Fisica de la Oncología

Dr. Willy H. Gerber

Comprender la forma reaccionan los distintos materiales que se emplean en la practica profesional.

Objetivos:

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Cáncer: Causa

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Heredado

RadiacionQuimicos

Viruses

Cromosomasy ADN

Daño

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Cáncer: Mecanismo

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Multiplicacion normal

Celda con defecto

Alternativa: suicidio

Alternativa: multiplicacion

Primeramutilacion

Segundamutilacion

Terceramutilacion

Cuartamutilacion

Multiplicaciondescontrolada

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Cáncer: Desarrollo

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Inicio

Multiplicacion

Distribucion y proliferacionen nueva localizacion

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Método de combate IMRT: destruir célula

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IMRT = Radioterapia de intensidad modulada

Problema: maximisar celdas cancerijenas minimizar celdas sanas

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Mecanismo de daño de Células

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+ O 2 para “fijar” el daño

R• + O 2 → RO•

Fotón

Fotón

Acción directa

Acción indirecta(dominante en radiación X)

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Ciclo de la Célula y probabilidad de dañarla

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Replicacion de ADN

PreparaciónPara división

División (mitosis)

Crecimiento

Prob

abili

dad

de so

brev

iven

cia

Momento de radiación[fracción del periodo]

Probabilidad por dosis

División de la celda

alta

baja baja

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Sincronización de la irradiación

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Primera irradiacion Segunda irradiación(en el periodo de reproducción de las celdas – aprox. 24 horas)

Posicion en el cicloGrupos de Células

Periodo de celdassanas y cancerigenas esdistinto.

Celdas sanas bombaredasen forma sincronicaCeldas cancerigenas en forma asincronica.

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Método de combate: destruir célula – modelo cuadrático

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P(n,d) = e-n(αd + βd2)

D = nd

-(αD + βD2/n)

Prob

abili

dad

de so

brev

iven

cia

Total de Dosis Absorbida (D)

n = 1

n = 10

n = 20

Probabilidad total

P(n,D) = e

Efecto biologico BED:

BED = (1 + )βDαn

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Método de combate: destruir célula – modelo cuadrático

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P(n,D) = e -(αD+ βD2/n)

αD

βD2/n

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Método de combate: destruir célula – modelo cuadrático

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Prob

abili

dad

de so

brev

iven

cia

Total de Dosis Absorbida (D)

Caso α/β = 5 .. 20 Gy celulas tumor

Caso α/β = 1 .. 4 Gy celulas normales

Oportunidad (diferente reaccion) y problema (tumor menos sensible)

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Simulador de dano a celulas

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Ejercico: Numero de sesiones

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Varie el numero de sesiones sin cambiar la dosis (ej. de 10 a 20):

Que sucede? Porque?

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Ejercico: Dosis total

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Varie la dosis total manteniendo el numero de sesiones (ej. de 35Gy a 70Gy):

Que sucede? Porque?

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Ejercico: Efecto de α/β

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Compare las curvas azul (α=0.2, β=1.0) y roja (α=0.2, β=12.5)

Que sucede? Porque?

Nota: se volvio a losdatos originales deNumero de sesiones yDosis total.

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Ejercico: Simulacion de un tratamiento

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Inicie la simulacion y observe su desarrollo (azul normal, rojo cancer)

Poblacion releativaen funcion del tiempo

Distribucion en elCiclo de la celula

Fraccion con cancer

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Ejercico: Simulacion de un tratamiento

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Observe como crece durante el ciclo y decrece en cada tratamiento la respectiva poblacion de celulas.

Tratamiento

Multiplicacion

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Ejercico: Simulacion de un tratamiento

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Mitosis

Primer tratamiento

Segundo tratamiento

sincronizmo

asincronico

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IMRT: acelerador lineal

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γ

β

β

Acelerador eGene-rador γ

Colim-ador

Generación eDaño ADN

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Emision de electrones

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Nivel del vacioFuncion de trabajo

Energia de Fermi

N(E) electrones con la energia E

Energia minima

Filamento

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Emision de Electrones desde el Filamento

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2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0Co

rrie

nte

en tu

bo

No saturado

Saturado

T1

T2

T3

Voltaje Anodo

Richardson-Dushman

Child-Langmuir Law

(1-γ)

Ec = V/ed

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Radiación característica

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2 3 4 5 6 7 8 9 10

20kV

40kV80kV

0.0

0.5

1.0

1.5

Corriente en filamento

Corr

ient

e en

tubo

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0Co

rrie

nte

en tu

bo

No saturado

Saturado

T1

T2

T3

Voltaje Anodo

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Aceleradores de electrones

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Guia de OndasTubo de rayos X

Bajas energias Altas energias

Solo Filamento Filamento +Guia de Ondas para acelerar

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Radiación característica

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Rayos X

Haz de electrones

Filamentocatodo

Anodo querota

Blanco(ej. Tungsteno)

Rotor

Estator

IFAC

V

IA

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Linac

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Guia de ondas

Filamento

Haz de electrones Iman

Blanco (fierro)

Colimador

Rayos γ

Guia de ondas

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Scattering

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α

β

γ

n

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e Scattering: Bremsstrahlung

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Energia continuadesde 0 hasta toda la enervia cinetica

Espectro “blanco”

Iw = A i Z V2

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e Scattering: Radiación característica

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Orbital K

Orbital L

Orbital M

Nucleo

Kα

Lα

Kβ

Ik = B i (V - Vk)1.5

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Espectro de Rayos X

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Radiacion continua(Bremsstrahlung)

Radiacioncaracteristica

Inte

nsid

ad (v

alor

rela

tivo)

Largo de onda (Å)

λmin (Å)=12.39/Vo (kV)

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Radiación característica

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Scattering

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α

β

γ

n

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Scattering γ: Efecto fotoeletrico

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Fotones Electrones

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Scattering γ: Compton (scattering incoherente)

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Scattering γ: Rayleigh (scattering coherente)

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Scattering γ: Produccion de pares

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Campo de Nucleo Electron e-

Positron e+

Campo de un electron Electron e-

Positron e+

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Absorpcion

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Aten

uaci

on [c

m2/

g]

Energia [MeV]

Scattering coherente Scattering incoherente Absorption fotoelectrica Produccion de pares (Nucleo) Produccion de pares (Electrones) Total

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Radiación característica

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Radiación característica

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