Fisica de la Oncología Dr. Willy H. Gerber Instituto de Fisica

Presentación del tema: "Fisica de la Oncología Dr. Willy H. Gerber Instituto de Fisica"— Transcripción de la presentación:

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

2 Origen y Método Origen y Método
– UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

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

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

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

7 Mecanismo de daño de Células
+ O2 para “fijar” el daño R• + O2 → RO• Fotón Acción indirecta (dominante en radiación X) Fotón Acción directa – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

8 Probabilidad de un evento p =
Paréntesis matemático: probabilidades Casos favorables Casos posibles Probabilidad de un evento p = 1 36 1 6 p6x6 = p1 = – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

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

11 P(n,d) = e D = nd P(n,D) = e βD BED = (1 + ) αn
Método de combate: destruir célula – modelo cuadrático Probabilidad total n = 20 -n(αd + βd2) P(n,d) = e n = 10 D = nd Probabilidad de sobrevivencia -(αD + βD2/n) P(n,D) = e n = 1 Efecto biológico BED: βD αn BED = ( ) Total de Dosis Absorbida (D) – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

12 Método de combate: destruir célula – modelo cuadrático
-(αD+ βD2/n) P(n,D) = e αD βD2/n – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

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

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

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

17 Ejercicio: Efecto de α/β
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. – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

18 Ejercicio: Simulación de un tratamiento
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 – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

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

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

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

23 Guía de Ondas para acelerar
Aceleradores de electrones Tubo de rayos X Guía de Ondas Bajas energías Altas energías Solo Filamento Filamento + Guía de Ondas para acelerar ν = 3×1016Hz a 3×1019Hz λ = 1×10-8m a 1×10-11m E = keV a MeV ν = 9.7×1020Hz a 6.0×1021Hz λ = 3.1×10-13m a 5.0×10-14m E = 4 keV a 25 MeV – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

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

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

27 Emisión de Electrones desde el Filamento
Child-Langmuir Law 2.5 T1 No saturado 2.0 T2 T3 Richardson-Dushman 1.5 (1-γ) Corriente en tubo 1.0 Saturado 0.5 0.0 Voltaje Ánodo Ec = V/d – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

28 Radiación característica
1.5 2.5 80kV T1 No saturado 40kV 2.0 T2 1.0 T3 1.5 Corriente en tubo Corriente en tubo 1.0 0.5 20kV Saturado 0.5 0.0 0.0 Corriente en filamento Voltaje Ánodo – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

30 Generación de rayos γ Equipamiento
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31 Scattering α β γ n – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

32 e Scattering: Bremsstrahlung
Energía continua desde 0 hasta toda la energía cinética Espectro “blanco” Iw = A i Z V2 I E – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

33 e Scattering: Radiación característica
Ik = B i (V - Vk)1.5 Lα Kβ Kα I Núcleo Orbital K Orbital L E Orbital M – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

34 hc λ = E hc λmin = Emax Espectro de Rayos X I I Emax λmin E λ
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35 Espectro de Rayos X – filtro de salida
1 Factor Largo de Onda/Frecuencia/Energía – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

36 hc λ = E hc λmin = Emax Espectro de Rayos X I I Emax λmin E λ
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37 Simulación – Seteo del acelerador
– UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

38 Espectro de Rayos X λmin (Å)=12.39/Vo (kV) Radiación característica
Radiación continua (Bremsstrahlung) Intensidad (valor relativo) Largo de onda (Å) – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

39 Geometría Geometría – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

40 Análisis de componentes
– UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

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

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

44 I(x) Numero y dirección de los haces Foco Ancho Angulo Perfil
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45 Dosis Calculo de Dosis – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

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

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

49 Scattering γ: Efecto fotoeléctrico
Fotones Electrones Genera electrones – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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

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

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

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

54 Convolución Calculo de segundo orden Suposición:
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 Solo se considera la perdida de energía por efecto de fotones secundarios pero no su contribución en la dosis 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) 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 – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

55 Monte Carlo Método Boltzmann Calculo de orden superior Suposición:
Se modela un gran numero de fotones y como en su caso particular se comportaron (desviación, generación de electrones, trayecto del electrón, etc.) 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) – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

56 Simulador de dosis – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

57 Simulador de dosis – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

58 Resumen 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. – UACH-2008-Fisica-en-la-Oncologia-Versión 05.08

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