Efecto Cherenkov en un acelerador lineal de electrones de uso clínico
Autor principal: Alejandro Barranco López
Vol. XVI; nº 4; 145
The Cherenkov effect in a clinical electron linear accelerator
Fecha de recepción: 13/01/202
Fecha de aceptación: 23/02/2021
Incluido en Revista Electrónica de PortalesMedicos.com Volumen XVI. Número 4 – Segunda quincena de Febrero de 2021 – Página inicial: Vol. XVI; nº 4; 145
Autores:
Alejandro Barranco López1, Daniel Nogueira Souto2, Álvaro Boria Alegre3, Alba Berrocal Elu4
- Facultativo Especialista de Área de Radiofísica Hospitalaria. PhD en Física. Lugar de trabajo: H.C.U. Lozano Blesa, Zaragoza, España (Primer autor).
- Facultativo Especialista de Área de Medicina Nuclear. Lugar de trabajo: H.C.U. Lozano Blesa, Zaragoza, España.
- Facultativo Especialista de Área de Radiodiagnóstico. Máster en Iniciación a la Investigación en Medicina. Lugar de trabajo: Hospital San Jorge, Huesca, España.
- Diplomada Universitaria en Enfermería. Máster en Atención de Enfermería en Urgencias y Emergencias. Lugar de trabajo: H.C.U. Lozano Blesa, Zaragoza, España.
Resumen
El efecto Cherenkov es un fenómeno cuyas aplicaciones en el ámbito de la radioterapia están siendo investigadas actualmente. En este trabajo se pretende producir y detectar dicho efecto con los materiales de los que disponemos en un servicio de oncología radioterápica. Tras un cálculo analítico que demuestra que es posible detectar dicho efecto se ha diseñado un montaje experimental muy sencillo y registrado con una cámara de vídeo de uso habitual la radiación emitida en el efecto Cherenkov.
Palabras clave — Cherenkov, terapia con electrones, radioterapia.
Abstract
The Cherenkov effect is a phenomenon whose applications in the field of radiotherapy are currently being investigated. The aim of this work is to produce and to detect this effect with materials available in a radiotherapy oncology service. After an analytical calculation that shows that it is possible to detect this effect, a very simple experimental set-up has been designed. In that experimental set-up the radiation emitted in the Cherenkov effect has been recorded with a conventional video camera.
Keywords — Cherenkov, electron therapy, radiotherapy.
Los autores de este manuscrito declaran que:
Todos ellos han participado en su elaboración y no tienen conflictos de intereses. La investigación se ha realizado siguiendo las pautas éticas internacionales para la investigación relacionada con la salud con seres humanos elaboradas por el Consejo de Organizaciones Internacionales de las Ciencias Médicas (CIOMS) en colaboración con la Organización Mundial de la Salud (OMS)
https://cioms.ch/publications/product/pautas-eticas-internacionales-para-la-investigacion-relacionada-con-la-salud-con-seres-humanos/.
El manuscrito es original y no contiene plagio.
El manuscrito no ha sido publicado en ningún medio y no está en proceso de revisión en otra revista.
Han obtenido los permisos necesarios para las imágenes y gráficos utilizados.
Han preservado las identidades de los pacientes.
1 Introducción
El efecto Cherenkov consiste en la emisión de radiación electromagnética (fotones) cuando una partícula con carga eléctrica se mueve en un medio con una velocidad mayor que la de la luz en dicho medio. Por tanto, para que este fenómeno se produzca se necesita un medio con un índice de refracción n>1. Este efecto fue observado experimentalmente por Pavel Cherenkov y explicado teóricamente, en el marco de la teoría especial de la relatividad, por Igor Tamm e Ilya Frank. Los tres recibieron el premio Nobel en 1958. Para una descripción minuciosa de este efecto puede consultarse [1].
Por tanto, el efecto Cherenkov se conoce muy bien desde hace tiempo, por ejemplo, en la figura 1: Imagen del High Flux Isotope Reactor (Oak Ridge National Laboratory) (al final del artículo) se observa la radiación Cherenkov en forma de luz azulada emitida en un reactor. También se usa este efecto como el fundamento de algunos detectores de radiación en física de altas energías. Para rangos de energía más baja, del orden del MeV, solo los electrones tienen la suficiente velocidad en los medios usuales como para producir este efecto, de forma que el efecto Cherenkov puede ser usado para la detección de electrones primarios emitidos, por ejemplo, en reacciones β o electrones secundarios de alta energía emitidos por la interacción de rayos-γ con el medio. En [2] se describe el funcionamiento de los detectores basados en este fenómeno.
En el contexto de la Física Médica, una de las situaciones donde aparece este fenómeno es al usar detectores de centelleo, ya que se produce radiación Cherenkov en el tallo de estos detectores introduciendo una señal indeseada que hay que sustraer, sirva como ejemplo [3]. Más recientemente, este efecto está siendo investigado como aplicación para el control de calidad y dosimetría clínica [4], [5], [6].
El objetivo de este trabajo es mucho más simple que los trabajos antes señalados, se pretende detectar el efecto Cherenkov en un entorno controlado y con un montaje muy simple en el contexto de los tratamientos de radioterapia externa con electrones.
2 Material
Como fuente de partículas cargadas se ha hecho uso de un acelerador lineal de electrones Oncor Impression Plus (Siemens Healthcare Limited), usado habitualmente para impartir tratamientos de radioterapia externa. En nuestro caso, este acelerador está equipado para tratar pacientes con fotones de 6 y 15 MV o electrones de 6, 9, 12, 15, 18 y 21 MeV. Por supuesto, únicamente nos interesa su capacidad de emitir electrones, en concreto los de mayor energía para potenciar el efecto Cherenkov.
Para poder tratar con electrones se ha de colocar en el colimador del acelerador un colimador de electrones externo, también llamado cono. Para los tratamientos de radioterapia externa con electrones disponemos de varios conos, con diversas formas y tamaños de campo en el isocentro. Con forma circular, un cono de 5 cm de diámetro. Con forma cuadrada, conos de 10 cm×10 cm, 15 cm×15 cm, 20 cm×20 cm o 25 cm×25 cm. Además, en el extremo de estos colimadores se puede colocar un bloque de cerrobend dejando un hueco con la forma de la lesión a tratar, para conformar el haz de electrones e irradiar la lesión salvando mayor cantidad de tejido sano. En nuestro caso, para tener la mayor fluencia posible de electrones y fomentar la producción de radiación Cherenkov usaremos el cono de mayor apertura posible, 25 cm×25 cm, sin bloque de cerrobend alguno.
Con la emisión de electrones de alta energía no basta para observar este efecto, necesitamos un medio material en el que los electrones puedan desplazarse a mayor velocidad que la de la luz en dicho medio. Para tal fin es ideal el agua, ya que tiene un índice de refracción relativamente elevado (n=1.333) y es transparente a la luz visible emitida por la radiación Cherenkov (ya que aunque se emita luz fuera del espectro visible, recogeremos la luz con una cámara de vídeo de un teléfono móvil). También es útil por el motivo de que para el control de calidad de este tipo de aceleradores se suelen usar cubas de agua. En nuestro caso disponemos de la cuba WP1D (Iba Dosimetry), bastante manejable por su pequeño tamaño, en comparación con otras cubas usadas para el control de calidad. En realidad, cualquier recipiente con paredes transparentes podría servir.
3 Análisis (Ver anexo)
4 Resultados
En la figura 4: Montaje experimental (a), al final del artículo, se muestra el montaje con el acelerador sin emitir ningún tipo de radiación. En comparación con este caso se muestran las figuras 4 (b) y (c), con y sin luz ambiental, donde el acelerador sí que está emitiendo electrones de 21 MeV. En dichas figuras puede observarse, aunque de forma muy tenue como ya anticipamos en la sección 3, la radiación emitida por el efecto Cherenkov cerca de la superficie del agua, así como el característico color azulado de esta radiación. En dichas imágenes también se aprecia algún destello de color blanco debido a la radiación dispersa generada por el acelerador que llega a la cámara de vídeo.
5 Discusión y conclusiones
Hemos visto que con un montaje experimental muy sencillo, con materiales de uso común en un servicio de radioterapia, se puede generar y detectar el efecto Cherenkov. Un paso posterior consistiría en caracterizar de forma cuantitativa la radiación producida por este efecto para, adicionalmente, poder encontrar algún uso en control de calidad y dosimetría clínica como los investigados en [4], [5] y [6].
Ver anexo
Referencias
[1] Jelley JV. Čerenkov Radiation and its applications. Pergamon Press; 1958.
[2] Knoll GF, Radiation Detection and Measurement. 4a ed. John Wiley & Sons; 2010.
[3] Lee B, Jang KW, Cho DH, Yoo WJ, Tack GR, Chung SC et al. Measurements and elimination of Cherenkov light in fiber-optic scintillating detector for electron beam therapy dosimetry. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 2012 ago 21;579(1):344–348.
[4] Zlateva Y, Muir BR, El Naqa I, Seuntjens JPl Cherenkov emission-based external radiotherapy dosimetry: I. Formalism and feasibility. Med Phys. 2019 abr 29;46(5):2383-2393.
[5] Andreozzi JM, Mooney KE, Brůža P, Curcuru A, Gladstone DJ, Pogue BW, Green O. Remote Cherenkov imaging-based quality assurance of a magnetic resonance image-guided radiotherapy system. Med Phys. 2018 jun;45(6):2647-2659.
[6] Alexander DA, Tendler II, Brůža P, Cao X, Schaner PE, Marshall BS, Jarvis LA, Gladstone DJ, Pogue BW. Assessment of imaging Cherenkov and scintillation signals in head and neck radiotherapy. Phys Med Biol. 2019 Jul 18;64(14):145021.
[7] DSowerby DB. Čerenkov Detectors for low-energy gamma rays. Nuclear Instruments and Methods. 1971 nov 15;97(1):145-149.
[8] National Institute of Standards and Technology. ESTAR : Stopping Power and Range Tables for Electrons. Recuperado en diciembre de 2020 de https://physics.nist.gov/cgi-bin/Star/e_table.pl
[9] Ticoş D, Scurtu A, Oane A, Diplaşu C, Giubega G, Călina I et al. Complementary dosimetry for a 6 MeV electron beam. Results in Physics. 2019;14:102377.
[10] CIE. Commission Internationale de l’Éclairage Proceedings. Cambridge University Press; 1931.