Tecnologias na Radioterapia e aplicação na Engenharia Biomédica
Fonte: Trabalho de Física Médica-UFPE
Recife, junho de 2010
Alunos(a): Ana Laisi M. Parente, Cayo Leal
A cada ano, o câncer mata aproximadamente sete milhões de pessoas no mundo, segundo cálculos do Fundo de Pesquisas sobre o Câncer Mundial, que, no entanto, acha que este número pode chegar a 16 milhões até 2020. Contudo, se a doença é diagnosticada a tempo no paciente, há grandes possibilidades da pessoa sobreviver à doença, ou pelo menos prolongar um pouco o tempo de vida que a resta.
A Radioterapia é um tratamento que ajuda no combate ao câncer, através de radiações que atingem diretamente o tumor, com esse ataque a velocidade da regressão tumoral apresenta um grau de sensibilidade, pois a célula tumoral apresenta um poder de divisão fora dos padrões de uma célula normal, ou seja, a radiação atinge as células que apresentam maior atividade no corpo, logo, as células tumorais.
Conceito
Câncer é o nome dado ao crescimento desordenado de células que invadem os tecidos e órgãos, podendo espalhar-se (metástase) para outras regiões do corpo. Dividindo-se rapidamente, estas células tendem a ser muito agressivas, se dividem sem respeitar os limites normais, invadem e destroem tecidos adjacentes, e podem se espalhar para lugares distantes no corpo, determinando a formação de tumores (acúmulo de células cancerosas) ou neoplasias malignas. Por outro lado, um tumor benigno são auto-limitados em seu crescimento e nao invadem tecidos adjacentes (embora alguns tumores benignos sejam capazes de se tornarem malignos).
Figura 2: Células Cancerígenas
Como se comportam as Células Cancerosas:
• Multiplicam-se de maneira descontrolada, mais rapidamente do que as células normais do tecido à sua volta, invadindo-o. Geralmente, têm capacidade para formar novos vasos sanguíneos que as nutrirão e manterão as atividades de crescimento descontrolado, o acúmulo dessas células forma os tumores malignos.
• Adquirem a capacidade de se desprender do tumor e de migrar, invadem inicialmente os tecidos vizinhos, podendo chegar ao interior de um vaso sangüíneo ou linfático e, através desses, disseminar-se, chegando a órgãos distantes do local onde o tumor se iniciou, formando as metástases. Dependendo do tipo da célula do tumor, algumas dão metástases rapidamente e mais precocemente, outros o fazem bem lentamente ou até não o fazem.
• As células cancerosas são, geralmente, menos especializadas nas suas funções do que as suas correspondentes normais. Conforme as células cancerosas vão substituindo as normais, os tecidos invadidos vão perdendo suas funções. Por exemplo, a invasão dos pulmões gera alterações respiratórias, a invasão do cérebro pode gerar dores de cabeça, convulsões, alterações da consciência etc.
• Radioterapia
É um tratamento no qual se utilizam radiações para destruir células tumorais, empregando feixe de radiações ionizantes. Uma dose pré-calculada de radiação é aplicada, em um determinado tempo, a um volume de tecido que engloba o tumor, buscando erradicar todas as células tumorais, com o menor dano possível às células normais circunvizinhas, à custa das quais se fará a regeneração da área irradiada.
As radiações ionizantes são eletromagnéticas ou corpusculares e carregam energia, ao interagirem com os tecidos, dão origem a elétrons rápidos que ionizam o meio e criam efeitos químicos como a hidrólise da água e a ruptura das cadeias de DNA. Estas radiações não são vistas e durante a aplicação o paciente não sente nada.
A resposta dos tecidos às radiações depende de diversos fatores, tais como a sensibilidade do tumor à radiação, sua localização e oxigenação, assim como a qualidade e a quantidade da radiação e o tempo total em que ela é administrada.
Para que o efeito biológico atinja maior número de células neoplásicas e a tolerância dos tecidos normais seja respeitada, a dose total de radiação a ser administrada é habitualmente fracionada em doses diárias iguais, quando se usa a terapia externa. A morte celular pode ocorrer então por variados mecanismos, desde a inativação de sistemas vitais para a célula até sua incapacidade de reprodução. A Metade dos pacientes que possuem câncer, geralmente são tratados com radiações, e é cada vez maior o número de pessoas que ficam curadas com este tratamento. Para muitos pacientes, é um meio bastante eficaz, fazendo com que o tumor desapareça e a doença fique controlada, ou até mesmo curada.
Quando não é possível obter a cura, a radioterapia pode contribuir para a melhoria da qualidade de vida. Isso porque as aplicações diminuem o tamanho do tumor, o que alivia a pressão, reduz hemorragias, dores e outros sintomas, proporcionando alívio aos pacientes.
A velocidade da regressão tumoral representa o grau de sensibilidade que o tumor apresenta às radiações. Depende fundamentalmente da sua origem celular, do seu grau de diferenciação, da oxigenação e da forma clínica de apresentação. A maioria dos tumores radiossensíveis são radiocuráveis. Entretanto, alguns se disseminam independentemente do controle local, outros apresentam sensibilidade tão próxima à dos tecidos normais, que esta impede a aplicação da dose de erradicação. A curabilidade local só é atingida quando a dose de radiação aplicada é letal para todas as células tumorais, mas não ultrapassa a tolerância dos tecidos normais.
Como a radioterapia é um método de tratamento local e/ou regional, pode ser indicada de forma exclusiva ou associada aos outros métodos terapêuticos. Em combinação com a cirurgia, poderá ser pré-, per- ou pós-operatória. Também pode ser indicada antes, durante ou logo após a quimioterapia. A radioterapia pode ser radical (ou curativa), quando se busca a cura total do tumor; remissiva, quando o objetivo é apenas a redução tumoral; profilática, quando se trata a doença em fase subclínica, isto é, não há volume tumoral presente, mas possíveis células neoplásicas dispersas; paliativa, quando se busca a remissão de sintomas tais como dor intensa, sangramento e compressão de órgãos; e ablativa, quando se administra a radiação para suprimir a função de um órgão, como, por exemplo, o ovário, para se obter a castração actínica.
Equipamentos utilizados na Radioterapia:
Raio-X de Quilovoltagem
Três tipos de terapia fazem uso desse equipamento: terapia de contato, superficial e profunda. No aparelho, os elétrons são acelerados por meio de uma diferença de potencial entre dois eletrodos (cátodo e ânodo). O cátodo consiste em um filamento helicoidal de tungstênio, que quando aquecido, libera elétrons em direção ao ânodo, formando uma corrente eletrônica que viaja diretamente entre o filamento e o ânodo (também conhecido como alvo). A desaceleração causada pela colisão dos elétrons com o alvo emite radiação X. Os raios-x vão para todas as direções, por isso uma carapaça metalizada envolve a ampola, deixando passar apenas um feixe de radiação direcionado. Como grande parte da energia é convertida em calor, o alvo tem que ser feito de um material de alto ponto de fusão, como o tungstênio. A ordem da voltagem aplicada é quilovolt e a corrente de elétrons é da ordem de miliampère (mA). Esse processo é limitado, não atingindo energias muito altas.
Terapia de Contato
É o primeiro tipo de terapia que faz uso de equipamentos de raios x de quilovoltagem. Estes aparelhos operam com quilovoltagem entre 30 e 50 kVp (kilo volt pico) e, normalmente, com 2 mA de corrente. Alcançam profundidades de até 2 cm nos tecidos, mas atualmente vêm sendo substituídos pela eletronterapia, que emite um feixe de elétrons com energia entre 4 e 10 MeV, em uma profundidade de até 5 cm.
▪ Terapia Superficial - Também opera com equipamentos de raios x, porém com potenciais de 50 a 150 kVp e com corrente entre 10 e 20 mA. A distância foco-superfície fica entre 20 e 40 cm.
▪ Terapia Profunda (ou Ortovoltagem) - O equipamento de raios x atua em potenciais entre 150 e 300 kVp, com corrente no tubo entre 10 e 20 mA. A distância foco-superfície fica entre 30 e 50 cm.
Figura : Raio-X de Quilovoltagem - Ortovoltagem (Stabilipan)
Atualmente os equipamentos de Ortovoltagem cederam lugar para os equipamentos de Megavoltagem, pois o poder de penetração dos equipamentos de megavoltagem é bem superior que os equipamentos de ortovoltagem. Por isso, os esquemas de tratamento e composições de campo utilizadas com aparelhos de cobalto e Aceleradores Lineares produzem uma homogeneidade de dose e menor irradiação dos tecidos sadios em níveis incomparáveis aos da ortovoltagem.
Equipamentos de Megavoltagem (Aceleradores Lineares)
Submetidos às altas velocidades entre um pólo positivo (+) e negativo (-), os elétrons chocam-se com um anteparo metálico de alto número atômico, localizado na extremidade positiva. Tudo isso ocorre dentro de um tubo com vácuo, o que aumenta ainda mais a velocidade dos elétrons. A bruta desaceleração causada pela colisão dos núcleos dos átomos do anteparo com os elétrons,faz com que os últimos liberem energia. Tal energia, que fica na faixa de 1 MeV ou mais, é transformada em raios x.
O princípio básico de funcionamento dos aceleradores lineares baseia-se na utilização de um tubo cilíndrico, cujo interior possui discos metálicos com um orifício no meio. Esses discos estão de tal maneira que fique uma fileira ordenada alternadamente com pólos negativo, positivo, negativo, positivo. No momento em que os elétrons são guiados por microondas geradas em pequenos pulsos (ou ondas de radiofreqüência), o feixe de elétrons passa pelos orifícios dos discos e aumenta de velocidade. Dessa maneira, e com campos elétricos variáveis, os elétrons são acelerados até a energia desejada. Os aceleradores lineares apresentam muitas vantagens em relação aos outros aparelhos. Apesar de gerarem muito mais energia, o mecanismo de precisão dos aceleradores é mais seguro e a taxa de dose de radiação é fixa ao longo do tempo. Eles também não fazem uso de elementos atômicos que precisam ser guardados após sua vida útil. Isso não acontece com os aparelhos de cobalto, nos quais as fontes de radiação precisam ser devolvidas em contêineres especiais para a fábrica, onde serão mantidos em observação rigorosa por anos. Por outro lado, os aceleradores precisam de maior manutenção e pessoal mais habilitado para o seu funcionamento.
Atualmente, o principal objetivo dos estudos referentes à radioterapia é o desenvolvimento de técnicas e equipamentos que permitam a liberação de doses altas de radiação no volume a ser tratado, mantendo-se as doses nos tecidos vizinhos em valores tão baixo quanto possível.
Com o intuito de aumentar a eficiência do tratamento radioterápico, aceleradores lineares de uso médico de alta energia ( acima de 10 MV ) são utilizados. No entanto, a interação dos feixes primários de fótons e elétrons com os materiais constituintes do cabeçote do acelerador produzem feixes terapêuticos que são contaminados por nêutrons. Esses fotonêutrons (nêutrons gerados por fótons) atravessam o cabeçote do acelerador em todas as direções, contribuindo com uma dose indesejável para o paciente. Dessa forma, o conhecimento dos espectros de fotonêutrons gerados em aceleradores clínicos é importante, para a determinação dos valores de dose de nêutrons administrados aos pacientes num tratamento de radioterapia.
Figura : Esquema de um acelerador linear: 1-Fonte de elétrons; 2-Alvo; 3-Feixe de elétrons ou fótons, 4-Mesa de tratamento.
Figura : Acelerador Linear (Toshiba- Mitsubishi LMR)
Telecobaltoterapia
Fontes de Co-60 liberam fótons com energias de 1,17 MeV e 1,33 MeV. Como a fonte é radioativa, a emissão de fótons é contínua, ou seja, a fonte não para de emitir fótons. Quando a máquina está desligada, a fonte permanece guardada numa blindagem adequada para evitar a saída dos raios gamas.
Como conseqüência do decaimento radioativo, as fontes de alta atividade(centenas de GBq), dos aparelhos de cobalto-60 diminuem de intensidade na taxa de 1,1% ao mês. Depois de 5,27 anos, que é o valor de meia-vida do Co-60, o tempo de exposição do paciente ao feixe é maior em relação ao inicial para que seja atingida a mesma dose. Isto acarreta uma chance maior do paciente se mover, principalmente, quando sente dores intensas, fazendo com que o tumor fique fora do campo de irradiação, não seja adequadamente tratado e, também, que partes sadias entrem no campo e sejam lesadas.
Desse modo, uma fonte de cobalto-60 de teleterapia deve ser trocada pelo menos a cada 8 anos. Entretanto, deve ser enfatizado que os aparelhos que portam uma fonte de cobalto-60 necessitam de menos manutenção dos que os aceleradores lineares.
Não mais recomendado como fonte desse aparelho, devido a sua baixa penetração e rendimento, o césio-137 ainda pode ser encontrado em serviços mais antigos. Hoje, a fonte de radiação utilizada é o cobalto-60, graças ao advento dos reatores nucleares, que permitiram a produção de radioisótopos de alta atividade. O cobalto-60 emite 1,17 a 1,33 MeV de energia na forma de raios gama, e por esta energia ser emitida continuamente e para todas as direções, a fonte fica armazenada em um invólucro de chumbo e urânio. Para se utilizar o feixe gama, há mecanismos de exposição da fonte, que se baseia em sistemas rotacionais como na figura abaixo.
Alguns itens básicos de segurança radiológica de sua instalação são:
◦ DISPOSITIVO DE INTERTRAVAMENTO DA PORTA;
◦ INDICAÇÃO MECÂNICA DE FEIXE ATIVADO;
◦ EXISTÊNCIA DE DISPOSITIVO PARA RECOLHIMENTO MECÂNICO EMERGENCIAL DA FONTE;
◦ DOSIMETRIA SISTEMÁTICA E RECENTE DOS FEIXES.
Figura : Fonte de Cobalto
Materiais que auxiliam na Radioterapia:
Colimadores
São utilizados quando deseja-se proteger regiões e órgãos críticos. Colimadores são de materiais que absorvem a radiação (geralmente de chumbo), impedindo-a de atingir o paciente. As regiões a serem protegidas são desenhadas na radiografia, que serve de referência para a confecção de um molde de isopor que é utilizado para produzir o definitivo em chumbo. Para a confecção do molde de isopor utiliza-se um cortador que consiste de um fio metálico através do qual passa uma corrente elétrica, aquecendo-o. Este fio segue uma trajetória equivalente à projeção do feixe de radiação até o paciente. O isopor é posicionado a uma distância da origem do fio que é a mesma em que será posicionada a bandeja em relação ao foco de radiação no equipamento de teleterapia (73,5 cm).
Figura : Esquema para a confecção do molde
Figura : Marcação da área a ser protegida a
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| Figura : Forma do isopor retirado |
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| Figura: Proteção Pronta, feita correspondente a moldura. com chumbo. |
Figura : Visualização do aplicador com bloco de proteção.
Telas Termoplásticas
Material polímero que possui a propriedade de amolecimento quando aquecido e assume novamente a rigidez tão logo resfriado. É disponibilizado comercialmente em forma de placas com moldura plástica de suporte. Tem seu uso crescente em radioterapia na confecção de máscaras e suportes de imobilização.
Figura : Frame termoplástico
Figura : Posicionamento da máscara para cabeça e pescoço. sobre o paciente.
Tecnologias utilizadas na Radioterapia
Os avanços recentes na radioterapia incluem dois novos métodos de tratamento. Esses desenvolvimentos podem ajudar a reduzir os efeitos colaterais e aumentar o sucesso do tratamento. É importante lembrar, entretanto, que os tratamentos mais recentes são freqüentemente considerados experimentais até que possam demonstrar a mesma taxa de sucesso que as formas mais tradicionais de terapia. Além disso, esses tipos mais recentes de terapia podem não estar disponíveis em todos os centros de radioterapia. O médico pode aconselhar sobre o tratamento correto.
Terapia Conformacional Tridimensional-
A radioterapia conformacional tridimensional é uma modalidade técnica recente dentro da radioterapia. Ela permite que o feixe de raio-X produzido por um acelerador linear, possa adquirir o formato exato do volume tumoral a ser irradiado, ou seja, a radioterapia conformacional tridimensional faz com que o feixe incida retangularmente sobre um paciente quando tratado de forma convencional, seja modelado de acordo às particularidades geométricas de cada tumor ou órgão a ser tratado nas mais variadas angulações. Para que este efeito ocorra, é necessário contar com sofisticados recursos técnicos que vão desde a aquisição de cortes tomográficos do paciente no processo de simulação, passando pelo uso de programas computadorizados para reconstrução volumétrica tridimensional, e terminando com a modelação do feixe durante as aplicações da radioterapia, não podemos deixar de mencionar que o material humano é de vital importância em todas estas etapas, pois este é um novo conceito de radioterapia, onde a capacitação e o aprimoramento constante do profissional são indispensáveis.
A radioterapia conformacional tridimensional, permite que doses mais altas de radiação sejam liberadas no tumor, leito tumoral ou órgão doente, e ao mesmo tempo minimiza danos agudos ou tardios aos tecidos vizinhos, desta forma proporciona aos pacientes maiores chances de cura e menos efeitos adversos do tratamento. É por estes motivos que a radioterapia conformacional tridimensional é a modalidade técnica de radioterapia empregada nos melhores centros de tratamento de câncer ao redor do Mundo, por exemplo, esse tipo de Radioterapia pode ser encontrado no IMIP –Recife –PE, no qual possui um software (XiO da empresa Elekta), que consiste em um sistema de planejamento de tratamento abrangente, que pode suportar uma variedade de modalidades de tratamento, incluindo 2D, 3D, IMRT(Radioterapia com Intensidade Modulada), braquiterapia e tratamento de partículas (prótons e íons de carbono). Resumindo, com o XiO os profissionais do Imip conseguem calcular a dose
ideal para cada paciente, e também podem simular cada radioterapia que é realizada no paciente, ou seja, depois de feita a sessão de radioterapia no paciente, o profissional irá comparar através de radiografias o resultado do tratamento real com o tratamento simulado, e com isso eles terão o parecer se o tratamento está sendo como o esperado e com isso dando bons resultados.
Mesmo a dose sendo calculada pelo software, o físico responsável pelo setor, irá realizar os cálculos manualmente, para confirmar se realmente a dose esta calculada corretamente, pois, qualquer erro nesses cálculos poderá prejudicar o paciente,portanto, se a dose não surtir o efeito desejado no tratamento o paciente não poderá realizar sessões de radioterapia novamente.
Esse tipo de Radioterapia é uma área bastante interessante para o Engenheiro Biomédico, pois ele será um profissional apto a realizar os cálculos de doses necessários para o tratamento de um determinado paciente e especificadamente o tipo de câncer e a sua localidade, e ainda mais, ele será o responsável em fazer toda simulação computadorizada da radioterapia realizada no paciente.
Essa área apresenta-se em evolução no Brasil, ela só é encontrada nos maiores centros de Radioterapia no país. No exterior, essa área está bem desenvolvida.
Figura : Imagem do programa CAT-3D MEVIS
Visualizamos na imagem a análise que é feita em um paciente que tem câncer de próstata.
Figura : Análise de dose em 3 planos (radioterapia conformacional 3D)
Figura : Regiões selecionadas para o tratamento com radiação (Radioterapia Conformacional 3D). A área que é mostrada nas imagens acima, são originadas da próstata.
Radioterapia Conformacional com feixe de prótons:
A radioterapia conformacional com feixe de prótons é outro novo tipo de radioterapia. Essa técnica é semelhante à 3D-CRT, exceto pelo fato de utilizar prótons para produzir o feixe de radiação. Os prótons são partículas microscópicas que produzem energia na forma de um feixe de radiação. Os feixes de prótons podem atravessar o tecido sadio sem danificá-lo, ao mesmo tempo em que tem por objetivo atacar o tecido canceroso.
Papel do Engenheiro Biomédico na Radioterapia
▪ Na Radioterapia o Engenheiro Biomédico tem um papel bastante importante, por exemplo, exercer a função de Dosimetrista, que tem por finalidade executar atividades de calibração do feixe, controles de qualidade das unidades de tratamento, de planejamento, incluindo sua participação nos procedimentos de localização, simulação e irradiação.
▪ O engenheiro pode elaborar, implementar e revisar o Plano de Proteção Radiológica com a freqüência nele estabelecida, para garantir que as fontes e equipamentos emissores de radiações ionizantes sejam utilizados de forma segura de acordo com as normas de segurança e proteção radiológica vigentes e as restrições
estabelecidas na Autorização para Operação concedida pela CNEN;
▪ O Engenheiro Biomédico pode ter o papel de garantir a segurança e o desempenho de todos os equipamentos e fontes sob sua responsabilidade, ou seja, realizar uma manutenção preventiva do equipamento.
▪ O Engenheiro possui o papel calibrar regularmente os feixes terapêuticos utilizando protocolos nacionais ou, na falta destes, protocolos internacionais recomendados pela AIEA;
▪ O engenheiro pode conduzir o programa de controle da qualidade dos equipamentos, instrumentos e acessórios de radioterapia e dosimetria;
▪ O Engenheiro tem a função de manter o dosímetro clínico (eletrômetro e câmara de ionização) e o monitor de área calibrados por laboratório de referência autorizado pelo Laboratório Nacional de Metrologia das Radiações Ionizantes, por delegação do
INMETRO;
▪ O Engenheiro tem o papel de supervisionar o funcionamento dos equipamentos utilizados e os trabalhos de manutenção;
▪ Na Radioterapia podemos também encontrar toda a função que exercida pela Engenharia Clínica, entre elas estão: Responsável pela compra do equipamento se necessário, verificar se o corpo técnico da área apresenta capacitação para tal função,com isso, saber utilizar o equipamento de forma correta; Acompanhamento de serviços de manutenção,logo, saber se está sendo feito corretamente e etc.
