Método y aparato de medida de la transferencia lineal de energía y de la energía de haces de hadrones e iones.

En la presente invención se describe un método y aparato 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.

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– 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...

1. Método de medida de la Transferencia Lineal de Energía, del inglés Linear Energy Transfer (LET) , y de la Energía (E) de un haz de hadrones o iones (101) para verificación de tratamientos de hadroterapia que comprende:

a. realizar una primera medida de la dosis del haz con una primera matriz de detección de ionización, SCI_1 (102) ;

b. realizar una segunda medida de la dosis del haz con una segunda matriz de deteccción de ionización, SCI_2 (103) ;

c. calcular el LET (104) del haz realizando el cociente entre la dosis medida con la matriz de detección y la dosis medida con la segunda matriz de detección de acuerdo a la siguiente expresión:

SCI1

LET= F

[[

JJ

SCI2

donde F es una función de calibración previamente determinada para el tipo de partícula del haz de hadrones; y

d. calcular la energía E (105) del haz realizando el cociente entre la dosis medida con la primera matriz de detección y la dosis medida con la segunda matriz de detección de acuerdo a la siguiente expresión:

SCI1

E=G

[[

JJ

SCI2

donde G es una función de calibración previamente determinada para el tipo de partícula del haz de hadrones.

2. El método según la reivindicación 1 en el que ambas medidas se realizan simultáneamente mediante el desplazamiento conjunto de dos matrices de detección.

3. El método según la reivindicación 1 en el que las medidas se realizan con un detector que comprende dos matrices de detección de ionización solidarias y consecutivas..

4. El método según la reivindicación 1 en el que la primera y segunda medidas se realizan con matrices de detección de ionización que comprenden medios materiales activos ionizantes de diferente densidad y/o composición atómica.

5. El método según la reivindicación 4 en el que la primera medida se realiza con una matriz de detección de ionización líquida o gaseosa.

6. El método según la reivindicación 4 en el que la segunda medida se realiza con una matriz de detección de ionización líquida o gaseosa.

7. Aparato de medida del LET y de la Energía (E) de un haz de hadrones o iones (208) que comprende:

a. una primera matriz de detectores que comprende uno o varios detectores de ionización con un medio material activo ionizante A;

b. una segunda matriz de detectores 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 cámaras 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 cámara 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.

8. El aparato según la reivindicación 7 en el que la primera y segunda matriz de detección de ionización comprenden medios materiales activos ionizantes de diferente densidad y/o composición atómica.

9. El aparato según la reivindicación 8 en el que la primera matriz de detección de ionización comprende un medio material activo ionizante A gaseoso o líquido.

10. El aparato según la reivindicación 8 en el que la segunda matriz de detección de ionización comprende un medio material activo ionizante B gaseoso o líquido.

11. El aparato según las reivindicaciones 9 y 10 en el que el medio activo ionizante gaseoso es aire.

12. El aparato según las reivindicaciones 9 y 10 en el que el medio activo ionizante líquido es isooctano.

13. El aparato según la reivindicación 7 en el que 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.

14. El aparato según la reivindicación 7 en el que 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.

Figura 1

Figura 3

Figura 4

Figura 5 Figura 6 Figura 7