Contribuciones a la protección radiológica operacional en

Contribuciones a la protección radiológica operacional en centroscompactos de protonterapia (CPTC)

Eduardo Gallego (UPM) - Director

José Mª. Gómez-Ros (Ciemat) – Co-Director

Hector R. Vega-Carrillo (UAZ)

Lenin E. Cevallos-Robalino

Karen A. Guzmán-García (UAZ)

Roberto García-Baonza (UPM)

Gonzalo GarcíaDIN-ETSII-UPM

Investigador y Profesor ayudante

[email protected]

mailto:[email protected]

Contenidos

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Motivación y proyecto

1. IntroducciónCampos neutrónicos en protonterapiaProtección radiológica operacional de CPTC

2. Materiales y métodosCentros compactos (CPTC) estudiadosSimulaciones y medidas experimentales

3. Resultados y discusiónEstudio de blindajes y Dosis Equivalente Ambiental, H*(10)Estudio de activaciónCaracterización de equipos de medidaEstudio de dosímetros personales en protonterapiaEstudio del impacto de los nuevos métodos de aplicación de dosis

Conclusiones generales del trabajo

Contribuciones a la protección radiológica operacional en centros compactos de protonterapia (CPTC)

Motivación y proyecto

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• Proyecto de investigación, colaboración empresa/organismo investigación: Contribuciones a la protecciónradiológica operacional y dosimetría de neutrones CPTC.

• Primera etapa: 3 años (Feb. 2018 – Enero 2021) à TFG’s + TFM’s + TD’s

• Objetivos: PT fuente continua de innovaciones. Impacto de los avances en PT en la PR de estos centros.Desarrollo de metodologías para analizar la protección radiológica operacional, dosimetría de neutrones,eficiencia de los blindajes, dosimetría personal.

Parte 1Modelos de CPTC con MCNP6

1. Materiales y geometría

2. Fuentes de radiación

3. Carga de trabajo

Parte 2Medidas experimentales en CPTC

1. Caracterización de REM-metros y espectrómetros

2. Medidas experimentales en centros de protonterapia

3. Ampliación de monitores y sistemas de espectrometría

Parte 3Análisis de sensibilidad

1. Comparación de materiales y geometría

2. Comparación de Modelos físicos

3. Comparación de REM-metros y detectores

Objetivo específico de la presentación: resumen de las actividades desarrolladas para el diseño de la protección radiológica operacional en CPTC

Doctorado Industrial de la Comunidad de Madrid, nº

IND2017/AMB-7797UPM – Bioterra, SL


• Protonterapia (PT): Radioterapiaexterna con haces de protonesacelerados a energías cinéticasentre 70 y 230 MeV.

• Ventajas: Mejoras dosimétricas enel tratamiento de ciertos tipos detumores y casos clínicos debido ala curva de deposición de dosis enprotones.

• PT en España: Primer centro dic-19, segundo abr-20. Otros centrosen previsión y concurso en variasciudades.

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Introducción Interacciones de protones de tratamiento

1) Stopping(Inelastic) 2) Scattering(Elastic) 3) Nuclear In.)

Ionization Nuclear Coulomb Scattering (MCS) Nuclear reaction (Spa)

Dose in tumour Lateral penumbra PR)

0.6 c

Aproximadamente 1% neutrones à tratamiento tipo 108 protones ≈ 106 neutrones

1/3 neutrones > 10MeV

Impacto de los campos neutrónicos en la dosimetría ambiental y personal en CPTC


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Introducción


1. Dosis secundaria dentro de la sala de tratamiento (indeseada pero inevitable)

2. Dosis ambiental fuera de la sala de tratamiento àblindaje/dosimetría

3. Activación en muros y cerramientos4. Skyshine5. Activación en agua auxiliar y de la capa freática

6. Activación de elementos mecánicos de la instalación

Consecuencias de los campos neutrónicos sobre PR en protonterapia

Desarrollo basado en Fundamentals Safety Principe,IAEA

(SF-1 IAEA, 2006,)

Certificar que el blindaje se ha ejecutado de acuerdo con el diseño en la solicitud inicial.

Resultados de las comprobaciones y pruebas de blindaje

Certificado de materiales con densidad (composición)

Sistema de detección y control ambiental en funcionamiento

Justificación, Limitación (1 mSv / año), Optimización (ALARA)

Dosimetría personal de personal y trabajadores (pasivo + activo)

Material y métodos

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Centros compactos estudiados (CPTC)


Number Acelerator Rooms Footprint (Aprox) Strat date

1 Synchrocyclotron 1 360 m2 Dec. 2019

2 Synchrotron 1+(1) 800 m2 Ap. 2020

Acelerator Energy of Protons Beam Delivery Proton Field Gantry Rotation

Synchrocyclotron Fixed (235 MeV) PBS Continuous* 220º

Synchrotron Variable (70-230 MeV) PBS Pulsed 360º

Main features considered in neutron production and measurements

Material y métodos

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Características específicas de los CPTC


Por lo general, disponen de una sala de tratamiento, máximo dos

Tamaño reducido y compacto (mayor densidad de radiación)

Geometría y equipamiento estándar

Equipos muy avanzados tecnológicamente para reducir el tamaño

Uso intensivo de nuevos materiales en barreras y equipos

Modo de aplicación de dosis: Pencil Beam Scanning (PBS)

Mezcla de trabajadores expuestos: personal médico y clínico (hospital)+ personal técnico (proveedor de la tecnología)

Material y métodos

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Principales parámetros utilizados encódigo de cálculo MCNP6

107 - 109 historias

Incertidumbre est. < 3%

25 grupos de energía

10-8 MeV – 230 MeV

INC à CEM03.03

EVM à GEM

S(a,b) Modelo in PE

Las reacciones consideradas alcanza hasta los 230 MeV, por lo quese requiere el uso de modelos físicos de cascada intranuclear másevaporación, pues las librerías actuales procesan datos nucleareshasta 20 MeV o 150 MeV, en función de cada librería y del isótopoconsiderado.

Opción mix & match de MCNP6

Modelos por defecto del MCNP6.2, CEM03.03 + GEM

LibreríasENDF/B (versión VII.1)JEFF (versión 3.3),TENDL 2017 y 2019S(a,B) de la ENDF71SaB (ENDF/B-VII.0)

Material y métodos

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Medidas experimentales:Rem-meters y monitores de amplio rango

Sensitivity Sensitivity

à flash

PRESCILA

C=350 (counts/min)/(mrem/h)C = 476,2 pSv/count

Resultados y discusión

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Blindaje y Dosis equivalente ambiental, H*(10)


Main interaction of protons in Synchrocyclotron (SC)Element Energy (MeV) %

LossesMaterial

Accelerator (SC) 230 75% Fe, Cu

Degrader (ESS) 230 25% C

Collimator (ESS) 70 – 230 44% Ta

Divergence Slits 70 – 230 5% Ni

Divergence Momentum 70 – 230 1% Ni

Patient-Phantom 70 – 230 100% Tissue

Fuentes de radiación: estudio de pérdidas en línea de protones, mapa de isodosis

Main interaction of protons in Synchrotron (SC)Element Energy (MeV) % Losses Material

Linac/Injection/LEBT 7.5 60% Fe, CuAccelerator (S) 70 – 230 40% Fe, Cu

HEBT 70 – 230 10% Fe, CuDivergence Slits 70 – 230 5% Ni

Divergence Momentum 70 – 230 1% Ni

Patient-Phantom 70 – 230 100% Tissue

Dosis equivalente Ambiental, H*(10), en el exterior de los muros del bunkerEvaluación del blindaje propesto a priori por los fabricantes de equipos


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Comparación de instalaciones compactascon sincrociclotrón y con sincrotrón

Both facilities always belowinternational legal limits(1 mSv, general public)

SynchrocyclotronOne treatment room

360 m2 footprint2.8 m thickness in main barriers

SynchrotronOne treatment room expandable

800 m2 footprint2 m thickness in main barriers

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Activación de muros y cerramientos


Atenuación en función del tipo de hormigón Comparativa final de hormigones

Mejor opción:Diferentes tipos dehomigón en diferentessitios en función de lasituación en el bunker

Que tipo de hormigón es la major opción en muros? à Considerar blindaje y decomisionado


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Activación de equipos, agua y aire


Neutron capture in 40Ar: 40Ar(n,𝛾)41Ar (Cross section 40Ar, σ = 610 mb)Spallation processes on 14N and 16O atoms, with neutrons above 20 MeV of energyAir renewal rate, r (r > 6 RPH, λeffective= λ+r ), underpressure, buffering and humidity

Acctivation del aire

Activation de agua de la instalación (auxiliar y freática)Spallation processes on O atoms, with neutrons above 20 MeV of energyProductions of same radionuclides as air, except 41Ar:

Long-lived isotopes: 3H and 7Be Short-lived isotopes: 11C, 13N, 15O,

Activación de los components metálicos (acelerador, elementos de la línea,…)Spallation, (n,x), and neutron capture, (n,𝛾), processes

Long-lives isotopesyielded directly with protons

Many equipment and elementsof the facility with natural Cu

Spallation processes with high energy neutrons (En>20 MeV) in Oxygene (16O)

Target Reaction Cross section (mb)

Nuclide yielded

Half-life

16O 16O(n,x)3H 30 3H 12.3 y 16O 16O(n,x)7Be 5 7Be 53.3 d 16O 16O(n,x)11C 5 11C 20.4 m 16O 16O(n,x)13N 9 13N 1.18 m 16O 16O(n,x)15O 40 15O 2.04 m

Spallation processes with high energy neutrons (En>20 MeV) in Nitrogen

(14N) Target Reaction Cross section

(mb) Nuclide yielded

Half-life

14N 14N(n,x)3H 30 3H 12.3 y 14N 14N(n,x)7Be 10 7Be 53.3 d 14N 14N(n,x)11C 10 11C 20.4 m 14N 14N(n,x)13N 10 13N 1.18 m


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Caracterización de Rem-meters ydetectores neutrónicos de amplio rango


Resultados y discusiónDosis equivalente Ambiental H*(d)

[ICRP 1996] d=10 mm à H*(10) [Sv]

h à factores de conversion de fluenciaa dosis equivalente [Sv·cm2]

r à respuesta absoluta[cuentas·cm2]

C à factor de calibración[Sv/cuenta]

Teoría

Realidad

R(E) [Sv·cm2]

[16]

[16]

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Evaluación del desempeño de los dosímetros personales para protonterapia


Resultados y discusiónDosemeters, active (DLD)

Dosemeters, Albedo (TLD)

Dosemeters, Track etch

Selección del dosímetro personal más adecuado para CPTC

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Resultados y discusiónPT.1 à Passive methods à Scattering à High production of secondary neutrons

PT.2 à Active methods à Pencil Beam Scanning (PBS) à IMPT (Intensity modulated proton therapy)

PT.3 à In-development methods

- Flash-therapy- Mini-beams- PMAT (Proton monoenergetic arc therapy)

Comparing neutron secondary fields yielded with several proton delivery method: PMAT, IMPT…

ScatterersRange modulatorRange shifterCollimatorCompensator…..

Evaluación de los campos neutrónicos con nuevos modos de aplicación de dosis (Ponencia 1159)

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Conclusiones1. Se requiere un blindaje de neutrones adecuado para las barreras en el acelerador y la sala de tratamiento para limitar

las dosis del personal. El diseño del blindaje podría basarse en simulaciones de transporte de radiación de Monte Carlo;sin embargo, se debería realizar la validación y estimación de las dosis del personal mediante mediciones conmonitores portátiles de neutrones y rayos gamma.

2. Desde el punto de vista de la activación, los hormigones más recomendados son aquellos con menor contenido deimpurezas que pueden activarse y generar residuos. Sin embargo, desde el punto de vista de la atenuación, loshormigones de alta densidad (con magnetita) o con alto contenido de hidrógeno (con colemanita) son más eficientes.

3. Deben instalarse monitores de neutrones y gamma ambientales fijos para monitorear las tasas de dosis en lugarescríticos, lo que también es importante para la radiación gamma debido a la activación de elementos de la instalación. Esnecesario dispositivos portátiles para la detección de gamma, neutrones y contaminación, con el fin de verificardiferentes elementos y punto de la instalación.

4. Se deben utilizar dosímetros de neutrones personales tanto para el personal médico como para el técnico. Haydiferentes tipos pero serían necesarios dosímetros gamma y dosímetros de neutrones. Para algunas operaciones seríaaconsejable dosímetros de anillo y dispositivos activos (APD).

5. Los monitores de neutrones ambientales y los dosímetros de neutrones personales deben poder medir neutrones dealta energía, siendo necesario aplicar un factor de corrección específico de cada instalación. El factor de correcciónespecífico del lugar de trabajo por caracterización de campo debe llevarse a cabo con los dispositivos neutrónicos y deespectrometría apropiados (monitores pasivos, esferas Bonner, …)


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Difusión del trabajo


8 publications JCR (Q2/Q3)35 international conference

presentations

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Creditos de figuras


[1] Paganetti, H. Proton beam therapy.IOP ebook. 2017

[2] García-Fernández, G.F., Gallego, E. and Nuñez, L., (2019). Los nuevos Centros de Protonterapia en España. Radioprotección. Publication SEPR, 94, marzo: 19-28.

[3] Gottshalks, B. Radiotherapy proton interactions in matter. Chapter 2 in: Proton Therapy Physics, 2nd edition, H. Paganetti ed., Taylor & Francis (2018).

[4] Carabe-Fernández, A. Current trends on radiobiological optimization in proton radiotherapy. 2nd. International webinar in radiotherapy. Sevilla. 2018.

[5] Zeman J. Reactor Physics I. CVUT 2003 (in Czech).

[6] CSN. Webmail. Online 2019.

[7] García-Fernández, G.F. et al., Intercomparing of stray neutron fields produced by synchrocyclotrons and synchrotrons used in CPTC, Journal of Nuclear Spanish Society (SNE), Award-Wining Pres. 45th Annual Meeting.

[8] García-Fernández, G.F. et al., Neutron dosimetry and shielding verification in Commissioning of CPTC using MCNP6.2 Monte Carlo code, Applied Radiation and Isotopes, 2020: 109279.

[9] NCRP, 2005. Radiation Protection for Particle Acceleration Facilities. Recommendations of the National Council on Radiation Protection and Measurements, Report 144, Revision. NCRP.

[10] Lee, A. et al. Comparison of physics model for 600 MeV protons and 290 MeV/n oxygen ions on carbón in MCNPX. J. Radiat. Prot. Res. 41, 123–131.

[11] ICRP, 1996. Conversion coefficients for use in radiological protection against external radiation. Annals of the ICRP Vol. 26, 3/4, ICRP Publication 74.

[12] Titt, U., Pera, E. and Gillin, M.T. Monte Carlo simulations if neutron ambient dose equivalent in a novel proton therapy facility design. Int. journal of Particle Therapy, 2020.

[13] García-Fernández, G.F. et al, Study of neutron activation in shielding of CPTC with different types of concrete using the MCNP6 code and its applications in nuclear power plans and facilities. Oral presentation at Annual Meeting of Nuclear Spanish Society. Online, 2020.

[14] Vaudenhove, T. Shielding Study against High-Energy Neutrons produced in a Proton Therapy Facility by means of Monte Carlo Codes and On-Site Measurements. Doctoral Thesis. ULB. 2017

[15] Dinar, N., et al. Instrument intercomparison in the high-energy field at the CERN-EU reference field (CERF) facility and comparison with the 2017 FLUKA simulations. Radiation Measurements 117: 24-34.2014.

[16] García-Fernández, G.F. et al., Monte Carlo characterization and benchmarking of extended range REM-meters for its application in shielding and radiation area monitoring in CPTC, Ap. Rad. Isot., 2019 (152): 115-126.

[17] García-Fernández, G.F. et al., Contributions to commissioning and operational radiation protection in proton centers with new delivery techniques (PMAT), PTCOG online 2020, poster presentation.

[18] Carabe-Fernández, A. et al., Is there a role for arcing techniques in proton therapy? The British Journal of Radiology, 2020a (93):1107.

[19] Carabe-Fernández, A. et al., Radiobiological effectiveness difference of proton arc beams versus conventional proton and photon beams, Physics Medical and Biology, 2020b (65):165002.

[20] De Smet, V. et al, Secondary neutrons inside a proton therapy facility: MCNPX simulations compared to measurements performed with a BSS and neutron H*(10) monitors, Radiation Measurements, 2017 (99): 25-40.

[21] Vanhavere, F. and Cauwels, V. Establishing workplace field corrections factors for neutron personal dosemeters

[22] Meyer, S. et al. Results of the EURADOS 2017 intercomparison for whole body neutron dosemeters (IC2017n). Radiation Measurements 135 (2020) 106364.

[23] García-Fernández, G.F. et al., Assessment of individual neutron dosemeters in the design of the operational radiation protection in CPTC using MCNP6.2 and GEANT4 Monte Carlo Code, ISSSD online 2020,oral presentation.

[24] Herault, J., et al. Radiation protection in protontherapy. Iº International course in protontherapy, Intitute Curie, Paris. 2018. Oral presentation.

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Muchas gracias por su atención

Thank you for your attention

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Alejandro Carabe (Upenn - Hampton University)Alejandro Bertolet (Upenn - MGH)

Erick Diffenderfer (Upenn)

Alejandro Mazal (QuirónSalud)Juan Castro (QuirónSalud)

Juan Antonio Vera (QuirónSalud)

Nuria García Herranz (UPM)Óscar Cabellos (UPM)

Pablo García Tolosana (UPM)Cátedra de Seguridad Nuclear, CSN-UPM, Federico Goded

Arturo Pérez Mulas (CSN)Santiago Sánchez Cervera (CSN)

Marisa Ogando (Bioterra)Eduardo Fuentes (Bioterra)

Ricardo Otero (IBA-España)

Agradecimientos muy especiales a:

mailto:[email protected]

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