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Fisica de la Oncología Comprender la forma reaccionan los distintos materiales que se emplean en la practica profesional. Objetivos: www.gphysics.net –

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Presentación del tema: "Fisica de la Oncología Comprender la forma reaccionan los distintos materiales que se emplean en la practica profesional. Objetivos: www.gphysics.net –"— Transcripción de la presentación:

1 Fisica de la Oncología Comprender la forma reaccionan los distintos materiales que se emplean en la practica profesional. Objetivos: www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Dr. Willy H. Gerber Instituto de Fisica Universidad Austral Valdivia, Chile

2 Origen y Método 2 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Origen y Método

3 Cáncer: Causa 3 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Heredado Radiación Químicos Virus Cromosomas y ADN Daño

4 Cáncer: Mecanismo 4 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Multiplicación normal Celda con defecto Alternativa: suicidio Alternativa: multiplicación Primera mutilación Segunda mutilación Tercera mutilación Cuarta mutilación Multiplicación descontrolada

5 Cáncer: Desarrollo 5 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Inicio Multiplicación Distribución y proliferación en nueva localización

6 Método de combate IMRT: destruir célula 6 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 IMRT = Radioterapia de intensidad modulada Problema: maximizar celdas cancerígenas minimizar celdas sanas

7 Mecanismo de daño de Células 7 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 + O 2 para fijar el daño R + O 2 RO Fotón Acción directa Acción indirecta (dominante en radiación X)

8 Paréntesis matemático: probabilidades 8 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Probabilidad de un evento p = Casos favorables Casos posibles p 1 = 1616 p 6x6 = 1 36

9 Ciclo de la Célula y probabilidad de dañarla 9 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Replicación de ADN Preparación Para división División (mitosis) Crecimiento Probabilidad de sobrevivencia Momento de radiación [fracción del periodo] Probabilidad por dosis División de la celda alta baja

10 Sincronización de la irradiación 10 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Primera irradiación Segunda irradiación (en el periodo de reproducción de las celdas – aprox. 24 horas) Posición en el ciclo Grupos de Células Periodo de celdas sanas y cancerígenas es distinto. Celdas sanas bombardeas en forma sincrónica Celdas cancerígenas en forma asincrónica.

11 Método de combate: destruir célula – modelo cuadrático 11 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 P(n,d) = e -n( αd + βd 2 ) D = nd -( αD + βD 2 /n) Probabilidad de sobrevivencia Total de Dosis Absorbida (D) n = 1 n = 10 n = 20 Probabilidad total P(n,D) = e Efecto biológico BED: BED = (1 + ) βDαnβDαn

12 Método de combate: destruir célula – modelo cuadrático 12 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 P(n,D) = e -(αD+ βD 2 /n) αDαD βD 2 /n

13 Método de combate: destruir célula – modelo cuadrático 13 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Probabilidad de sobrevivencia Total de Dosis Absorbida (D) Caso α/β = 5.. 20 Gy células tumor Caso α/β = 1.. 4 Gy células normales Oportunidad (diferente reacción) y problema (tumor menos sensible)

14 Simulador de daño a células 14 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

15 Ejercicio: Numero de sesiones 15 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Varíe el numero de sesiones sin cambiar la dosis (ej. de 10 a 20): Que sucede? Porque?

16 Ejercicio: Dosis total 16 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Varíe la dosis total manteniendo el numero de sesiones (ej. de 35Gy a 70Gy): Que sucede? Porque?

17 Ejercicio: Efecto de α/β 17 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Compare las curvas azul ( α=0.2, β=1.0 ) y roja ( α=0.2, β=12.5 ) Que sucede? Porque? Nota: se volvió a los datos originales de Numero de sesiones y Dosis total.

18 Ejercicio: Simulación de un tratamiento 18 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Inicie la simulación y observe su desarrollo (azul normal, rojo cáncer) Población relativa en función del tiempo Distribución en el Ciclo de la célula Fracción con cáncer

19 Ejercicio: Simulación de un tratamiento 19 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Observe como crece durante el ciclo y decrece en cada tratamiento la respectiva población de células. Tratamiento Multiplicación

20 Ejercicio: Simulación de un tratamiento 20 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Mitosis Primer tratamiento Segundo tratamiento sincronismo asincrónico

21 Equipamiento 21 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Equipamiento Rayos X y Acelerador Lineal (LINAC)

22 IMRT: acelerador lineal 22 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 γ β β Acelerador e Gene- rador γ Colim- ador Generación e Daño ADN

23 Aceleradores de electrones 23 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Guía de Ondas Tubo de rayos X Bajas energías Altas energías Solo Filamento Filamento + Guía de Ondas para acelerar ν = 3×10 16 Hz a 3×10 19 Hz λ = 1 ×10 -8 m a 1×10 -11 m E = 0.125 keV a 0.125 MeV ν = 9.7 ×10 20 Hz a 6.0×10 21 Hz λ = 3.1 ×10 -13 m a 5.0×10 -14 m E = 4 keV a 25 MeV

24 Radiación característica 24 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Rayos X Haz de electrones Filamento cátodo Ánodo que rota Blanco (ej. Tungsteno) Rotor Estator IFIF AC V IAIA

25 Linac 25 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Guía de ondas Filamento Haz de electrones Imán Blanco (fierro) Colimador Rayos γ Guía de ondas Oscilación: 2.856 GHz Voltaje aplicado oscila entre -150V y +180V

26 Emisión de electrones 26 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Nivel del vacio Función de trabajo Energía de Fermi N(E) electrones con la energía E Energía mínima Filamento

27 Emisión de Electrones desde el Filamento 27 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Corriente en tubo No saturado Saturado T1T1 T2T2 T3T3 Voltaje Ánodo Richardson-Dushman Child-Langmuir Law (1- γ) E c = V/d

28 Radiación característica 28 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20kV 40kV 80kV 0.0 0.5 1.0 1.5 Corriente en filamento Corriente en tubo 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Corriente en tubo No saturado Saturado T1T1 T2T2 T3T3 Voltaje Ánodo

29 Radiación característica 29 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Filamento Sección del haz Diámetro Corriente Potencia del Ánodo/ Distancia

30 Equipamiento 30 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Generación de rayos γ

31 Scattering 31 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 α β γ n

32 e Scattering: Bremsstrahlung 32 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Energía continua desde 0 hasta toda la energía cinética Espectro blanco I w = A i Z V 2 E I

33 e Scattering: Radiación característica 33 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Orbital K Orbital L Orbital M Núcleo KαKα LαLα KβKβ I k = B i (V - V k ) 1.5 E I

34 Espectro de Rayos X 34 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 E I λ I E max λ min λ min = hc E max λ = hc E

35 Espectro de Rayos X – filtro de salida 35 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 1 0 Factor Largo de Onda/Frecuencia/Energía

36 Espectro de Rayos X 36 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 E I λ I E max λ min λ min = hc E max λ = hc E

37 Simulación – Seteo del acelerador 37 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

38 Espectro de Rayos X 38 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Radiación continua (Bremsstrahlung) Radiación característica Intensidad (valor relativo) Largo de onda ( Å ) λ min (Å)=12.39/V o (kV)

39 Geometría 39 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Geometría

40 Análisis de componentes 40 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

41 Perfil de Haz 41 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Cada haz cubre un área y tienen un perfil I(x) x Medida de lo plano: Con I max, I min en la zona de mas de 80% del máximo: F = 100 I max I min I max + I min

42 Numero y dirección de los haces 42 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Numero de haces Dirección Distancia (foco virtual) Perfil para cada haz Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3

43 Numero y dirección de los haces 43 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Se debe diseñar el perfil que se desea irradiar Tumor Area de seguridad

44 Numero y dirección de los haces 44 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Angulo Ancho Foco Perfil I(x)

45 Dosis 45 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Calculo de Dosis

46 Scattering 46 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 α β γ n

47 Scattering γ : Rayleigh (scattering coherente) 47 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 No genera electrones

48 Scattering γ : Compton (scattering incoherente) 48 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Genera electrones

49 Scattering γ : Efecto fotoeléctrico 49 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 FotonesElectrones Genera electrones

50 Scattering γ : Producción de pares 50 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Campo de Núcleo Electron e - Positron e + Campo de un electrón Electron e - Positron e + Genera electrones

51 Absorción 51 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Atenuación [cm2/g] Energía [MeV] Scattering coherente Scattering incoherente Absorción fotoeléctrica Producción de pares (Núcleo) Producción de pares (Electrones) Total Generación de electrones

52 Modelo general de calculo de dosis 52 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Materiales de diferente coeficiente de absorción Creación de fotones Secundarios (aplicación del mismo modelo) Perdida de energía por generación de electrones Generación de electrones Fotones

53 Calculo de primer orden 53 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Suposición: 1.el desplazamiento de los electrones puede ser despreciado o sea el fotón deposita su energía a lo largo de su trayectoria 2.Solo se considera la perdida de energía por efecto de fotones secundarios pero no su contribución en la dosis Como la ruta es rectilínea (como un lápiz) se habla del método Pencil Beam El proceso de calculo es muy expedito y rápido. La calidad del resultado no es demasiado buena (segundos)

54 Calculo de segundo orden 54 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Suposición: 1.Se modela la generación de electrones y como estos distribuyen la energía. Sin embargo se toma como una función estadística y no necesariamente se modela el cambio en el medio 2.Solo se considera la perdida de energía por efecto de fotones secundarios pero no su contribución en la dosis Como el calculo de la contribución de los electrones se lleva a cabo con una integración sobre una función (convolución) se habla del método Convolución Según la complejidad de la función se puede tratar de un proceso de calculo lento o rápido. La calidad es proporcional al tiempo de calculo (segundos a horas)

55 Calculo de orden superior 55 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Suposición: 1.Se modela un gran numero de fotones y como en su caso particular se comportaron (desviación, generación de electrones, trayecto del electrón, etc.) 2.Se trabaja ya sea con trayectos individuales o concentraciones y teoría de transporte. En el caso de trayectorias individuales se usa la generación random también llamada de Monte Carlo En el caso de calculo de transporte se habla del Método Boltzmann La precisión es alta pero también los recursos de calculo como el tiempo son extremos (24 horas o mas según el equipo)

56 Simulador de dosis 56 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

57 Simulador de dosis 57 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

58 Resumen 58 www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08 Mecanismo usado: dañar cadena AND en células Equipamiento mayormente empleado: aceleradores de electrones que al impactar blanco genera rayos gama. Vía colimadores se puede controlar la forma de cada rayo, se busca minimizar el área sana impactada y concentrar en la zona de riesgo Existen varios métodos de calculo con un problema que calculo de calidad requiere de mucho (horas, días) de tiempo.

59 Contacto Dr. Willy H. Gerber wgerber@gphysics.net Instituto de Fisica Universidad Austral de Chile Campus Isla Teja Casilla 567, Valdivia, Chile www.gphysics.net – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08


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