Estudio del método de captura neutrónica con Boro-10 para su uso en radioterapia

Abstract

La terapia de captura neutrónica con boro (BNCT) es un tipo de radioterapia, que tiene como fin la entrega de una dosis alta y localizada de radiación a un tejido tumoral, al tiempo de que se minimiza significativamente la dosis en el tejido sano. La BNCT es realizada con la captura de neutrones de bajas energías, cuyas fuentes son los reactores nucleares y los aceleradores de partículas, por núcleos de 10B que se incorporan con anterioridad en el tumor. Las dosis son obtenidas de las partículas secundarias resultantes de la reacción nuclear 10B(n, α)7Li, núcleos de 7Li y partículas alfa (α), que depositan altas energías en su trayectoria, de modo que atenúan la radiación emitida rápidamente y penetran poco tejido a su alrededor (alta transferencia lineal de energía). En este trabajo se estudió la dosimetría de un haz de neutrones que interactúa con una mezcla homogénea de 10B y agua, así como se analizó el comportamiento del depósito de dosis a profundidad. Con este objetivo se construyó una simulación usando el código Montecarlo Geant4. En primer lugar, este código modeló un haz de neutrones de energías variables (1 meV, 1 eV, 1 keV y 1 MeV) que interactuó con un maniquí de agua cuyo contenido de 10B es 100 µg/ml. Como resultado se obtiene que a bajas energías (hasta 1 keV) la dosis depositada por captura neutrónica supera el 90 % de la dosis total. En segundo lugar, se estudió el comportamiento de la dosis con la variación de concentración, para ello se irradió un maniquí con el espectro de neutrones del reactor de investigación LVR-15, y se usaron diferentes concentraciones de 10B en agua (50, 100, 150 y 200 µg/ml). Como resultado se obtuvo que la dosis depositada es directamente proporcional al incremento de la concentración de 10B y que la dosis máxima para una concentración de 200 µg/ml alcanzó a ser 29 veces la dosis en ausencia de 10B. Posteriormente, se investigó cómo es el comportamiento de la dosis con la posición del blanco (variación en profundidad), empleando como fuente el haz de neutrones del reactor de investigación LVR-15. Para cumplir el propósito, se construyó una nueva simulación donde el maniquí fue conformado por un cubo de agua que tenía inscrito otro cubo de agua y 10B, se realizó una variación en la ubicación (0 cm., 2.5 cm., y 5 cm desde la entrada del haz) del cubo interno, así mismo se cambió la concentración en cada una de las profundidades. Como resultado se produjo que la razón de dosis depositada en el tumor respecto al tejido sano se altera de acuerdo con la profundidad de la lesión, demostrando que el depósito de dosis localizado para este tipo de terapia es mejor en tumores superficiales, debido a que la razón de dosis entre tejidos es mayor, esto quiere decir que el tejido sano se irradia en menor cantidad. Finalmente, se simuló un plan de tratamiento de radioterapia para una lesión tumoral ubicada en la región cerebral, cuya fuente de irradiación fue el espectro de neutrones del reactor nuclear de investigación IAN-R1 ubicado en el Servicio Geológico Colombiano, tras cuantificar la dosis recibida en estructuras de riesgo se encontró que los valores de razón entre la dosis del tejido tumoral y la del tejido sano fue de 8.3:1. Con esto se demuestra que es posible realizar investigación de BNCT en el reactor IAN R1. (Texto tomado de la fuente)

Boron neutron capture therapy (BNCT) is a type of radiation therapy, which aims to deliver a high, localized dose of radiation to tumor tissue, while significantly minimizing the dose to healthy tissue. BNCT is performed with the capture of low energy neutrons, the sources are nuclear reactors and particle accelerators, by 10B nuclei that are previously incorporated into the tumor. The doses are obtained from the secondary particles resulting from the nuclear reaction 10B(n, α) 7Li, nuclei of 7Li and alpha particles (α), which deposit high energies in their path, so that they attenuate the radiation emitted quickly and penetrate little tissue around them (high linear energy transfer). In this work, the dosimetry of a neutron beam interacting with a homogeneous mixture of 10B and water was studied, as well as the behavior of the dose deposit at depth was analyzed. With this objective, a simulation was built using the Montecarlo Geant4 code. First, this code modeled a neutron beam of variable energies (1 meV, 1 eV, 1 keV and 1 MeV) that interacted with a water phantom whose content of 10B is 100µg/ml. As a result, it is obtained that at low energies (up to 1 keV) the dose deposited by neutron capture exceeds 90 % of the total dose. Second, the behavior of the dose with the variation of concentration was studied, for this a phantom was irradiated with the neutron spectrum of the LVR-15 research reactor, and different concentrations of 10B were used in water (50, 100, 150 and 200 µg/ml). As a result, it was obtained that the dose deposited is directly proportional to the increase in the concentration of 10B and that the maximum dose for a concentration of 200 µg/ml was 29 times the dose in the absence of 10B. Subsequently, the behavior of the dose with the position of the target (depth variation) was investigated, using the neutron beam from the LVR-15 research reactor as a source. To fulfill the purpose, a new simulation was built where the mannequin was made up of a bucket of water that had another bucket of water inscribed and 10B, a variation was made in the location (0 cm., 2.5 cm., And 5 cm from the entrance of the beam) of the internal cube, likewise the concentration in each of the depths was changed. As a result, it was produced that the dose ratio deposited in the tumor with respect to healthy tissue alters according to the depth of the lesion, demonstrating that the localized dose deposit for this type of therapy is better in superficial tumors, due to the fact that the The dose ratio between tissues is higher, this means that healthy tissue is irradiated in less quantity. Finally, a radiotherapy treatment plan was simulated for a tumor lesion located in the brain region, whose irradiation source was the neutron spectrum of the IAN-R1 nuclear research reactor located in the Colombian Geological Survey, after quantifying the dose received in risk structures, it was found that the ratio values between the dose of tumor tissue and that of healthy tissue was 8.3:1. This demonstrates that it is possible to conduct BNCT research in the IAN R1 reactor.