UNIVERSIDAD DE CONCEPCION
Acelerador Lineal de Electrones (Generalidades )
Integrantes: Marco Fuentes Nelson Lagos Matías Martel Juan Medina Luis Mella Rodrigo Rosales Docente: Dr. García Fecha:10 de Junio de 2011
Introducción Los aceleradores lineales han sido uno de los avances tecnológicos más innovadores, ya que poseen una variedad de funciones, las cuales son de primera categoría en relación a la radioterapia. la radioterapia se basa en el “uso de la radiación ionizante en el tratamiento de alguna patología”. Cuando se habla de radiación, tanto de uso diagnostico o de uso terapéutico, se deben considerar los beneficios que se esperan al igual que los peligros que se pueden ocasionar. Existe una complementariedad en los equipos de salud, los cuales velan por los mejores resultados para los pacientes, con el mínimo de daño posible. Para la realización de radiaciones ionizantes en el tratamiento de las diferentes patologías que existen, se recurren a diferentes equipos y fuentes radioactivas, diseñadas con el fin de obtener mejores resultados en los tratamientos de las enfermedades en los pacientes. En este pequeño resumen se mostrara uno de los equipos desarrollados para la radioterapia, el cual como ya se dijo anteriormente, es el Acelerador Lineal de Electrones.
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Desarrollo Haciendo un poco de historia, en 1940 se comenzó a construir distintos aceleradores de electrones (betatrón, ciclotrón, microtrón, acelerador lineal). Ya en 1962 se crea el primer acelerador lineal (AL) de uso clínico y completamente rotable. Hoy en día los ALms0n capaces de generar una variedad de partículas subatómicas, las cuales son las encargadas de cubrir las necesidades de la radioterapia externa. En un AL es importante saber que existe una variedad de accesorios, los cuales son el medio en el cual trabajan los AL, como los colimadores asimétricos y multiláminas, dispositivos de imagen portal, cuñas dinámicas, aplicadores para radiocirugía, etc. Debido a todo este sinnúmero de accesorios, los AL requieren de una gran preparación y mucho tiempo, tanto como para puesta en marcha así también para la garantía de calidad y el mantenimiento. A diferencia de los rayos X, los cuales poseen unos valores de aceleración limitados en cuanto a tensiones de aceleración, por lo cual produce un deterioro de los aparatos. Las tensiones alcanzadas por los rayos X de tratamiento, varían desde 100kV hasta los 500 kV. En condiciones excepcionales se ha logrado obtener una tensión de 1 MeV. Por lo cual se debió hacer un cambio en el modo de funcionamiento, para poder obtener la energía necesario en los tratamientos a mayor profundidad. Como es sabido, los electrones son atraídos fácilmente por un polo positivo (+), el cual se le nombra ánodo. Por otro lado las ondas electromagnéticas son asociaciones de un campo eléctrico y un campo magnético que vibra a la misma frecuencia. En un campo eléctrico alterno, técnicamente es posible utilizar el campo eléctrico durante el intervalo en que actúa como acelerador. El campo magnético imprime un movimiento circular a los electrones, el que no tiene efecto cuando su dirección es la misma que la de propagación de los electrones, y existen medios técnicos para conseguirlo. Por lo tanto con estas consideraciones, se puede intentar acelerar electrones a las velocidades necesarias para la obtención de rayos X, con suficiente energía las cuales se utilizan en radioterapia. En el AL, los electrones se generan en un cátodo incandescente, hasta ¼ de la velocidad de la luz (300.000 kM/s), mediante la aplicación de un campo eléctrico pulsado. Las tensiones que genera un AL son muy altas, en la utilización clínica, son del orden de los MeV (Mega-Volt), aproximadamente 100 veces mayor que un equipo de rayos X y 10 veces mayor que los rayos gama del Co -60. La distancia que tienen que recorrer los electrones se debe calcular de modo que lleguen a la perforación en el otro extremo de la cavidad en el momento en que la onda acaba con su periodo favorable y se dispone a invertir su polaridad. Solo continuarán el camino los electrones que consigan atravesar la perforación. En la segunda cavidad se adiciona una nueva onda diferida mediante una línea de retraso, de tal modo que esté otra vez en fase aceleradora. De este modo los electrones pasan por varias cavidades aceleradoras, pasando de cavidad en cavidad tomando cada vez mayor velocidad y 3
escapando metódicamente a las fases enlentecedoras. Teóricamente, en una distancia total de dos metros, los electrones están cerca de la velocidad de la luz. La figura 1 se muestran los componentes básicos del AL.
Figura 1: Componentes básicos del acelerador lineal
Como muestra la figura 1, el armario se encuentra dispuesto aparte del sistema Estativo y el Brazo, el Armario se ubica en la sala de tramientos, en la cual se encuentra una fuente de alto voltaje y un modular de pulsos que a partir de la corriente alterna de la red general, crean pulsos cuadrados de alto voltaje, estos pulsos alimentan el “Klystron” y el cañón de electrones. El Klystron, también llamado magnetrón (“oleaje de electrones” en griego), es un amplificador de potencia de alta frecuencia, es decir, recibe ondas de baja potencia (400W), y en salida llega incluso a los (7 MW). La figura 2, muestra el Klystron, con sus respectivos circuitos de refrigeración, la cual da a la ventana de salida del del amplificador.
Figura 2: Klystron
El sistema llamado cañón (figura 3), produce electrones y los acelera, antes de introducirlos a la guía aceleradora. 4
Figura 3: Cañón de electrones
Como muestra la figura 3, los electrones se producen en el cátodo por calentamiento, y son acelerados hacia el ánodo. Mediante la rejilla de control, se varia la corriente de electrones de forma rápida y precisa. Los electrodos producidos en el cañón son acelerados en la guía de ondas, producidas en el klystron.
Figura 4: acelerador de las ondas
La guía aceleradora está dividida en cavidades de resonancia. El campo eléctrico oscila (valor positivo -> cero -> valor negativo – > cero -> valor positivo ...) en cada cavidad con la frecuencia de las microondas producidas por el klystron. Los electrones son inyectados formando pequeños paquetes en fase, es decir, encuentran en cada cavidad el campo „a favor‟, de forma que van siendo acelerados a l o largo de la guía.
En el haz de electrones se tiene que : -
La gran mayoría de los electrones forma paquetes, las cuales adquieren todas la misma velocidad. Algunos electrones que han sido atrapados por las fases alternas desaceleradoras, las cuales poseen una velocidad menor. Aunque el numero de
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electrones de menor velocidad no sea tan elevado, es preferible contar con partículas de mayor velocidad. - Otros electrones que provienen de distintos orificios de las cavidades, también hay otros que provienen de la ventana de salida en la cual se provocan algunas interacciones. En el cabezal, se incluyen los sistemas de colimación, estabilización y monitorización del haz.
Es necesario que exista un alto vacío en el interior de la guía, así que es necesario el funcionamiento continuo de bombas de extracción físicas e iónicas. Para conseguir rayos X de alta energía (mayor que 6 MV) son necesarias guías de uno o dos metros de longitud, por lo que para construir una máquina isocéntrica es necesario girar el haz 90º (o 270º) antes de enviarlo a la ventana de salida. Esto hace que el cabezal aumente de tamaño, con lo que se aumenta la altura del isocentro desde el suelo.
La figura 5 muestra un dispositivo de curvatura de electrones compuesto por tres electroimanes. Los electrones con más energía describen la órbita más grande que los de menos energía. Se utiliza una rendija para reducir el espectro de energía de los electrones (los que tengan mucha o poca energía no pasarán por la rendija).
Figura 5: Dispositivo de curvatura
La guía y el cabezal, mostrados en el diagrama de la figura 1, en la sección del brazo (GANTRY), están blindados con plomo, para así reducir la fuga de radiación que pueda tener el equipo. A la salida de los electrones del electroimán de curvatura se encuentra el blanco retráctil para la producción de rayos X. Más adelante están la lámina dispersora y el filtro aplanador montados sobre un carrusel que permite situar una u otro según se tenga un haz de electrones o de fotones. A continuación se encuentra la cámara 6
de ionización monitora que muestrea la salida permitiendo estabilizar el haz. Por último se encuentran los colimadores y los dispositivos ópticos de distancia y simulación de campo. (ver figura 6)
Figura 6: Guía y cabezal del AL
En la siguiente figura 7 se muestra el cabezal en el caso de un tratamiento con electrones.
Figura 7: Cabezal con electrones
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El blanco de wolframio se retrae, de manera que los electrones salen sin impedimento de la guía. El carrusel se coloca de forma que la lámina dispersora quede en el camino del haz. Los colimadores secundarios se colocan en una posición fija que depende de la energía y del aplicador elegidos.
En la siguiente figura 8 se muestra el mismo cabezal en el caso de un tratamiento con fotones de rayos X.
Figura 8: cabezal con tratamiento con fotones
El blanco de wolframio se coloca en el haz, de forma que los electrones chocan con él produciendo un haz de rayos X. Dicho haz presenta un pronunciado pico en la dirección de los electrones incidentes. Para transformarlo en un haz útil se utiliza un filtro aplanador. Los colimadores secundarios se pueden mover a voluntad para conformar el campo requerido. La cámara monitora muestrea a cada momento el haz y realimenta la salida para aumentar la estabilidad. Es decir, si la señal aumenta por encima de un valor dado, esta cámara lo detecta y hace que el acelerador disminuya la salida (disminuye la intensidad de electrones que circulan por la guía). De la misma forma, si la salida disminuye por debajo de otro valor determinado la cámara envía el mensaje de que se aumente la salida.
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Figura 9: Cámaras de ionización
La cámara monitora está formada por cuatro cámaras de ionización planas agrupadas por parejas (Figura 9). De esta forma se controla la salida total por duplicado (sumando las señales C1 + C2 y C3 + C4), y la simetría y homogeneidad del haz tanto en la dirección radial como en la transversal del haz (considerando las señales independientemente). Si tanto la salida total como la simetría y homogeneidad no son las correctas durante un tiempo determinado el acelerador detiene su funcionamiento. Esta es otra característica que pone de manifiesto la superioridad de los aceleradores lineales, el aumento de la seguridad proporcionado por la gran cantidad de controles.
En la siguiente figura 10 se muestra una imagen completa de un acelerador lineal de electrones de uso clínico, y también se muestra una foto (figura 11), la cual muestra el AL de forma real.
Figura 10: Esquema de partes de un Acelerador Lineal 9
Figura 11: Acelerador Lineal
Colimador En el interior del colimador se encuentran finos alambres cruzados que muestran el centro del campo con la sombra que proyectan a través de la lámpara de ubicación. Un dispositivo óptico llamado telémetro permite establecer con precisión la distancia deseada a la fuente. También se adicionan luces láser en las paredes de la sala de tratamiento que permiten una localización muy precisa del isocentro. Los colimadores de los modernos aceleradores además de permitir los desplazamientos simétricos de sus láminas, permiten la apertura asimétrica, lo dará la protección de alguno de los bordes del campo en caso necesario, sin tener que recurrir a pesadas protecciones. Las salas de tratamiento debería estar equipadas con botones de paro de emergencia. En relación a la radioprotección, esta es algo diferente a la necesaria para los aparatos de cobalto. Los electrones no necesitan protección adicional, pero los rayos x de alta energía precisan espesores de muros un poco mayores. Debido a la alta energía de los electrones usados para la producción de rayos x, se producen algunos neutrones acelerados, los que no responden a las protecciones 10
convencionales de plomo, y ya que como sabemos las sustancias hidrogenadas constituyen una buena barrera para ellos, los compuestos orgánicos se usan en la forma de capas de parafina adicionadas a las de plomo necesarias para los rayos x. Como se ha visto, los aceleradores lineal son aparatos sumamente complejos, pero tienen muchos beneficios, las ventajas tales como: las tasas de dosis no disminuyen con el tiempo, las tasas de dosis son más elevadas, se pueden obtener campos de tratamiento más grandes y se dispone de rayos X de alta energía y de electrones acelerados. Como no todo puede ser perfecto, los AL también tienen algunas desventajas, las cuales son: como es un equipo electrónicamente avanzado, es muy susceptible a variaciones y averías en al desarrollo de un haz, y por otro lado el costo que tiene un AL es un costo significativamente alto, con respecto a otros sistemas de radioterapia. En las siguientes figuras se muestran la planta y el alzado de una instalación completa de un AL.
Figura 12: instalación de un Acelerado lineal
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Conclusión A modo de conclusión podemos darnos cuenta que el acelerador lineal es un aparato que permite el tratamiento de tumores malignos mediante la emisión de radiaciones. En la actualidad, los equipos conforman o moldean el campo de irradiación a través de un sistema de multiláminas que son indispensables para realizar la modulación del haz de irradiación. La modulación del haz permite que la dosis de irradiación se adapte a la anatomía de los volúmenes deseados, con lo que se consigue disminuir la radiación de los órganos sanos y aumentarla en el tejido enfermo. Con las minimultiláminas podemos hacer modulación de la intensidad del haz de irradiación sobre volúmenes más pequeños lo que posibilita un mayor número de indicaciones. Por lo tanto el aplicar radiación a pacientes que posean tumores es algo sumamente importante porque al irradiar la zona afectada, se les puede mejorar la calidad de vida eliminando el tumor. También es importante mencionar que con el avance de la tecnología se ha ido irradiando menos las zonas anexas a la zona afectada, por lo tanto se espera que a medida que siguen pasando los años siga aumentando la tecnología para que lleguemos a un punto en donde solo se irradie la zona afectada y con una menor intensidad para tener menores problemas a largo plazo. Como también para el estudio de tratamiento de enfermedades que provienen de lesiones funcionales cerebrales como es el caso de la epilepsia. El desarrollo de la radioterapia es una tecnología que se debe seguir implementando y con mejoramiento continuo para que nos permita el tratamiento de otro tipo de enfermedades que hasta hoy no poseen solución y esto es un gran desafío.
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