Teoría de fotones
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TEMA 3: APLICACIÓN DE LAS RADIACIONES Y LAS ONDAS EN RADIOTERAPIA E IMAGEN PARA EL DIAGNÓSTICO
1. RADIACIONES IONIZANTES:
Tras el descubrimiento de los rayos X por Roentgen en 1985 y descubrimiento de la radioactividad por Becquerel en 1896, las radiaciones ionizantes han sido utilizadas en medicina por presentar algunas carácterísticas especiales que las hacen muy útiles en terapia y en el diagnóstico:
- Capacidad para atravesar grandes espesores de tejido biológico
- Producir efectos biológicos como la muerte celular
1.1. APLICADORES EN RADIOTERAPIA:
Los rayos X producían las radiaciones en forma de eritemas y ulceraciones, por lo que de aquí surgíó la idea de usarlos en el tratamiento de lesiones cancerosas. Solo unos meses separan el descubrimiento de los rayos X , su empleo en diagnóstico y los primeros tratamientos en radioterapia.
El objetivo de la radioterapia es proporcionar la dosis de radiación necesaria en los tejidos que se van a tratar sin exceder la tolerancia de los órganos sanos circulantes, es decir, tratar la enfermedad sin provocar efectos secundarios que perjudiquen en la vida del paciente.
Los rayos X fueron las primeras radiaciones ionizantes descubiertas pero no las únicas que se utilizan en radioterapia, también se utilizan la radiación gamma y los haces de hadrones (hadronterapia) de protones e iones pesados.
Se distinguen 2 tipos de radioterapia según la localización de la fuentes de radiación con respecto al paciente:
- LA TELETERAPIA: consiste en el tratamiento del paciente con fuentes de radiación externas a él ( se puede llamar radioterapia de haces externos , EBRT). Es el caso de: los tubos de rayos X de ortovoltaje o los de terapia superficial, los aceleradores lineales y la unidad de cobaltoterapia y cesioterapia
- LA BRAQUITERAPIA:
utiliza fuentes encapsuladas colocadas sobre la superficie del paciente ( braquiterapia de piel
), entre los tejidos ( braquiterapia intersticial
) o en el interior de cavidades naturales (braquiterapia endocavitaria
)
Otro modo de administrar la radioterapia es la radioterapia intraoperatoria, que se utiliza durante la intervención quirúrgica del paciente. Esta técnica expone el interior de dicho paciente a la radiación generada fuera de éste, o bien permite la inserción de una fuente radiactiva o de un generador de radiaciones en unas condiciones que no se podrían alcanzar en una aplicación de braquiterapia intersticial o intracavitaria.
En la radioterapia intraoperatoria los aparatos se encuentran dentro de los quirófanos y sirven para tratar los tumores en el mismo acto quirúrgico en el que son extirpados, permitiendo tratar cualquier lecho tumoral y dejar "excluidos" los tejidos sanos de la zona a tratar.
A) RADIOTERAPIA DE HACES EXTERNOS ( TELETERAPIA):
En general se puede afirmar que para un tipo determinado de radiación la profundidad de tratamiento aumenta al aumentar la energía de la radiación. Esto significa que los fotones de RX de 10 MeV son más penetrantes que los de 10 KeV. Sin embargo, esta afirmación no es válida al comparar distintos tipos de radiación.
Las radiaciones ionizantes utilizadas en EBRT son principalmente fotones de rayos X procedentes de tubos de RX o aceleraciones lineales, fotones de rayos gamma y procedentes de fuentes radiactivas y electrones generados en aceleraciones lineales.
los equipos de terapia superficial o semiprofunda son tubos de rayos X de hasta 500 kV, mientras que para tratamientos de tumores profundos se utilizan los rayos X de megavoltaje.
- EQUIPOS DE TERAPIA SUPERFICIAL Y SEMIPROFUNDA: son utilizadas para irradiar lesiones de la piel o cercanas a ella. Generadores de radiación que tienen su componente principal en un tubo de rayos X capaz de utilizar potenciales eléctricos hasta 500 kV.
Los equipos de potenciales más altos corresponden a aquellos que serán utilizados para terapia más profunda que los de kilovoltaje más bajo. Así, estos equipos se clasifican generalmente en:
- EQUIPOS DE TERAPIA DE CONTACTO: potenciales eléctricos de hasta 50 kV. Trabajan a distancia foco-supeficie de unos pocos cm del tratamiento y centrado se realiza mediante conos o aplicadores.
- EQUIPOS DE BAJA ENERGÍA O DE TERAPIA SUPERFICIAL: potenciales entre 50kV - 150kV. Distancia de trabajo de pocos cm y utiliza conos y aplicadores . Los equipos de contacto y superficial pueden realizar tratamientos hasta algunos mm de profundidad en el paciente.
- EQUIPOS DE ENERGÍA MEDIA U ORTOVOLTAJE: potenciales de hasta unos 500kV. La distancia foco superficie es de unos 50 cm, y puede o no utilizar aplicadores. Estos equipos pueden recibir el nombre de terapia semiprofunda (profundidad puede llegar a 2 o 3 cm).
Para tratamientos de EBRT a mayores profundidades, los generadores de radiación deben emitir rayos X o gamma de muy alta energía, de orden de MeV. Dos tipos de equipos son capaces de llegar a estas energías:
- ACELERADORES LINEALES: Son aparatos capaces de generar haces de rayos X y de energías muy altas, del orden de MeV. A estas energías es posible tratar lesiones muy profundas. Permiten realizar múltiples haces con ángulos de incidencia diferentes técnicas personalizadas que tienen como resultado una distribución de la radiación en el paciente muy circunscrita a los tumores. Es el dispositivo que se usa con mayor frecuencia para radioterapia de haz externo a enfermos con cáncer. Los aceleradores lineales funcionan de un modo parecido a los tubos de los rayos X: aceleran electrones a altas energías para hacerlos chocar contra un blanco donde generarán la radiación de tipo electromagnética. Los aceleradores no utilizan un kilovoltaje para llevar los electrones o energía de megavoltios sino que los aceleran mediante microondas, que son un tipo de ondas electromagnéticas.
- EQUIPOS DE COBALTOTERAPIA: consisten en una carcasa que contiene una fuente encapsulada radiactiva de 60Co. Esta fuente tiene forma de pastilla cilíndrica y emite radiación y de energía media 1,25 MeV. Para realizar el tratamiento, la pastilla se desplaza mediante un mecanismo neumático o eléctrico hasta una abertura que apunta al paciente, o un dispositivo simple de apertura y cierre .
- EQUIPOS DE TERAPIA CON PROTONES E IONES PESADOS: alto conste de sus instalaciones. Estas partículas adquieren altas energías mediante unos equipos llamados ciclotrones o sincrotrones, que las llevan a energías de 70 a 250 MeV. Las principales ventajas de los iones pesados y los protones son debidas a su carga eléctrica, y a su gran masa por dos motivos especialmente:
-son difíciles de desviar en las interacciones con los medios materiales
º - prestan la propiedad de penetrar hasta una profundidad bien determinada. Las partículas se desaceleran poco a poco en su recorrido, depositando una pequeña cantidad de energía hasta frenan por completo y entonces se produce un depósito de energía más alto y muy localizado. Ese máximo es conocido como pico de Bragg. A partir de esta profundidad, la dosis absorbida se reduce prácticamente a cero en una caída muy rápida, por lo que los tejidos previos al volumen blanco son poco irradiados y los situados a continuación del volumen a tratar no reciben apenas nada de radiación de salida.
B) BRAQUITERAPIA (BOT):
utiliza fuentes radiactivas encapsuladas para irradiar los tejidos que están en contacto o muy próximos a ellas. La principal consecuencia es que las fuentes deben estar colocadas en contacto con el tumor que se vaya a tratar ya sea por aplicación directa sobre él, mediante un aplicador, o en un acto quirúrgico. Así se distinguen tres tipos principales de braquiterapia:
- BRAQUITERAPIA SUPERFICIAL O DE PIEL: las fuentes se colocan encima de la superficie corporal mediante aplicadores estándar o bien con moldes personalizadas.
- BRAQUITERAPIA INTRA O ENDOCAVITARIA: las fuentes se introducen mediante un aplicador en alguna cavidad natural del paciente. Ejs: Braquiterapia ginecológica (Aplicadores vaginales como cilindros o anillos), la intrarrectal o la endobronquial.
- BRAQUITERAPIA INTERSTICIAL:
Se produce al colocar tubos aplicadores huecos mediante un acto quirúrgico en la regíón de interés
Mediante estos aplicadores se introduce la fuente radiactiva en la zona a tratar. En el caso de los tratamientos de mama, cavidad oral, etc. Un caso particular de este tipo de braquiterapia consiste en la introducción de fuentes radiactivas permanentes, llamadas también semillas. Es el caso de la braquiterapia de próstata con semillas. Se realiza mediante inserción de tubos plomados radiactivos.
En estos aparatos, el médico coloca los aplicadores al paciente y estos se conectan al equipo mediante tubos de transferencia. En el momento del tratamiento, el personal sale de la sala, apropiadamente blindada, y la fuente radiactiva se coloca en el interior de los aplicadores automáticamente. Estos equipos se llaman de carga diferida o afterloading (AFLD).
Existen 3 tipos de braquiterapia según la dosis en la que trabajan:
- EQUIPOS DE ALTA TASA O HDR: fuentes que liberan un alto nivel de radiación. Diversas sesiones (de 2 a 5) separadas entre sí por una semana de unos pocos min de duración (no pasa la noche en el hospital).
- EQUIPOS DE BAJA TASA O LDR: fuentes que liberan un bajo nivel de radiación. Paciente ingresado ya que la duración supera las 24h (las fuentes deben permanecer junto a la lesión durante un tiempo prolongado para alcanzar la dosis total de radiación).
- EQUIPOS DE TASA PULSADA O PDR: fuentes de alta tasa, que alternan minutos de tratamiento con pausas para que el efecto biológico sea parecido al de una baja tasa.
1.2. APLICADORES DE LAS RADIACIONES IONIZANTES EN DIAGNÓSTICO:
Desde el descubrimiento de los rayos X demostraron ya su capacidad de atravesar la materia y proporcionar imágenes de la anatomía interna. A partir de los estudios de HEVESY EN 1932, se descubríó que los isótopos radiactivos tenían la capacidad de ser absorbidos por los diferentes tejidos y así proporcionar imágenes anatómicas o funcionales. En 1956 cuando Hanger inventó la gammacámara y revoluciónó el mundo de las imágenes diagnósticas en medicina nuclear.
A) HACES DE RAYOS EXTERNOS EN DIAGNÓSTICO:Las imágenes obtenidas mediante rayos X pueden ser de 2 tipos :
A) HACES DE RAYOS EXTERNOS EN DIAGNÓSTICO:Las imágenes obtenidas mediante rayos X pueden ser de 2 tipos :
- RADIOLOGÍA: las imágenes obtenidas son imágenes planas, perdiendo la información sobre la profundidad y corresponden a un único haz que atraviese al paciente e incide en el detector. La radiología convencional es utilizada en múltiples aplicaciones diagnósticas.
Los equipos, tubos de rayos X y kilovoltajes empleados son específicos para cada tipo de exploración
- TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA.
B) ISÓTOPOS RADIACTIVOS EN DIAGNÓSTICO:
Se utilizan en los servicios de medicina nuclear para obtener imágenes de diagnóstico a partir de la absorción selectiva de los diferentes isótopos por los distintos órganos o por tejidos patológicos.
Los radioisótopos son inyectados al paciente o ingeridos por él según la presentación, tipo de núclido, forma de absorción y tiempo de absorción necesario. En todo caso el paciente incorpora el isótopo, que es distribuido
Por su cuerpo por la vía sanguínea, siendo absorbido principalmente en las zonas o diagnosticar
El isótopo ha sido absorbido, se introduce al paciente en el equipo captador de imágenes, llamado gammacámara
Ausencia de un tubo de RX y el tipo de detectores, que en este caso son más grandes y más lentos por la baja
Cantidad de radiación que hay que detectar
Las pruebas radiológicas realizadas por este procedimiento se llaman gammagrafías, y no se utilizan en el caso de patologías tumorales sino también en un gran número de exploraciones de enfermedades benignas, como hipertiroidismos, procesos inflamatorios.
Después de los exáMenes, los pacientes eliminan el radioisótopo por dos vías principales:
la desintegración radiactivay la eliminación por los fluidoscorporales, especialmente la orina.2. APLICACIÓN DE LAS RADIACIONES NO IONIZANTES Y ONDAS
2.1. RADIOTERAPIA:
Las radiaciones no ionizantes tienen dos aplicaciones principales en radioterapia relacionadas con la obtención de imágenes: laasistencia al contorneo de volúMenes blanco en tejidos blandos que no pueden ser bien definidos con los TC de simulación, y la localización en tiempo real de zonas a tratar en el momento del tratamiento, la llamada Radioterapia Guiada por Imagen.
Una aplicación indirecta en radioterapia de las ondas electromagnéticas de frecuencias del orden de 3 GHz consiste en su capacidad para acelerar los electrones en un acelerador lineal. Estas microondas no son utilizadas para tratar a los pacientes aunque son de una importancia primordial en los equipos de radioterapia.
A) ASISTENCIA AL CONTONEO DE VOLÚMenes EN BLANCO:
Las imágenes diagnósticas obtenidas con radiaciones no ionizantes, como en el caso de la RM y los ultrasonidos, proporcionan información morfológica de los tejidos blandos que no están al alcance de la imagen tomográfica utilizada para la simulación virtual de los tratamientos en radioterapia.
Las imágenes de RM son utilizadas para la delineación de tumores en múltiples tejidos blandos. Para incrementar la precisión en la localización, es muy útil que las posiciones del paciente al realizarse la resonancia y al hacerse la TC de simulación sean iguales o lo más parecidas posibles. Si esta condición se cumple, los programas informáticos para simulación virtual permiten la fusión de las dos imágenes para facilitar el contorneo de volúMenes.
En el caso de las imágenes ecográficas la fusión no es posible. En este caso, el radioterapeuta debe comparar visualmente las estructuras anatómicas del TC para localizar cualitativamente las regiones anatómicas
B) IMAGEN DE TRATAMIENTOS EN TIEMPO REAL:
consiste en la obtención de imágenes de la anatomía del paciente en tiempo real mediante la resonancia magnética y los ultrasonidos. Los equipos de ultrasonidos utilizados producen imágenes 3D. Actualmente se utilizan en terapia de radiación de haz externo en próstata, ginecología y mama.
En braquiterapia el uso de los equipos de ultrasonidos es imprescindible para la implantación de semillas radiactivas en tiempo real, pues permite el cálculo de la dosis y correcciones en la posición de las fuentes en caso de que sea necesario. Estas técnicas en que los implantes de fuentes o catéteres se hacen con imagen de ultrasonidos son útiles también en braquierapia ginecológica recibiendo el nombre de braquiterapia guiada por imagen o IGBT.
En el caso de la RM, la dificultad tecnológica de obtener campos magnéticos intensos y uniformes en presencia de los componentes del acelerador lineal hacen que en la actualidad su uso en radioterapia para el estudio en tiempo real esté aún en desarrollo, innovadora y muy prometedora.
2.2. APLICADORES EN DIAGNÓSTICO POR IMAGEN:
Radiaciones no ionizantes en diagnóstico por imagen son la RM y los ultrasonidos (US)
Existen otras radiaciones no ionizantes con aplicaciones en diagnóstico por imagen. En el caso de las ondas electromagnéticas, los rayos infrarrojos son utilizados en termografía, una técnica de imagen que permite ver las diferentes temperaturas de la superficie corporal.Tampoco debe olvidarse el uso del diagnóstico de una radiación electromagnética que es la principal generadora de imágenes para el ojo humano: la luz visible. Sin embargo, generalmente no se la considera como una herramienta de diagnóstico por la imagen aunque sea realmente la principal.
Un tercer tipo de radiación no ionizante utilizado en radioterapia para localización del tratamiento en tiempo real son los rayos infrarrojos (IR).
Estas referencias son un gran valor en radioterapia de tumores pulmonares o abdominales, en los que el movimiento de los órganos puede producir desplazamientos importantes de los volúMenes a tratar y de los órganos de riesgo. El ‘’gating’’ respiratorio es un proceso para el seguimiento de una forma continua del movimiento de los tumores durante la respiración normal.