Tesis:
Contribuciones a la protección radiológica operacional y la dosimetría de neutrones en centros compactos de protonterapia
- Autor: GARCÍA FERNÁNDEZ, Gonzalo Felipe
- Título: Contribuciones a la protección radiológica operacional y la dosimetría de neutrones en centros compactos de protonterapia
- Fecha: 2022
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72253/
- Director/a 1º: GALLEGO DÍAZ, Eduardo F.
- Director/a 2º: Gómez Ros, José María
- Resumen: La protonterapia es una modalidad de radioterapia externa que utiliza haces de protones acelerados con energías entre 70 y 230 MeV para tratar tejidos cancerosos, con una tasa de dosis promedio de 2 Gy·min-1 por litro de tumor. Los protones, al ser partículas cargadas depositan su energía de acuerdo con la Curva de Bragg, mayoritariamente al final de su recorrido, en el llamado Pico de Bragg. Mediante el uso de protones, la dosis depositada en el volumen objetivo es máxima, mientras que se reduce en los tejidos sanos y órganos críticos que rodean el tumor, manteniendo significativamente bajo el riesgo de desarrollar un cáncer secundario años después del tratamiento. Por lo tanto, para diferentes casos clínicos, el uso de protones supone grandes ventajas en comparación con otro tipo de partículas, como rayos X o electrones. Desde el punto de vista de la protección radiológica, las interacciones de protones con los componentes de la instalación y los pacientes producen una gran emisión de radiación secundaria, formada principalmente por neutrones con energías de hasta 230 MeV, y fotones. Por lo tanto, el diseño y cálculo del blindaje de centros de protonterapia es una tarea primordial. Además, la verificación de dichos blindajes y la dosimetría de área y personal debe llevarse a cabo mediante medidas experimentales, para lo cual es necesario seleccionar y disponer de los sistemas de detección adecuados.
En España, los dos primeros proyectos de protonterapia se empezaron a desarrollar en 2017, motivo por el cual, desde el Área de Tecnología Nuclear del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad Politécnica de Madrid se promovió el estudio de la protección radiológica operacional y la dosimetría de neutrones en centros compactos de protonterapia (CPTC), similares a los previstos, que se plasmó en un convenio de colaboración con la empresa Bioterra, S.L., suscrito a finales de 2017. El proyecto de investigación fue seleccionado por la Comunidad de Madrid como adjudicatario de una ayuda para el desarrollo de un Doctorado Industrial, referencia IND2017/AMB-7797, cuyo resultado final se ha materializado en la presente Tesis. Las actividades llevadas a cabo en el ámbito empresarial constituyen el Capítulo 7 del presente trabajo, donde se recoge además la metodología propuesta para la implementación de la protección radiológica operacional en centros de protonterapia, desarrollada durante el trabajo de investigación, con el objetivo de obtener la mención de Doctorado Industrial. En la actualidad existen más de 50 centros en fase de planificación y construcción en todo el mundo. En España, los dos primeros centros de protonterapia comenzaron finalmente a operar en diciembre de 2019 y en marzo de 2020, respectivamente, ambos privados y en Madrid. Además, en julio de 2022 se ha adjudicado el concurso para la construcción del primer centro público en el Hospital Marqués de Valdecilla en Santander. Por otra parte, en el año 2021, la Fundación Amancio Ortega Gaona ha donado 280 millones de euros al Sistema Nacional de Salud para la adquisición de los equipos para diez salas de protonterapia. Dichos centros serán distribuidos dos para la provincia de Madrid, otras dos salas en Barcelona, y una sala en las provincias de Málaga, Sevilla, Valencia, La Coruña, Vizcaya y Gran Canaria, respectivamente. Como resultado, España que era un país sin centros de protonterapia a principios de 2019, pasará en menos de cinco años a ser el país del mundo con mayor número de salas por habitante. En consecuencia, la protección radiológica en centros de protonterapia va a ser una actividad relevante en los próximos años, y el presente trabajo podrá tener una aplicación directa sobre los nuevos proyectos de centros de protonterapia.
El objetivo principal de la presente Tesis Doctoral ha sido desarrollar una metodología general para el estudio de la protección radiológica operacional y la dosimetría de neutrones en centros compactos de protonterapia (CPTC), para lo cual se han utilizado tanto simulaciones con códigos Monte Carlo (MCNP6, GEANT4, PHITS), como medidas experimentales en centros de España y USA. Los principales equipos experimentales y de detección han sido aportados por el Laboratorio de Medidas Neutrónicas de la ETSII. Los centros compactos considerados en el estudio son los dos similares a los que están funcionando actualmente en España, y además se ha incluido un estudio preliminar de las fuentes de radiación y blindaje del nuevo centro previsto en Santander, adjudicado en julio de 2022. Las actividades de la Tesis se han organizado en siete capítulos.
En el Capítulo 1, fundamentos, se han estudiado y recopilado los conceptos e información necesaria para el desarrollo de la tesis doctoral y que servirá de base en los capítulos posteriores, como el estudio general de los centros de protonterapia, incidiendo en los principales elementos relacionadas con la generación de campos neutrónicos, los efectos inducidos por dicha radiación secundaria y los principales conceptos sobre protección radiológica. El capítulo 2 se ha dedicado a la evaluación y caracterización de los blindajes de los diferentes centros, mediante el cálculo de la dosis equivalente ambiental, H*(10), en el exterior de los cerramientos, empleado diferentes códigos de Monte Carlo, MCNP6.2 y PHITS3.26, fundamentalmente. En este capítulo también se ha definido el término fuente de cada centro, y se han estudiado varios escenarios, partiendo de hipótesis conservadoras, seguidas de modelos más realistas. También se han ensayado diferentes materiales de cerramiento, como hormigón Portland convencional y hormigón de baja activación. Se ha llevado a cabo el análisis comparativo sobre H*(10), en diferentes centros, teniendo en cuenta sus características técnicas y geométricas, y las cargas de trabajo previstas. En todos los casos se ha considerado la versión estándar de los centros, con dimensiones y espesor de muros propuestos por los diferentes fabricantes.
En el capítulo 3 se ha estudiado la activación en cerramientos, medio ambiente (aire, agua y suelo) y elementos mecánicos en centros de protonterapia. Se ha realizado el análisis comparativo de la activación neutrónica con diferentes tipos de hormigones susceptibles de ser empleados como blindaje de instalaciones de protonterapia: convencionales, de alta densidad (con magnetita), con alto contenido en hidrógeno (colemanita), y hormigones de baja activación. En los diferentes estudios se han empleado los códigos MCNP6 y PHITS3.26, y, teniendo en cuenta la energía de los neutrones de hasta los 230 MeV, se ha realizado un estudio de sensibilidad con diferentes librerías nucleares, ENDF/B VII.1, JENDL-4.0, JEFF-3.3 y TENDL2017/19.
En el capítulo 4, dedicado a la vigilancia de área, se ha estudiado la respuesta de los REM-metros en campos de neutrones de rango amplio, como los existentes en instalaciones de protonterapia, mediante los códigos de Monte Carlo MCNP6 (6.1.1 y 6.2), GEANT4 y PHITS3.26. Los equipos estudiados han sido aquellos utilizados durante el proyecto: WENDI-2, LUPIN-2, PRESCILA y Berthold LB6411. También se han realizado simulaciones y medidas experimentales en campos continuos de neutrones, empleando una fuente de AmBe dentro de la Sala de Medidas Neutrónica del Laboratorio de Tecnología Nuclear del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad Politécnica de Madrid (DIE-UPM). Considerando que el reciente Informe ICRU 95 (2020) propone cambios en las magnitudes operacionales, se ha evaluado la respuesta de los equipos frente a la próxima nueva magnitud de vigilancia de área, H*, dosis ambiental. En el capítulo 5, dedicado a la vigilancia personal, se ha caracterizado y evaluado el desempeño de diferentes dosímetros de neutrones personales, a través de los códigos de Monte Carlo, MCNP6 y GEANT4, para su uso en centros de protonterapia. Se han simulado tres tipos diferentes de dosímetros: pasivos de albedo basados en termoluminiscencia, pasivos de trazas y dosímetros activos. Se ha comparado la dosis equivalente personal, Hp(10)cal alcanzada con dosímetros personales, con la dosis equivalente ambiental, H*(10)ref, en diferentes centros de protones, y se han calculado los factores de corrección locales, en función del centro y del tipo de dosímetro.
En el capítulo 6, el objetivo principal ha sido estudiar el impacto sobre la protección radiológica de diferentes métodos de aplicación de dosis con mayor proyección y desarrollo. Los métodos comparados fueron terapia de protones de intensidad modulada (IMPT), arco terapia con protones monoenergéticos (PMAT) y terapia Flash con protones (PFT). Para PMAT se han realizado tanto medidas experimentales como simulaciones con varios códigos Monte Carlo (MCNP6 y PHITS). Para Flash, los resultados se han calculado con simulaciones de Monte Carlo. Las medidas experimentales comparando PMAT y IMPT se llevaron a cabo en el Roberts Proton Therapy Center (RPTC) de la Universidad de Pensilvania, en Filadelfia, aprovechando los trabajos del Dr. Carabe-Fernández, durante la estancia internacional del Doctorando en 2019 y 2020.
Finalmente, en el capítulo 7, las actividades desarrolladas se han recapitulado en un proceso con diez recomendaciones principales, alineadas con los requisitos del Regulador. El objetivo es garantizar el cumplimiento de los límites de dosis para el personal clínico, técnico y público en general. El desarrollo de medidas de protección radiológica más eficientes podría reducir significativamente el coste y el tamaño requerido para implementar centros de protonterapia, y por tanto una mayor cantidad de personas podrían beneficiarse de las grandes ventajas de estos tratamientos.
ABSTRACT
Proton therapy is an external radiotherapy modality that uses accelerated proton beams with energies between 70 and 230 MeV to treat cancerous tissues, with an average dose rate of 2 Gy·min-1 per liter of tumor. Protons, being charged particles, deposit their energy according to the Bragg Curve, mostly at the end of their path, in the so-called Bragg Peak. By using protons, the dose delivered in the target volume is maximized and is reduced in healthy tissues and critical organs surrounding the tumor, keeping the risk of developing a secondary cancer significantly low years after treatment. Therefore, for different clinical cases, the use of protons has great advantages compared to other types of particles, such as X-rays or electrons. From the point of view of radiological protection, the interactions of protons with the components of the facility and the patients produce a large emission of secondary radiation, formed mainly by neutrons with energies of up to 230 MeV, and photons. Therefore, the design and calculation of the shielding of proton therapy centers is a primary task. In addition, the verification of said shielding and the dosimetry of the area and personnel must be carried out through experimental measures, for which it is necessary to select and have the appropriate detection systems.
In Spain, the first two proton therapy projects began to be developed in 2017, and from the Nuclear Technology area of the Department of Energy Engineering of the Polytechnic University of Madrid, the study of operational radiological protection and neutron dosimetry in compact proton therapy centers (CPTC), like those planned, was promoted, which was reflected in a collaboration agreement with the company Bioterra, S.L., signed at the end of 2017. The research project was selected by the Community of Madrid as the successful bidder of a grant for the development of an Industrial Doctorate, reference IND2017/AMB-7797, whose result has materialized in this Thesis. The activities carried out in the business field constitute Chapter 7 of this work, which also includes the proposed methodology for the implementation of operational radiological protection in proton therapy centers, developed during the research work, with the aim of obtaining the Mention of Industrial Doctorate.
There are currently more than 50 centers in the planning and construction phase around the world. In Spain, the first two proton therapy centers finally began operating in December 2019 and March 2020, respectively, both private and in Madrid. In addition, in July 2022 the tender for the construction of the first public center at the Marqués de Valdecilla Hospital in Santander was awarded. On the other hand, in 2021, the Amancio Ortega Gaona Foundation has donated 280 million euros to the National Health System for the acquisition of equipment for ten proton therapy rooms. These centers will be distributed two for the province of Madrid, another two rooms in Barcelona, and one room in the provinces of Malaga, Seville, Valencia, La Coruña, Vizcaya and Gran Canaria, respectively. As a result, Spain, which was a country without proton therapy centers at the beginning of 2019, will become the country in the world with the highest number of rooms per inhabitant in less than five years. Consequently, radiological protection in proton therapy centers is going to be a relevant activity in the coming years, and this work may have direct application to new proton therapy center projects.
The main objective of this Doctoral Thesis has been to develop a general methodology for the study of operational radiological protection and neutron dosimetry in compact proton therapy centers (CPTC), for which both simulations with Monte Carlo codes (MCNP6, GEANT4, PHITS), as experimental measures in centers in Spain and the USA. The main experimental and detection equipment has been provided by the ETSII Neutron Measurements Laboratory. The compact centers considered in the study are the two like those that are currently operating in Spain, and a preliminary study of the radiation sources and shielding of the new center planned in Santander, awarded in July 2022, has also been included. of the Thesis have been organized into seven chapters.
Chapter 2 has been dedicated to the evaluation and characterization of the shielding of the different centers, by calculating the ambient dose equivalent, H*(10), outside the enclosures, using different Monte Carlo codes, MCNP6. 2 and PHITS3.26, fundamentally. In this chapter, the source term of each center has also been defined, and various scenarios have been studied, starting from conservative hypotheses, followed by more realistic models. Different cladding materials have also been tested, such as conventional Portland concrete and low-activation concrete. A comparative analysis has been carried out on H*(10), in different centers, considering their technical and geometric characteristics, and the expected workloads. In all cases, the standard version of the centers has been considered, with dimensions and wall thickness proposed by the different manufacturers.
Chapter 3 has studied the activation in enclosures, the environment (air, water, and soil) and mechanical elements in proton therapy centers. A comparative analysis of neutron activation has been carried out with different types of concrete that can be used as shielding for proton therapy facilities: conventional, high-density (with magnetite), with high hydrogen content (colemanite), and low-activation concrete. In the different studies, the MCNP6 and PHITS3.26 codes have been used, and, considering the energy of neutrons of up to 230 MeV, a sensitivity study has been carried out with different nuclear libraries, ENDF/B VII.1, JENDL-4.0, JEFF-3.3 and TENDL2017/19.
In chapter 4, dedicated to area surveillance, the response of REM-meters in wide-range neutron fields, such as those found in proton therapy facilities, has been studied using the Monte Carlo codes MCNP6 (6.1.1 and 6.2), GEANT4 and PHITS3.26. The devices studied have been those used during the project: WENDI-2, LUPIN-2, PRESCILA and Berthold LB6411. Simulations and experimental measurements have also been carried out in continuous neutron fields, using an 241AmBe source inside the Neutron Measurement Room of the Nuclear Technology Laboratory of the Energy Engineering Department of the Polytechnic University of Madrid (DIE-UPM). Considering that the recent ICRU Report 95 (2020) proposes changes in the operational magnitudes, the response of the teams to the next new area surveillance magnitude, H*, ambient dose, has been evaluated.
In chapter 5, dedicated to personal surveillance, the performance of different personal neutron dosimeters has been characterized and evaluated, through the Monte Carlo codes, MCNP6 and GEANT4, for use in proton therapy centers. Three different types of dosimeters have been simulated: thermoluminescence-based albedo passives, trace passives and active dosimeters. The personal equivalent dose, Hp(10)cal reached with personal dosimeters, has been compared with the environmental equivalent dose, H*(10)ref, in different proton centers, and local correction factors have been calculated, depending on the center and dosimeter type.
In chapter 6, the main objective has been to study the impact on radiological protection of different methods of dose application with greater projection and development. The methods compared were intensity modulated proton therapy (IMPT), proton monoenergetic arc therapy (PMAT), and proton flash therapy (PFT). For PMAT, both experimental measurements and simulations with various Monte Carlo codes (MCNP6 and PHITS) have been carried out. For Flash, the results have been calculated with Monte Carlo simulations. The experimental measurements comparing PMAT and IMPT were carried out at the Roberts Proton Therapy Center (RPTC) of the University of Pennsylvania, in Philadelphia, taking advantage of the work of Dr. Carabe-Fernández, during the doctoral international stay in 2019 and 2020.
Finally, in chapter 7, the activities developed have been recapitulated in a process with ten main recommendations, aligned with the requirements from Nuclear Regulator. The main goal is to guarantee compliance with dose limits for clinical and technical personnel and the public.
The development of more efficient radiological protection measures could significantly reduce the cost and size required to implement proton therapy centers, and therefore a greater number of people could benefit from the great advantages of these treatments.