando diodos?
Radiación ionizante incidente
Formación de pares electrón-agujero
Los electrones del lado p y los agujeros del lado n
se difunden hacia el lado opuesto
La carga es medida por un electrómetro

27. Usos: radioterapia
Se han utilizado para mediciones in vivo en
braquiterapia HDR (recto y cuello uterino).
Diodos

28. Dosímetros de diodos
• Ventajas
 No requieren alimentación
externa
 Respuesta inmediata
 Tamaño pequeño
 Resistentes al agua
 Buena reproducibilidad
( < 1%)
 Respuesta lineal hasta 10 Gy
• Desventajas
 Sensibles a la
temperatura
 No equivalentes al tejido
 Dependientes de la
orientación
 Dependientes de la tasa
de dosis y de la dosis
acumulada

29. MOSFETs
Consisten en un transistor de efecto de campo basado en la
estructura de un óxido metálico semiconductor ( Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor).
Durante la irradiación de un
MOSFET, un cierto número de
agujeros es capturado en las
trampas cerca de la interfase
Si-SiO2.

30. 1. Irradiación
2. Portadores de carga
atrapados en el substrato
de Si
3. Se altera la
corriente entre
la fuente y el drenaje

31. El voltaje de compuerta
durante la irradiación
determina la sensibilidad
Lectura después de
la irradiación:
se requiere voltaje de
compuerta para
mantener la corriente constante

32. MOSFETs
Los agujeros atrapados causan una
variación en el voltaje la cual es
proporcional al número de agujeros
atrapados y por lo tanto se puede
utilizar para la dosimetría, mediante
la medición del voltaje antes y
después de la irradiación.
Los MOSFETs se han utilizado para
la dosimetría in vivo en radioterapia

33. • Ventajas
 No requieren
alimentación externa
 Respuesta inmediata
 Tamaño pequeño (aprox.
1 mm3)
 Dependencia angular
despreciable (± 2%, 360°)
 Buena reproducibilidad
(2-3% 1)
 Respuesta independiente
de la tasa de dosis
• Desventajas
 Respuesta dependiente
de la temperatura
 No equivalentes al tejido
 Pérdida de carga después
de la irradiación
 Disminución de la
respuesta con la dosis
acumulada (150 – 200 Gy)
MOSFETs

34. • Ventajas
 No requieren alimentacion
externa
 Respuesta inmediata
 Tamaño pequeño
(aprox. 1 mm3)
 Dependencia angular
despreciable (± 2%, 360°)
 Buena reproducibilidad
(2-3% 1)
 Respuesta independiente de
la tasa de dosis
• Desventajas
 Respuesta dependiente
de la temperatura
 No equivalentes al tejido
 Pérdida de carga después
de la irradiación
 Disminución de la
respuesta con la dosis
acumulada ( 150 – 200 Gy)
MOSFETs

35. 35
Resonancia paramagnética
electrónica (RPE)
• Es applicable a especies con uno o más
electrones desapareados
 Radicales libres

36. 36
Espectrómetro de RPE

37. 37
Niveles de energía de un electrón sometido
a un campo magnético

38. 38
Espectro RPE
Cuando se utiliza la detección sensible a la fase, la señal
es la primera derivada de la intensidad de absorción

39. 39
Niveles de energía
• Basados en el espín del electrón y su momento
magnético asociado
• Para una molécula con un electrón
desapareado
 En presencia de un campo magnético, los
niveles de energía del electrón son:
E = gmBB0mS
g = factor de proporcionalidad
mB = magnetón de Bohr
mS = número cuántico de espín electrónico (+½ o -½)
B0 = campo magnético

40. 40
Factor de Proporcionalidad
• Medido desde el centro de la señal
• Para un electrón libre = 2.00232
• Para radicales libres
Valor muy cercano al de un
electrón libre 1.99 - 2.01

41. Dosímetros de RPE
El dosímetro RPE más comúnmente utilizado es el aminoácido
L-α alanina. La interacción de la radiación ionizante con el
detector de estado sólido provoca la formación de radicales libres.
Las transiciones entre estados del espín electrónico se utilizan
para estimar la concentración de radicales libres, la cual es
proporcional a la dosis absorbida.

42. Dosímetros de RPE
La concentración de radicales libres se evalúa mediante la
medición de la altura del pico de la primera derivada de la señal
de RPE obtenido en un espectrómetro de RPE. El proceso de
lectura es no destructivo.

43. Dosímetros de RPE
Los dosímetros de RPE/alanina se utilizan regularmente para la
calibración de fuentes de braquiterapia de alta tasa de dosis (HDR)

44. • Ventajas
 Versatilidad en su presentación
 Buena equivalencia con el tejido
 Buena exactitud
( = 1%; 10 – 105 Gy)
 Respuesta independiente de la
orientación
 Bajo desvanecimiento (0.6%/año)
 Respuesta independiente de la
tasa de dosis
 Respuesta independiente de la
dosis acumulada
• Desventajas
 Baja sensibilidad
 Umbral de detección
alto (0.1 – 0.3 Gy)
 Los espectrómetros de
RPE son caros y
difíciles de operar
Dosímetros de RPE

45. Dosímetros de película radiocrómica
Los detectores de película radiocrómica consisten en una o varias
capas de una emulsión de microcristales de un monómero sensible
a la radiación uniformemente dispersada en un aglutinante de
gelatina sobre un sustrato de nylon.
Antes de la irradiación, la película
es incolora y transparente; cuando
se expone a la radiación ionizante
los policristales polimerizan por lo
que cambia el color de la película
en función de su tipo (por ejemplo,
azul para Gafchromic tipo MD 55,
HS y EBT, y naranja para el XR-T
o tipo RTQA).

46. Poliester amarillo - 150 µm
Poliester amarillo - 150 µm
Capa activa - 18 µm
Capa activa - 15 µm
Poliester amarillo - 150 µm
Poliester blanco opaco - 150 µm
XR - R
XR - T
Películas GAFCHROMIC
Poliester transparente – 150 µm
Capa activa - 40 µm
Poliester transparente – 150 µm
HS

47. Dosímetros de película radiocrómica
El cambio de color depende de la dosis absorbida y su medición
se optimiza mediante el uso de los instrumentos diseñados
especialmente para medir el pico mayor en el espectro de
absorción.
Este tipo de detectors se ha usado para el control de
calidad de las fuentes de braquiterapia y para medir la
dosis absorbida in vivo; así como en radiodiagnóstico.

48. • Ventajas
 Autorrevelables
 Buena equivalencia con el tejido
 Buena reproducibilidad
(2 – 3 % 1)
 Muy delgadas y fáciles de cortar
en el tamaño y forma deseados
 Resolución espacial alta
 Respuesta independiente de la
tasa de dosis
 Proceso de lectura no
destructivo
• Desventajas
 Baja sensibilidad
 Respuesta no lineal
 Tiempo de
estabilización de varias
horas
 Respuesta ligeramente
dependiente de la
energía de la radiación
Detectores de película radiocrómica

49. Dosímetros termoluminiscentes
La dosimetría termoluminiscente (TLD) se basa en la capacidad
de los cristales imperfectos para absorber y almacenar la energía
de la radiación ionizante, que durante el calentamiento es re-
emitida en forma de radiación electromagnética, principalmente
en la longitud de onda visible. Se detecta la luz emitida y se
correlaciona con la dosis absorbida recibida por el material
termoluminiscente (TL).

50. Dosímetros termoluminiscentes
Uno de los posibles mecanismos de
emisión de TL puede explicarse
mediante el modelo de bandas de
energía (EBM) de un sòlido (aislante
o semiconductor) teniendo en cuenta
tres elementos principales: centros de
recombinación, portadores de carga, y
trampas. Además, el EBM supone la
existencia de estados excitados de
energía metaestables en la banda
prohibida, que desempeñan el papel
de trampas o centros de
recombinación.

51. Materiales TL
LiF:Mg,Ti
LiF:Mg,Cu,P
Li2B4O7:Mn
CaSO4:RE
BaSO4:RE
Al2O3:C
Al2O3:RE
ZrO2:RE
TiO2:RE
Y2O3:RE
BeO
Dosímetros termoluminiscentes

52. Dosímetros termoluminiscentes
La mayoría de los lectores TL se basan en la emisión total de
uno o más picos de la curva de brillo. La lectura de un material
TL es muy sencilla y directa. En un tiempo relativamente corto
(en unos pocos segundos o minutos), el material debe ser
calentado a partir de una temperatura inicial en el intervalo de
50 a 100 °C hasta un valor máximo de temperatura que se
adopta en base a la historia térmica del material TL en uso.

53. • Ventajas
 Alta sensibilidad en un volumen
pequeño
 Buena equivalencia con el tejido
 Buena reproducibilidad (< ± 2%)
 Bajo desvanecimiento
 Respuesta independiente de la
orientación
 Respuesta independiente de la
tasa de dosis
 Respuesta independiente de la
energía de la radiación
• Desventajas
 Respuesta retardada
 Proceso de lectura
destructivo
Dosímetros termoluminiscentes

54. La dosimetría TL resulta útil tanto en braquiterapia como en
teleterapia y medicina nuclear para mediciones in vivo y en
fantoma; así como en radiodiagnóstico
Dosímetros termoluminiscentes

55. Ejemplo de TLD para dosimetría in
vivo: mediciones dosis al cristalino
cristalino
7 mm de cera para
imitar la posición del
cristalino
Posición en campos
de radiación AP o PA
Detector TLD
cristalino
Posición en campos de
radiación laterales
Detectores TLD

56. Los detectores plásticos de centelleo consisten en un material
base (normalmente poliestireno, polivinil tolueno, naftaleno o
acrílico) y uno o más tintes orgánicos embebidos en ellos.
Detectores plásticos de centelleo

57. Cuando la radiación interactúa con el centellador, una parte de la
energía depositada se convierte en luz (fotones de centelleo). La
intensidad de la luz emitida se amplifica y se colecta mediante un
tubo fotomultiplicador o es enfocada a través de una guía de luz
hacia el fotocátodo de un intensificador de imagen y capturada
por una cámara digital. En ambos casos, se obtiene una lectura en
cuentas por unidad de tiempo, que puede relacionar con la dosis
absorbida.
Detectores plásticos de centelleo

58. • Ventajas
 Alta resolución espacial
 Buena equivalencia con el tejido
 Buena reproducibilidad y
estabilidad
 Respuesta lineal desde unos cGy
hasta Gy
 Respuesta independiente de la
temperatura
 Respuesta independiente de la
tasa de dosis
• Desventajas
 La respuesta debe
corregirse por efecto
Cerenkov que se lleva a
cabo en la guía de luz
Detectores plásticos de centelleo

59. Detectores plásticos de centelleo
Han sido usados para mediciones de distribución de
dosis alrdedor de fuentes radiactivas o de haces de
fotones o electrones

60. 60
Conclusiones
 Existen muchas técnicas de estado sólido disponibles para la
dosimetría en física médica y/o protección radiologica. Ninguna
es perfecta y se requiere entrenamiento y experiencia para
elegir la técnica más adecuada para un propósito particular e
interpretar los resultados
 Con estos ejemplos de aplicación de la dosimetría de estado
sólido en radioterapia, radiodiagnóstico, medicina nuclear y
proteccion radiologica, se pretende hacer enfasis en la
importancia de estas técnicas.
 En America Latina se puede conseguir este objetivo con alta
eficiencia y a bajo costo usando DTL desarrollados y elaborados
localmente.

61. Juan Azorin Nieto
azorin@xanum.uam.mx