Contribuciones a la protección radiológica operacional y la dosimetría de neutrones en centros compactos de protonterapia

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 y PHITS), como medidas experimentales en centros de España y USA. Los principales equipos experimentales y de detección han sido aportados por el Laboratorio de Tecnología Nuclear 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. Palabras clave: Protonterapia; Protección radiológica; Dosimetría de neutrones; Monte Carlo Código UNESCO: 332000 (Tecnología nuclear), 331319 (Maquinaria nuclear), 220806 (Detectores de partículas), 320112 (Radioterapia)