La radioterapia de haz externo ( EBRT ) es una forma de radioterapia que utiliza un haz colimado de alta energía de radiación ionizante , proveniente de una fuente externa al cuerpo, para atacar y destruir las células cancerosas . Un haz de radioterapia está compuesto de partículas que viajan en una dirección constante; cada haz de radioterapia consta de un tipo de partícula destinada a usarse en el tratamiento, aunque la mayoría de los haces contienen alguna contaminación por otros tipos de partículas.
Los rayos de radioterapia se clasifican según la partícula que se pretende que liberen, como fotones (como rayos X o rayos gamma ), electrones e iones pesados ; los rayos X y los haces de electrones son, con mucho, las fuentes más utilizadas para la radioterapia de haz externo. Los rayos X de ortovoltaje ("superficiales") se utilizan para tratar el cáncer de piel y las estructuras superficiales. Los rayos X de megavoltaje se utilizan para tratar tumores profundos (por ejemplo, vejiga, intestino, próstata, pulmón o cerebro), mientras que los haces de electrones de megavoltaje se utilizan normalmente para tratar lesiones superficiales que se extienden hasta una profundidad de aproximadamente 5 cm. Un pequeño número de centros operan programas experimentales y piloto que emplean haces de partículas más pesadas, en particular protones , debido a la rápida disminución de la dosis absorbida por debajo de la profundidad del objetivo.
La teleterapia es la forma más común de radioterapia ( radioterapia ). El paciente se sienta o se recuesta en una camilla y se dirige una fuente externa de radiación ionizante hacia una parte particular del cuerpo. A diferencia de la braquiterapia (radioterapia de fuente sellada) y la radioterapia de fuente no sellada , en las que la fuente de radiación está dentro del cuerpo, la radioterapia de haz externo dirige la radiación al tumor desde fuera del cuerpo.
Convencionalmente, la energía de los rayos gamma y X de diagnóstico y terapéuticos es del orden de kiloelectronvoltios (keV) o megaelectronvoltios (MeV), y la energía de los electrones terapéuticos es del orden de megaelectronvoltios. El haz está formado por un espectro de energías: la energía máxima es aproximadamente igual al potencial eléctrico máximo del haz dentro de un acelerador lineal multiplicado por la carga del electrón . Por ejemplo, un haz de 1 megavoltio producirá fotones con una energía máxima de alrededor de 1 MeV. En la práctica, la energía media de los rayos X es aproximadamente un tercio de la energía máxima. La calidad y la dureza del haz se pueden mejorar mediante filtros de rayos X , lo que mejora la homogeneidad del espectro de rayos X.
Los rayos X de utilidad médica se producen cuando los electrones se aceleran a energías en las que predomina el efecto fotoeléctrico (para uso diagnóstico, ya que el efecto fotoeléctrico ofrece un contraste comparativamente excelente con el número atómico efectivo Z ) o predominan la dispersión Compton y la producción de pares (a energías superiores a aproximadamente 200 keV para el primero y 1 MeV para el segundo), para haces de rayos X terapéuticos. Algunos ejemplos de energías de rayos X utilizadas en medicina son:
Los rayos X de megavoltaje son, con diferencia, los más habituales en radioterapia para el tratamiento de una amplia gama de cánceres. Los rayos X superficiales y de ortovoltaje tienen aplicación en el tratamiento de cánceres en la superficie de la piel o cerca de ella. [1] Normalmente, se eligen los rayos X de megavoltaje de mayor energía cuando se desea maximizar la "preservación de la piel" (ya que la dosis relativa a la piel es menor para esos rayos de alta energía).
Los haces de fotones de utilidad médica también pueden derivarse de una fuente radiactiva como el iridio-192 , el cesio-137 o el cobalto-60 . ( El radio-226 también se ha utilizado como fuente en el pasado, aunque ha sido reemplazado en esta capacidad por radioisótopos menos dañinos). Estos haces de fotones, derivados de la desintegración radiactiva , son aproximadamente monocromáticos , en contraste con el espectro continuo de radiación de frenado de un acelerador lineal. Estas desintegraciones incluyen la emisión de rayos gamma , cuya energía es específica del isótopo y varía entre 300 keV y 1,5 MeV.
Las máquinas de radioterapia superficial producen rayos X de baja energía en el mismo rango de energía que las máquinas de rayos X de diagnóstico, 20-150 keV, para tratar afecciones de la piel. [2] Las máquinas de rayos X de ortovoltaje producen rayos X de mayor energía en el rango de 200-500 keV. La radiación de las máquinas de rayos X de ortovoltaje se ha llamado "profunda" debido a su mayor capacidad de penetración, lo que le permite tratar tumores a profundidades inalcanzables por la radiación "superficial" de menor energía. Las unidades de ortovoltaje tienen esencialmente el mismo diseño que las máquinas de rayos X de diagnóstico y generalmente están limitadas a energías de fotones inferiores a 600 keV. Los rayos X con energías del orden de 1 MeV se generan en aceleradores lineales ("linacs"). El primer uso de un linac para radioterapia médica fue en 1953. Los linacs médicos disponibles comercialmente producen rayos X y electrones con un rango de energía de 4 MeV hasta aproximadamente 25 MeV. Los rayos X se producen por la rápida desaceleración de los electrones en un material objetivo, normalmente una aleación de tungsteno , que produce un espectro de rayos X a través de la radiación de frenado. La forma y la intensidad del haz producido por un acelerador lineal se pueden modificar o colimar por diversos medios. Por lo tanto, la radioterapia convencional, conformal, de intensidad modulada, tomográfica y estereotáctica se proporcionan utilizando aceleradores lineales especialmente modificados.
Las unidades de cobalto utilizan radiación de cobalto-60, que emite dos rayos gamma a energías de 1,17 y 1,33 MeV, un haz dicromático con una energía media de 1,25 MeV. El papel de la unidad de cobalto ha sido sustituido en gran medida por el acelerador lineal, que puede generar radiación de mayor energía. [3] [4] No obstante, el tratamiento del cobalto todavía conserva algunas aplicaciones, como el Gamma Knife , ya que la maquinaria es relativamente fiable y sencilla de mantener en comparación con el acelerador lineal moderno.
Los rayos X de Bremsstrahlung se producen bombardeando rayos catódicos energéticos ( electrones ) sobre un objetivo hecho de un material con un alto número atómico, como el tungsteno . El objetivo actúa como una especie de transductor , convirtiendo parte de la energía cinética de los electrones en fotones energéticos . Los rayos X de kilovoltaje se producen típicamente utilizando un tubo de rayos X , en el que los electrones viajan a través de un vacío desde un cátodo caliente a un ánodo frío , que también actúa como objetivo. Sin embargo, no es práctico producir rayos X de megavoltaje utilizando este método; en su lugar, se utiliza más comúnmente un acelerador lineal para producir rayos X de dicha energía. La emisión de rayos X está más dirigida hacia adelante a energías de megavoltaje y más dirigida lateralmente a energías de kilovoltaje. [5] En consecuencia, los rayos X de kilovoltaje tienden a producirse utilizando un objetivo de tipo reflexión, en el que la radiación se emite de vuelta desde la superficie del objetivo, mientras que los rayos X de megavoltaje tienden a producirse con un objetivo de transmisión en el que los rayos X se emiten en el lado opuesto al de la incidencia de los electrones. Los objetivos de tipo reflexión presentan el efecto talón y pueden utilizar un ánodo giratorio para ayudar a la disipación del calor.
La dispersión Compton es la interacción dominante entre un haz de megavoltaje y el paciente, mientras que el efecto fotoeléctrico domina a energías de keV. Además, la dispersión Compton depende mucho menos del número atómico que el efecto fotoeléctrico; mientras que los haces de kilovoltaje mejoran la distinción entre músculo y hueso en las imágenes médicas , los haces de megavoltaje suprimen esa distinción en beneficio de la teleterapia. La producción de pares y la producción de fotoneutrones aumentan a energías más altas, y solo se vuelven significativas a energías del orden de 1 MeV.
La energía de los rayos X en el rango de keV se describe por el voltaje eléctrico utilizado para producirla. Por ejemplo, un haz de 100 kVp se produce mediante un voltaje de 100 kV aplicado a un tubo de rayos X y tendrá una energía fotónica máxima de 100 keV. Sin embargo, el espectro del haz también puede verse afectado por otros factores, como la forma de onda del voltaje y la filtración externa de rayos X. Estos factores se reflejan en la capa de valor medio del haz (HVL), medida en el aire en condiciones de "buena geometría". Una energía de rayos X superficial típica podría ser de 100 kVp por 3 mmAl - "100 kilovoltios aplicados al tubo de rayos X con una capa de valor medio medida de 3 milímetros de aluminio ". La capa de valor medio para haces de ortovoltaje se mide más típicamente utilizando cobre; una energía de ortovoltaje típica es de 250 kVp por 2 mmCu. [6] En el caso de los rayos X en el rango de MeV, no se utiliza un voltaje real de la misma magnitud en la producción del haz. Un haz de 6 MV contiene fotones de no más de 1 MeV, en lugar de 6 MeV; la energía de un haz de este tipo se caracteriza generalmente midiendo la relación de la intensidad del haz a distintas profundidades en un medio.
Los haces de kilovoltaje no presentan un efecto de acumulación y, por lo tanto, depositan su dosis máxima en la superficie, es decir, d max = 0 o D 0 = 100%. Por el contrario, los haces de megavoltaje sí presentan el efecto de acumulación; depositan su dosis máxima a cierta profundidad debajo de la superficie, es decir, d max > 0. La profundidad de la dosis máxima está determinada por el rango de electrones liberados aguas arriba durante la dispersión Compton. A profundidades más allá de d max , el perfil de dosis de todos los haces de rayos X disminuye aproximadamente de manera exponencial con la profundidad. Aunque los valores reales de d max están influenciados por varios factores, los siguientes son valores de referencia representativos. [7]
Los rayos X se generan bombardeando un material de alto número atómico con electrones. Si se retira el objetivo (y se reduce la corriente del haz), se obtiene un haz de electrones de alta energía. Los haces de electrones son útiles para tratar lesiones superficiales, porque la deposición de dosis máxima se produce cerca de la superficie y luego disminuye rápidamente con la profundidad, sin afectar el tejido subyacente. Los haces de electrones suelen tener energías nominales en el rango de 4 a 20 MeV, lo que corresponde a un rango de tratamiento de aproximadamente 1 a 5 cm (en tejido equivalente al agua). Las energías superiores a 18 MeV rara vez se utilizan. Aunque el objetivo de rayos X se retira en modo electrónico, el haz debe desplegarse mediante conjuntos de láminas de dispersión delgadas para lograr perfiles de dosis planos y simétricos en el tejido tratado.
Muchos aceleradores lineales pueden producir tanto electrones como rayos X.
La terapia de hadrones implica el uso terapéutico de protones , neutrones e iones más pesados (núcleos atómicos completamente ionizados). De estas, la terapia de protones es, con diferencia, la más común, aunque sigue siendo poco frecuente en comparación con otras formas de radioterapia de haz externo, ya que requiere un equipo grande y caro. El pórtico (la parte que gira alrededor del paciente) es una estructura de varios pisos, y un sistema de terapia de protones puede costar (en 2009) hasta 150 millones de dólares. [8]
Los aceleradores lineales modernos están equipados con colimadores multiláminas (MLC), que pueden moverse dentro del campo de radiación a medida que gira el gantry del acelerador lineal y bloquear el campo según sea necesario según la posición del gantry. Esta tecnología permite a los planificadores de tratamientos de radioterapia una gran flexibilidad para proteger los órganos en riesgo (OARS), al tiempo que garantiza que la dosis prescrita se administre a los órganos objetivo. Un colimador multilámina típico consta de dos conjuntos de 40 a 160 láminas, cada una de ellas de alrededor de 5 a 10 mm de espesor y varios centímetros de largo en las otras dos dimensiones. Cada lámina del MLC está alineada en paralelo al campo de radiación y se puede mover de forma independiente para bloquear parte del campo, adaptándolo a la forma del tumor (ajustando la posición de las láminas), minimizando así la cantidad de tejido sano sujeto a la exposición a la radiación. En los aceleradores lineales más antiguos sin MLC, esto debe lograrse manualmente utilizando varios bloques hechos a mano.
La radioterapia de intensidad modulada (IMRT) es una técnica avanzada de radioterapia que se utiliza para minimizar la cantidad de tejido normal que se irradia en el campo de tratamiento. En algunos sistemas, esta modulación de la intensidad se logra moviendo las hojas del MLC durante el curso del tratamiento, lo que proporciona un campo de radiación con una intensidad no uniforme (es decir, modulada). Con la IMRT, los oncólogos radioterapeutas pueden dividir el haz de radiación en muchos haces pequeños y variar la intensidad de cada uno de ellos, y los médicos a menudo pueden limitar aún más la cantidad de radiación que recibe el tejido sano cerca del tumor. Los médicos han descubierto que esto a veces les permite administrar de forma segura una dosis más alta de radiación al tumor, lo que aumenta potencialmente la posibilidad de un tratamiento exitoso. [9]
La terapia de arco modulado volumétrico (VMAT) es una extensión de la IMRT que se caracteriza por un acelerador lineal que gira alrededor del paciente. Esto significa que, en lugar de que la radiación ingrese al paciente solo en un pequeño número de ángulos fijos, puede ingresar en muchos ángulos. Esto puede ser beneficioso para algunos sitios de tratamiento en los que el volumen objetivo está rodeado por un número, lo que permite un tratamiento dirigido sin exponer los órganos cercanos a niveles elevados de radiación. [10]
La intensidad de los rayos X producidos en un acelerador lineal de megavoltaje es mucho mayor en el centro del haz que en los bordes. Para compensar este pico central, se utiliza un filtro de aplanamiento. Un filtro de aplanamiento tiene forma de cono para compensar la polarización directa en el momento de los electrones incidentes (y normalmente está hecho de un metal como el tungsteno); después de que un haz de rayos X pasa a través del filtro de aplanamiento, tiene un perfil más uniforme. Esto simplifica la planificación del tratamiento, aunque reduce significativamente la intensidad del haz. Con una mayor potencia de cálculo y algoritmos de planificación del tratamiento más eficientes, se reduce la necesidad de técnicas de planificación del tratamiento más sencillas, como la "planificación anticipada", en la que el planificador da instrucciones directamente al acelerador lineal sobre cómo administrar el tratamiento prescrito. Esto ha llevado a un mayor interés en los tratamientos sin filtro de aplanamiento (FFF).
Se ha descubierto que los tratamientos con FFF tienen una mayor tasa de dosis máxima, lo que permite tiempos de tratamiento más cortos y una reducción en el efecto del movimiento del paciente en la administración del tratamiento. Esto hace que la FFF sea un área de particular interés en los tratamientos estereotáxicos. [11] Por ejemplo, en el tratamiento del cáncer de mama , el tiempo de tratamiento reducido puede reducir el movimiento del paciente y los tratamientos de mama donde existe el potencial de reducir el movimiento respiratorio. [12]
La radioterapia guiada por imágenes (IGRT) complementa la radioterapia con imágenes para aumentar la precisión y exactitud de la localización del objetivo, reduciendo así la cantidad de tejido sano en el campo de tratamiento. Para permitir que los pacientes se beneficien de técnicas de tratamiento sofisticadas como IMRT o terapia hadrónica, son deseables precisiones de alineación del paciente con un margen de error de 0,5 mm como máximo. Por lo tanto, métodos como la verificación de la posición del paciente basada en imágenes estereoscópicas digitales de kilovoltaje (PPVS), [13] y la estimación de la alineación basada en tomografía computarizada (TC) de haz cónico in situ enriquecen la gama de enfoques modernos de IGRT.