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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
La dosimetría es una
disciplina fundamental en las
aplicaciones de la radiación
y los radioisótopos,
especialmente en Física
Médica y Protección
Radiológica
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
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 
• 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)
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
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
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)
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
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
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
 Rayos X
 Radiación gamma
 Partículas beta
 Electrones acelerados
 Partículas pesadas
 Neutrones
Tipos de radiación implicados en Física
Médica y Protección Radiológica
 Dosimetría de pacientes y fantoma (intencional)
 Dosimetría del personal ocupacionalmente expuesto
(reglamentario)
 Monitoreo ambiental (reglamentario)
La dosimetría en Física Médica y
Protección Radiológica implica:
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
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:
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
 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:
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.
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
¿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
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.
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
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
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
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)
¿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
Usos: radioterapia
Se han utilizado para mediciones in vivo en
braquiterapia HDR (recto y cuello uterino).
Diodos
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
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.
1. Irradiación
2. Portadores de carga
atrapados en el substrato
de Si
3. Se altera la
corriente entre
la fuente y el drenaje
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
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
• 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
• 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
Resonancia paramagnética
electrónica (RPE)
• Es applicable a especies con uno o más
electrones desapareados
 Radicales libres
36
Espectrómetro de RPE
37
Niveles de energía de un electrón sometido
a un campo magnético
38
Espectro RPE
Cuando se utiliza la detección sensible a la fase, la señal
es la primera derivada de la intensidad de absorción
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
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
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.
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.
Dosímetros de RPE
Los dosímetros de RPE/alanina se utilizan regularmente para la
calibración de fuentes de braquiterapia de alta tasa de dosis (HDR)
• 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
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).
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
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.
• 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
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).
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.
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
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.
• 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
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
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
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
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
• 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
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
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.
Juan Azorin Nieto
azorin@xanum.uam.mx
La Dosimetría de Estado Sólido aplicada en Física Médica y Protección Radiológica
La Dosimetría de Estado Sólido aplicada en Física Médica y Protección Radiológica

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La Dosimetría de Estado Sólido aplicada en Física Médica y Protección Radiológica

  • 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
  • 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.
  • 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.