Estudio de las características dosimétricas de un haz de terapia externa con fotones y nanopartículas de gadolinio y oro

Abstract

La radioterapia es un tratamiento del cáncer, donde se utiliza radiación ionizante con el fin de destruir el tejido tumoral y proteger el tejido sano tanto como sea posible. El propósito de este trabajo fue analizar los efectos del material, tamaño y concentración de nanopartículas de alto número atómico utilizadas como agentes de incremento de dosis (radio-sensibilizantes) en el rango de energías de keV a MV. Para rayos X de baja energía la interacción dominante es el efecto fotoeléctrico, el cual implica la absorción de un fotón y posteriormente la producción de fotoelectrones, rayos X característicos y electrones Auger. Se construyoóuna simulación Monte Carlo basada en Geant 4 donde se utilizaron materiales de alto número atómico: Au, Gd, Pt, Bi2S3, Ta2O5, espectros de energía para voltaje del tubo de RX de: 40, 100, 180 kVp y 6 MV y diferentes tamaños de nanopartículas. Se analizaron los procesos de interacción radiación materia, se calculó la energía depositada, dosis absorbida, el factor de incremento de dosis generados por los electrones secundarios por la interacción de 2 millones de fotones incidentes en las nanopartículas. Se realizo variación en la concentración de las nanopartículas y se analizó el factor de incremento de dosis. Pese a que para una sola nanopartícula los efectos de mejora de dosis ocurren para nanopartcíulas con mayor Z (Au, Pt), de mayor tamaño a la m ínima energ ía 40 kVp, sin embargo, cuando se tiene una concentración en peso de nanopartículas, se encuentra que el incremento de dosis es proporcional a la concentración, independiente de Z, siendo mayor el efecto a menor energíıa (40 KeV). Para energíıas en el rango de MeV, el incremento de dosis hallado es casi despreciable. Se concluye que los valores óptimos del tamaño de las nanopartículas y su concentración, siendo el máximo posible, estos valores han de determinarse de acuerdo con otros criterios, como la toxicidad, biocompatibilidad, etc. Por tal razón los parámetros óptimos escogidos fueron tamaño de nanopartícula de 20 nm, energía de 40 keV para materiales (Au y Pt), Se observó un incremento de dosis de forma radial dentro de los 300 nm desde la superficie de la nanopartícula, lo que causa un mayor efecto de destrucción de células en tejido maligno y protege el tejido sano, en comparación con el tratamiento sin nanopartículas por tal razón físicamente hay una mejora de dosis al introducir nanopartículas de alto Z. (Texto tomado de la fuente)

Radiotherapy is an essential component in the treatment of all types of cancer, in which ionizing radiation is used to destroy tumor tissue, protecting healthy tissue as much as possible. The purpose of this work was to analyze the effects of material, size, and concentration of high atomic number nanoparticles used as a radio-sensitization agent in a range of energies from keV to MeV. For low energy x-rays the dominant interaction is the photoelectric effect, which involves the absorption of a photon and subsequently the production of photoelectrons, characteristic X-rays and Auger electrons. A Monte Carlo simulation based on Geant 4 was built using high atomic number materials: Au, Gd, Pt, Bi2S3, Ta2O5, different energy spectra for X-Ray tube voltages: 40, 100, 180 kVp, and 6 MV, and different sizes of nanoparticles. The radiation-matter interaction processes were analyzed, the deposited energy, absorbed dose, the dose increase factor due to the secondary electrons generated by the interaction of 2 million photons incident in the nanoparticles,Variation in nanoparticle concentration was performed and the dose enhancement factor was analyzed. Although for a single nanoparticle the dose enhancement effects occur for nanoparticles with higher Z (Au, Pt), of larger size at the minimum energy 40 kVp, however, when there is a concentration in weight of nanoparticles, it is found that the dose increase is proportional to the concentration, independent of Z, being greater the effect at lower energy (40 kVp). For energies in the MV range, the dose increase found is almost negligible. It is concluded that the optimal values of nanoparticle size and concentration, being the maximum possible, these values have to be determined according with other criteria, such as toxicity, biocompatibility, etc. For this reason the optimal parameters chosen were nanoparticle size of 20 nm, energy of 40 kVp for materials (Au and Pt). A radial dose increase was observed within 300 nm from the surface of the nanoparticle, which causes a greater effect of destruction of cells in malignant tissue and protects healthy tissue, compared to the treatment without nanoparticles for this reason physically there is a dose improvement when introducing high Z nanoparticles.