OIEA Material de Entrenamiento en Protecci ón Radiológica en Radioterapia PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA

Parte 2

Física de las Radiaciones

Conferencia 2: Dosimetría y Equipos

IAEA International Atomic Energy Agency

Fundamentos

La dosis de radiación que se entrega al tejido blanco y sus zonas adyacentes es uno de los principales medios para predecir el resultado del tratamiento de radioterapia (comparar con la parte 3 del curso).

Generalmente se asume que la dosis ha de ser administrada con precisión, en el rango de +/-5% de la dosis prescrita, para garantizar se cumplan los objetivos del tratamiento.

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Objetivos

   Comprender la importancia de las dosis y la dosimetría de las radiaciones en radioterapia Poder explicar la diferencia entre dosimetría absoluta y relativa Poder debatir sobre las características de los dosímetros más empleados en radioterapia: cámaras de ionización, semiconductores, dosímetros termoluminiscentes (TLD) y fílmico.

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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 3

Contenido de la Conferencia 2

1.

2.

3.

Dosimetría absoluta y relativa El ambiente dosimétrico: maniquíes Técnicas dosimétricas • • Fundamentos físicos Clases practicas

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1. Dosimetría absoluta y relativa

•

Dosimetría absoluta

es una técnica que registra la información sobre la dosis absorbida directamente en Gy. Esta medición dosimétrica absoluta también se denomina calibración. Todas las mediciones ulteriores se comparan entonces con esta dosis conocida en condiciones de referencia. Esto significa … •

Realización de dosimetría relativa

. En general en la dosimetría relativa no se requiere el empleo de coeficientes de conversión o de factores de corrección puesto que consiste solo en la comparación de dos lecturas de dosímetro, una de las cuales es la efectuada en condiciones de referencia

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Dosimetría absoluta

• • • • Se requiere para cada calidad de la radiación una vez Determinación de dosis absorbida (en Gy) en un punto de referencia en un maniquí Geometría bien definida (ejemplo para un acelerador lineal: mediciones en agua, DFS a 100cm, dimensión de campo 10  10cm 2 , profundidad 10cm Seguimiento de protocolos (compare con parte 10)

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Dosimetría absoluta

• • • • Se requiere para cada calidad de la radiación una vez Determinación de dosis absorbida (en Gy) en un punto de referencia en un maniquí Geometría bien definida (ejemplo para un acelerador lineal: mediciones en agua, FSD a 100cm, dimensión de campo 10  10cm 2 , profundidad 10cm Seguimiento de protocolos (compare con parte 10)

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Pregunta rápida

Una dosis de 1Gy entrega una enorme cantidad de energía al paciente – ¿es cierto o falso?

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Respuesta

FALSO – 1Gy = 1J/kg. La entrega de esta cantidad de energía elevaría la temperatura del tejido en menos de 0.001

o C. Inclusive para una persona de 100kg representa mucho menos de la energía incorporada de un tazón de desayuno con leche, cereales, o nueces – por favor, nótese que la cantidad de energía en los alimentos por lo general se especifica en su paquete.

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Dosimetría relativa

• • Correlaciona la dosis bajo condiciones de no-referencia con la dosis bajo condiciones de referencia Por lo general se requieren al menos dos mediciones: – Una en condiciones en que la dosis se ha de determinar – Y otra en condiciones en que la dosis es conocida

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Ejemplos de dosimetría relativa

• Caracterización del haz de radiación – Porciento de dosis en profundidad, relación tejido máximo o similares – Perfiles • Determinación de los factores que influyen en el rendimiento – Factores de campo, factores del aplicador – Factores del filtro, factores de la cuña – Factores específicos del paciente (ej. bloqueadores de electrones)

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Medición del porciento de dosis en profundidad

• • Variación de la dosis en el medio (generalmente agua) con la profundidad Incluye componentes de atenuación y de la ley del cuadrado inverso

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Porciento de dosis en profundidad

Correlaciona la dosis a diferentes profundidades en agua (o en el paciente) con la dosis a la profundidad del máximo de dosis – nótese que el eje ‘y’ es ¡relativo!!!

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TAR, TMR, TPR

• •

Dosimetría relativa para la geometría del tratamiento isocéntrico (comparar con la parte 5) Todo se puede convertir a porciento de dosis en profundidad

– TAR = cociente de la dosis en el maniquí, con x cm de espesor de tejido, y de la dosis en el mismo punto, pero en aire – TMR = cociente de la dosis, con x cm de espesor de tejido, y de la dosis correspondiente a su valor máximo (posición fija del detector) – TPR como TMR pero formando un cociente con la dosis en un punto de referencia (ej. 10cm de espesor de tejido)

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TMR, TPR

• • Simula las condiciones isocentricas TMR es un caso especial de TPR donde la profundidad en el maniquí de referencia es la profundidad correspondiente a la dosis máxima

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PDD y TMR

El porciento de dosis en profundidad (PDD) varía con la distancia del paciente a la fuente debido a variaciones en la ley del cuadrado inverso (ISL); TAR, TMR y TPR no varían.

Fuerte dependencia ISL

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Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos Débil dependencia ISL 16

Factores del rendimiento

Comparar la dosis con la dosis en condiciones de referencia • • • • • Diferentes dimensiones de campo Factor de cuña Factor de bandeja Factor de aplicador Factor de bloqueador de electrones

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Ejemplo: factor de cuña

Dosis bajo condiciones de referencia Puede también involucrar diferentes dimensiones de campo y/o diferentes profundidades del detector en el maniquí

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Pregunta rápida

¿La medición del espesor de semirreducción o capa hemirreductora para la determinación de la calidad de los rayos X es dosimetría absoluta o relativa?

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Respuesta

Dosimetría relativa: • Relacionamos la dosis con diferentes filtros de cobre o aluminio en el haz con la dosis sin filtros para determinar qué espesor de filtro atenúa el haz a la mitad de su intensidad original • El resultado es independiente de la dosis real dada – podemos medir por 10s o 20s o 60s cada vez, mientras garanticemos que la irradiación es idéntica para todas las mediciones.

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2. El ambiente dosimétrico

Maniquíes • Un maniquí representa las propiedades del paciente ante la radiación y permite la introducción de un detector de radiación dentro de este ambiente, tarea que sería difícil en un paciente real. • Un ejemplo muy importante es el maniquí de agua rastreador.

• De forma alternativa, el maniquí puede estar hecho de láminas de material simulador del tejido o incluso ser conformado como un cuerpo humano (antropomorfo).

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Maniquí de agua rastreador

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Maniquíes de láminas

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Materiales tejido equivalentes

• Muchos materiales fabricados con ese propósito, como el agua sólida (diapositiva anterior), el agua blanca, el agua plástica, … • Poliestireno (bueno para haces de megavoltaje, no apropiado para fotones de baja energía) • ‘Perspex’ (otras denominaciones: ‘PMMA’, ‘Plexiglas’) – composición tejido equivalente, pero con mayor densidad física – se necesita aplicar una corrección.

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Maniquí antropomorfo

Maniquí de cuerpo completo: ART

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Permite la colocación de detectores de radiación en el maniquí (aquí se muestran los TLDs)

Incluye heterogeneidades

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Maniquí RANDO

torso Sección de pulmón para CT

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Cabeza con orificios para TLD Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 27

Maniquí pediátrico

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Algunas observaciones respecto a los maniquíes

• • • Es esencial que sean probados antes de usarse – Mediciones físicas - peso, dimensiones – Mediciones de radiación – escaneado CT, verificaciones de atenuación Se pueden emplear también alternativas más baratas – Cera para conformar maniquíes humanoides – Corcho como equivalente del pulmón Son de utilidad mientras sean conocidas sus propiedades y limitaciones

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3. Efectos y dosimetría de las radiaciones Efecto de la radiación Ionización en gases Ionización en líquidos Ionización en sólidos Luminiscencia Fluorescencia Transiciones químicas Calor Efectos biológicos Método dosimétrico: Cámara de ionización Cámara de ionización llena de líquido Semiconductores Dosimetría por termoluminiscencia

• • •

Detectores de centelleo Placa radiográfica Dosimetría química Dosimetría NMR

• •

Calorimetría Eritema Daño cromosómico IAEA

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Principios de la detección de las radiaciones

• • • • • Cámara de ionización Contador Geiger Muller Dosimetría por termoluminiscencia Fílmico Semiconductores

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Detección de la ionización en aire

Cámara de Ionización

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Adaptado de Collins 2001 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 32

Detección de la ionización en aire

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Adaptado de Metcalfe 1998 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 33

Ionometría

• • •

Cámara de Ionización

200-400V Mide exposición, la cual puede ser convertida a dosis no muy sensible • • • •

Contador Geiger

>700V Contabiliza todo evento de ionización Contador de eventos, no un dosímetro muy sensible

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Cámaras de Ionización

Cámara de 600cc Cámaras de tipo dedal

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Sección transversal de una cámara tipo Farmer (de Metcalfe 1996) IAEA

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Cámaras de ionización

• • Cámara Farmer de 0.6 cc con electrómetro La cámara más importante de la dosimetría en radioterapia

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Electrómetro

Desde la cámara

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Cámaras de ionización

• • Volumen relativamente grande para una señal pequeña (1Gy produce aproximadamente 36nC en 1cc de aire) Para mejorar la resolución espacial al menos en una dimensión, se emplean cámaras del tipo de plano-paralelas.

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Cámaras plano-paralelas

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De Metcalfe et al 1996 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 40

Cámaras de ionización plano-paralelas

• Se emplean para – – Rayos X de baja energía (< 60 KV) Electrones de cualquier energía pero considerado el método preferido para energías < 10 MeV, y esencial para energías < 5 MeV • Existen muchos tipos disponibles de diferentes materiales y dimensiones • Por lo general se vende en correspondencia con un maniquí de láminas apropiado

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Cámaras de Ionización plano paralelas - ejemplos

• •

Cámara Markus

Pequeña Diseñada para electrones • •

Cámara Holt

Robusta Embebida en una lámina de poliestireno

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Cámara de ionización tipo pozo

Para la calibración de fuentes de braquiterapia Fuente de braquiterapia

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Medidores de tasa de dosis de tipo cámara de ionización

• No tan sensibles como los equipos G-M pero no resultan afectados por los haces pulsantes tal como ocurre con los aceleradores.

• Debido a lo anterior, este es el tipo de equipo preferido en los aceleradores de alta energía de radioterapia

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Contador Geiger-Mueller

• No es un dosímetro – solo un contador de eventos de irradiación • • Muy sensible Ligero y conveniente para su uso • Apropiado para miniaturización

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Equipos Geiger-Mueller (G-M)

• Útil para – Monitoreo de área – Monitoreo de local – Monitoreo del personal • Se requiere cuidado en zonas de alta tasa de dosis o haces pulsantes puesto que la lectura puede ser imprecisa

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Dosimetría por termoluminiscencia (TLD)

• • • • Pequeños cristales Muchos materiales diferentes Dosímetro pasivo – no requiere cables Amplio rango dosimétrico (  Gy a 100s de Gy) • Muchas aplicaciones diferentes

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Varios tipos de TLD

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Esquema simplificado del proceso del TLD

1 2

Banda de Conducción

radiación ionizante trampa de electrones luz visible

Banda de Valencia

CALENTAMIENTO

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Curvas de termoluminiscencia

Banda de Conducción

dE 1 dE 3 dE 2

1.5

IV and V 1.0

Banda de Valencia

TRAMPAS MÚLTIPLES

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0.5

II III I VI 0.0

0 50 100 150 temperature (oC) 200 250 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 50

Curvas termoluminiscencia

• • • • Posibilitan la investigación Constituyen poderosas herramientas de garantía de calidad ¿Se ven bien las curvas termoluminiscencia?

Se pueden utilizar en evaluaciones ulteriores Posibilitan mejorar la precisión mediante la deconvolución de la curva termoluminiscencia

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La influencia de diferentes aditivos (dopants)

Banda de Conducción Luz Banda de Valencia Impurezas Tipo 1 Impurezas Tipo 2

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Importancia del tratamiento térmico

• Determina el arreglo de las impurezas – Sensibilidad • • ...

– Desvanecimiento (fading) – Respuesta a diferentes características de la radiación Mantener estable el tratamiento térmico

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Respuesta a la dosis de LiF:Mg,Ti: amplio rango dosimétrico atención con la supralinealidad IAEA

10 4 4 10 3 about 5% supralinearity at 3Gy 10 2 3 10 1 10 0 2 10 -1 10 -2 1 10 -3 10 -4 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 dose (Gy) 10 1 10 2 10 3 0 Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 54

Variación de la respuesta del TLD según la calidad de la radiación

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2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

LiF compressed disks LiF ribbons from Ruden 76 10 100 1000 10000 effective X-ray energy (keV) Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 55

Materiales: ¡qué selección!…

• • • • • • LiF:Mg,Ti ( nivel de excelencia, máximo ) CaF 2 ( 100% natural, o con Mn, Dy or Tm ) CaSO 4 BeO Al 2 O 3 :C ( sensibilidad record  1 μGy LiF:Mg,Cu,P ( ¿la nueva estrella?

) )

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Lector de dosímetros TL

• • Basado en fotomultiplicador Provisto de plancheta y calentador de N 2

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¿Qué se puede esperar?...

• • • Reproducibilidad: una sola pastilla  (0.1Gy, 1SD) 2% Precisión (estándar de 4 pastilla , medición de 2 pastilla)  3% (0.1Gy, 95% confianza) Alrededor de 30 minutos por medición...

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Placa radiográfica

• • • • • Reducción de haluro de plata a plata Requiere procesamiento/revelado ---> problemas con la reproducibilidad Dosímetro de dos dimensiones Alta resolución espacial Alto número atómico ---> variación de la respuesta con la calidad de la radiación.

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Placa radiográfica

Por lo general preembaladas para facilitar su uso Sección transversal

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Placa: respuesta a dosis

• • • Evaluación de la placa vía densidad óptica OD = log (I 0 / I) Los densitómetros están disponibles en el mercado

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Dosimetría de placa radiográfica en la práctica

• • • Depende de una excelente GC del procesador Generalmente empleada para demostración de distribuciones de dosis Problemas con la precisión y variaciones en la respuesta según la energía de los rayos X

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Película radiocrómica

• • • • Nuevo revelado Sin procesamiento No (muy) sensible a la luz Mejor tejido equivalencia • Cara

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Dispositivos semiconductores

• • Diodos Detectores MOSFET

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Diodos para mediciones en maniquí de agua Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 64

Diodos

Mayormente usados como una fotocelda que genera un voltaje proporcional a la dosis recibida.

De Metcalfe y colaboradores 1996

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Semiconductor de óxido metálico transistor de efecto de campo

MOSFETs = volumen sensible extremadamente pequeño From Metcalfe

et al.

1996

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1. Irradiación 2. Carga portadores atrapados en el substrato de Si

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3. Se altera la corriente entre la fuente y el drenaje Parte 2. Física de las radiaciones / Conferencia 2. Dosimetría y equipos 67

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

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Diodos y otros dispositivos de estado sólido

• Ventajas – – – – Lectura directa Sensibles Pequeñas dimensiones Posible impermeabilidad al agua • Desventajas – Sensibles a la temperatura – Sensibilidad puede cambiar --> necesaria re calibración – Necesario observar procedimientos sistemáticos de QA

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Resumen de la conferencia 2

Ventajas Desventajas Empleo más generalizado Comentarios Cámaras de ionización Semi-conductores TLDs Placas

Se comprenden bien, precisas, disponibles en variedad de formas Pequeños, robustos Pequeños, no necesitan cables De dos dimensiones, facilidad de uso Grandes, requieren alto voltaje Dosimetría de referencia, escaneo del haz La técnica dosimétrica más generalizada e importante Dependencia de la temperatura Escaneo con haz, dosimetría in vivo Los recientes desarrollos (MOSFETs) pueden aumentar utilidad Lectura diferida, manipulación compleja No tejido equivalente, no muy reproducible Verificación de dosis, dosimetría in vivo Garantía de calidad, determinación de las distribuciones de dosis También empleados para intercomparaciones dosimétricas (auditorias) Los recientes desarrollos (placa radiocroma) pueden aumentar utilidad

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Resumen general: Física

• • • • En radioterapia, los electrones fotones (rayos X y rayos gamma) y constituyen los tipos de radiación más importantes La precisión en la dosis administrada es esencial para una buena practica en radioterapia La dosimetría absoluta Gray en un punto de referencia bien definido. La dosimetría relativa determina la dosis absorbida en correlaciona entonces la dosis en todos los demás puntos o la dosis bajo diferentes condiciones de irradiación con esta medición absoluta.

Se dispone de múltiples técnicas ninguna es perfecta y se requiere entrenamiento y experiencia para seleccionar la técnica más apropiada para un propósito en específico y para la interpretación de los resultados para la dosimetría –

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Dónde obtener más información

• • Físicos médicos Libros de texto:  Khan F. The physics of radiation therapy. 1994.

 Metcalfe P.; Kron T.; Hoban P. The physics of radiotherapy X rays from linear accelerators. 1997.  Cember H. Introduction to health physics. 1983  Williams J; Thwaites D. Radiotherapy Physics. 1993.

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¿Preguntas?

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Pregunta

¿Que tipo de detectores de radiación pueden resultar útiles para la dosimetría in vivo, y por qué?

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Respuesta

En radioterapia la dosis que se administra al paciente es generalmente demasiado grande para emplear placas radiográficas, las cuales además son sensibles a la luz. Las cámaras de ionización son por lo general frágiles y requieren alto voltaje, ambos aspectos no deseables cuando se trabaja con pacientes. Por tanto, los TLDs son frecuentemente empleados para dosimetría in vivo. Son pequeños, no necesitan cables para la medición; y se dispone de materiales que son virtualmente tejido equivalentes. Los TLDs se pueden complementar con diodos en caso de requerirse una lectura inmediata (= dosimetría activa). Al igual que los TLDs, los diodos son dosímetros de estado sólido y por tanto sensibles y pequeños. Los restantes dosímetros de interés en este grupo serían los MOSFETs.

Un tipo diferente de dosímetros in vivo lo constituyen los detectores de dosis a la salida en forma de imagen portal electrónica (comparar con parte 5). Estos demuestran ser muy valiosos para verificación directa.

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