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Aceleradores lineales de uso clínico

Objetivos

• Conocer el surgimiento de los aceleradores como evolución histórica de las máquinas emisoras de radiación

• Entender el principio de funcionamiento de los aceleradores lineales de uso clínicos

• Familiarización con  sus sistemas y componentes‐• Conocer las tecnologías más difundidas.• Hacer mención a los aceleradores modernos con imágenes por rayos X (Cone Beam CT)

Ejemplos de aceleradores de uso clínico históricamente usados

• Generador Van de Graaff• Acelerador linear • Betatrón• Microtrón• Ciclotrón• Sincrotrón

Betatron de uso clínico, 1960

Betatron BUK‐25, hecho en la Unión Soviética

Montevideo, 1964

Acelerador Lineal (linac)

• La generación de la radiación es totalmente electrónica  por lo que se puede ejercer un mejor control desde el punto de vista de la protección radiológica sobre el haz de radiaciones.

• Además podemos obtener variedad de energías y ofrecer dualidad de tratamiento  con fotones (MV, generalmente 2 energías) y Electrones (MeV, variable hasta 5 ó 6 energías distintas).

Primer paciente en recibir radiación de un acelerador clínico (Enero 1956) 

Caso infantil de retinoblastoma en Stanford University. El tratamiento fué muyexitoso por más de 32 años, este paciente se mantuvo libre de enfermedad con buenavisión del ojo tratado

Acelerador de Stanford

Acelerador lineal de 4MV, UK

Acelerador lineal de 4MV

Acelerador MEL en Leeds, UK

¿Cómo se distribuyen los centros de radioterapia?

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Fuente: IAEA DIRAC

Principio de funcionamiento

En el Acelerador Lineal de Electrones no se pudo aplicar el principio tradicional de caldear electrones y una vez desprendidos, acelerarlos por diferencia de potencial. Al pretender obtener energías del orden de los MV, las diferencias de potencial tenían que ser en este mismo orden y esto es prácticamente imposible de realizar o sea no existe una fuente de alimentación que me permita llegar a esos niveles de voltaje.

Principio de funcionamiento• Se recurrió  a un método no tradicional que utiliza tensiones alternas de elevadas Potencia y Frecuencia

• Señales de Radiofrecuencia del orden de los 5 MW y 3 GHz impulsan los electrones a lo largo de una línea recta. 

• Los electrones atraviesan una serie de tubos metálicos huecos situados dentro de un cilindro en el que se ha hecho vacío (Guía de Onda Aceleradora o Estructura Aceleradora).

Principio de funcionamiento• La Señal de Radiofrecuencia  se sincroniza de forma que la partícula sea impulsada hacia delante cada vez que pasa por un hueco entre dos tubos metálicos (Cavidades de la estructura aceleradora). 

• Esto provoca el efecto similar al que le ocurre al Surfista si las crestas de las olas se sincronizan para que siempre el movimiento resultante sea hacia delante.

Esquema Básico

Partes fundamentales

• Fuente de Alimentación• Modulador de pulsos• Generador de microondas (Magnetrón o Klystron)• Cañon de electrones• Guía aceleradora• Sistema de transportación de electrones• Cabezal de tratamiento

Fuente de Alimentación y modulador de pulsos

• Fuente de Alimentación : Provee la alta tensión de corriente directa al modulador

• Modulador de pulsos: provee simultáneamente al generador de micro ondas (Magnetrón o Klystron) y al cañon de electrones los pulsos de  alto voltaje (50 kV) cuya duración es del orden de los microsegundos.

• Magnetron y klystron: generadores de micro ondas de alta potencia, de pulsos cortos y de microsegundos de duración producto de la aceleración y desaceleración de electrones en el vacío

Dispositivos generadores de micro ondasKlystron

• Es un amplificador de RF• Es capaz de entregar micro ondas de mayor potencia, las que son 

imprescindibles para aceleradores de haces de energía de 20 Mev o mayores.

• Mayor precio (USD 70 000)

Dispositivos generadores de micro ondasKlystron (cont.)

• Mucho mayor tiempo de vida útil• Necesita de un aislamiento especial en aceite para trabajar• Necesita de un campo electromagnético para trabajar• Solo pueden operar en posición vertical

Magnetrón• En sí mismo es una fuente de RF de alta frecuencia• Más baratos (USD 14 000)• Menor tiempo de vida útil, típico 2 años• No pueden ser empleados en aceleradores de muy alta energía• No necesita condiciones de aislamiento específicas• Puede operar cambiando de posición

Dispositivos generadores de micro ondas

Partes fundamentales. Cañón de electrones 

Este es el encargado de emitir la nube electrónica dentro de la Estructura Aceleradora para su posterior Aceleración.

• Los electrones se producen por emisión termoiónica, estos son inyectados en forma de pulsos o paquetes en la guía de onda aceleradora de electrones.

Cañón de electrones (cont.) 

• Es una guía de onda en la cual se transmite energía a los electrones, alcanzan la aceleración por  el efecto del campo electromagnético generado  por las RF.

Guía aceleradora

Guía aceleradoraLa longitud de la guía de onda aceleradora depende de la energía cinética deseada del electrón:

• 4 MeV 30 cm, 25 Mev 150 cm

Tipos de guía aceleradoraEstructura de onda viajera: para bajas hasta medias energíasEstructura de onda estacionaria: para energías > 8- 10 MeV.

Guía aceleradora de onda viajera

• En estas estructuras la señal de adiofrecuencia se inyecta por un extremo y sale por el otro disipándose en cargas de agua o realimentándose nuevamente para aumentar eficiencia

• La polarización interna debida al campo eléctrico que genera la radiofrecuencia en sus cavidades es la que permite la aceleración de los electrones .

• Generalmente tienen que ser estructuras largas para lograr altas energías.

Guía de onda viajera

Onda estacionaria• A diferencia de la estructura de

Onda Viajera, ambos terminales de esta estructura están cortocircuitados

• De esta forma la Potencia de Radiofrecuencia es reflejada hacia atrás y adelante, creando una onda estacionaria dentro de la estructura aceleradora .

Esta onda estacionaria es resultado de dos ondas viajeras en dirección opuesta, cuando hay sincronización precisa de las ondas que van de derecha a izquierda ocurre la aceleración.

Información interesante

El cañón inyecta los electrones en la guía de onda con una velocidad equivalente al 40 % la velocidad de la luz. Al llegar al extremo de la guía de onda, los electrones pueden alcanzar el 99 % de la velocidad de la luz.

Sistemas Auxiliares• Sistema de bomba de vacío que produce un vacío de  

~10‐6 torr (1 torr = 1 mmHg) en la guía de onda y en el generador de RF 

• Sistema de enfriamiento de agua para el enfriamiento del la guía de onda, el blanco el generador de RF

• Sistema Gas dieléctrico: Se usa un dieléctrico entre la fuente de radiofrecuencia y la estructura aceleradora para evitar los arqueos de la línea de trasmisión. Normalmente se usa hexafluoruro de azufre (SF6, ecológico) o Freón 12. Debe ser sustituido cada 6 meses. Un sistema de seguridad detiene la radiación en caso de baja presión del gas

• Sistema de blindaje contra la radiación de fuga

Sistema de transportación de electrones

• Baja energía (4‐6 MV) no lo requiere• Para media y baja energía: transporta el haz de electrones desde el tubo acelerador hasta el blanco.

• Componentes:– Tubos al vacío de traslado– Imanes deflectores (90º , 270º, 112.5º )– Bobinas de alineación y enfoque

Sistema de transportación de electrones. Sistema de doblaje de los electrones

90o

bending

Slalom bending

270o bending(achromatic)

Circuito Real del Elekta (INOR)

Cabezal de tratamiento• Blancos (fijos o 

desplazables): Z  para electrones

• Filtros aplanadores para fotones: Plomo, Tungnsteno, Uranio, combinación en dependencia de la energía.

• Láminas dispersoras para electrones (opcional): láminas finas de Z  (Cu o Pb)

• Colimador primario fijo• Colimadores secundarios variables

• Cámaras monitoras• Lámpara para campo luminoso

• Telémetro óptico

Cabezal de tratamiento

• Cámara de ionización de transmisión presente permanentemente

• Se encuentra entre el filtro aplanador o la lámina dispersora y el colimador secundario

• Para la seguridad del paciente, el sistema consta de dos cámaras independientes con sus resp. electrómetros 

• Además de las unidades de monitor, el sistema monitorea la planitud y la simetría del haz así como la tasa de dosis.

• Pueden ser abiertas o cerradas (gas de llenado)

Cabezal de tratamiento (Cámara Monitora)

• Colimador primario: Consiste en un cono de tungsteno: un extremo pegado al blanco y el otro al filtro aplanador  que define el mayor campo circular

• Colimador secundario movible que define el tamaño de campo

Cabezal de tratamiento (Colimadores)

Cabezal del Elekta Precise

Formación del haz de fotones

Formación del haz de electrones

Cabezal de tratamiento. Cuñas.• Cuña física (opcional) • Cuña motora• Cuña dinámica

Varian

Cátodo

Guía aceleradora

Inyección de RF

Blanco

Transporte de electrones

Filtro aplanador

Cámaras monitoras

Colimadores

electrones sobre el blanco

Haz de fotones

Varian, Montevideo

Cabezal de tratamiento (Colimadores)

• Colimador Multiláminas (opcional)

Colimador multiláminas (MLC) • Presentes a partir de la década de los 90s.• Idea simple compleja de llevar a la práctica;• El número de hojas está en constante incremento: Ej. “Agility” 120 hojas (60 pares) cubriendo un campo de 4x0 cm..... Problema: se requieren 120 motores controlados digitalmente.

• Los MLCs son una herramienta insustituible en los tratamientos de intensidad modulada y radioterapia conformada 3D

Multi Leaf Collimator

Campo conformado con MLC 

Monitor de la sala Superficie de tratamiento

Cabezal de tratamiento. Aplicadores de electrones

• Los haces clínicos de electrones requieren de la colimación con aplicadores. Los campos se conforman con los llamados s cut‐outs

Cut-outs de electrones fabricados in-situ

MLC

Elekta Precise

MLC

Siemens Primus

MLC

Varian Clinac

(video de cómo funciona el linac)

Ejemplo de aceleradores clínicos

Saturno 25Hosp. Gómez UllaMadrid

SaturnoUpsala, Suecia

PrimusSuecia

Siemens Mevatron, HHA, La Habana

Scanditronics,Suecia

Varian Clinac 2100Hosp Central de Asturias

Varian Clinac 2100, Univ. de Chicago

Siemens PrimusMDACC, Houston

Varian ClinacEdimburgo, UK

Mitsubishi,NIRS, Chiba, Japón

Elekta PreciseHosp. Ramon y CajalMadrid

Elekta, AKH, Viena

Elekta PreciseINOR, La Habana

Linacs con equipo de rayos X (Cone Beam CT)para realizar IGRT

Gracias…