Simulaciones Monte Carlo para radioterapia intraoperatoria con haces de electrones

• Autores: Elena Herranz Muelas
• Directores de la Tesis: Joaquín López Herraiz (dir. tes.), José Manuel Udías Moinelo (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2013
• Idioma: español
• Número de páginas: 204
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Mario Fraile Prieto (presid.), Alfonso López Fernández (secret.), Javier Pascau González-Garzón (voc.), María Jesús Ledesma Carbayo (voc.), Samuel España Palomares (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Física atómica y nuclear
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense (pdf)
• Resumen
  • español

    La Radioterapia Intraoperatoria combina dos de las herramientas más habituales en la lucha contra el cáncer: cirugía y radioterapia. A pesar de las ventajas que ofrece esta técnica para el tratamiento de ciertos tumores, como el cáncer de mama, hasta hace poco la RIO carecía de las herramientas de planificación y dosimetría que se emplean regularmente en radioterapia externa. Esta falta de herramientas de apoyo es una de las dificultades que ha limitado su difusión. Para remediar esta carencia, se están desarrollando soluciones que permitan simular y planificar los tratamientos de RIO sobre estudios de imagen del paciente. En el marco de diversos proyectos financiados por el Gobierno de España, se ha desarrollado el sistema de simulación y planificación radiance®, el único Sistema de Planificación de Radioterapia específicamente diseñado para RIO y también el único disponible en dicho campo actualmente. En esta tesis se describe la incorporación de técnicas de simulación y planificación de dosis Monte Carlo (MC) en radiance®. El principal reto ha consistido en el desarrollo de una herramienta capaz de proporcionar los espacios de fase (PS) que describen los haces de partículas y que son necesarios para el uso de dosimetría MC. Para ello, se ha enfocado el problema de modelar el haz de electrones y obtener los PS a partir de un proceso inverso partiendo de un conjunto de medidas experimentales. Así, se presenta el método para obtener las características del haz de partículas a la salida de un aplicador típico de RIO a partir de medidas de dosis en medios homogéneos, sin necesidad de un conocimiento previo y detallado del cabezal del acelerador. El método de optimización empleado se basa en un algoritmo iterativo de maximización del valor esperado de la máxima verosimilitud en el que, partiendo de un PS inicial, éste se va modificando hasta conseguir el mejor acuerdo entre dosis simulada y medida. El procedimiento de ajuste propuesto no se limita a alguno de los grados de libertad de PS, sino que incluye todas las variables relevantes que deben ser consideradas en el proceso. Como todos los problemas inversos, la determinación del PS a partir de medidas es un proceso computacionalmente muy costoso. Para remediar este problema, en el método desarrollado, se elige una representación de los PS como la suma de miles de fuentes elementales. La dosis producida en un objeto dado (homogéneo de aire o de agua) por cada una de las fuentes elementales primarias, puede calcularse una vez y ser almacenada, sin necesidad de recalcular dicha dosis durante cada iteración en el algoritmo de reconstrucción. Las dosis producidas por las fuentes elementales pueden ser calculadas en un clúster de cálculo durante varios días, lo que equivale a varios meses de cálculo en un ordenador personal. Como esta representación en dosis elementales es independiente del acelerador que se esté modelando, el mismo conjunto de dosis precalculadas puede usarse en la modelización de todos los aceleradores. Con esto se logra una enorme reducción en el número de cálculos numéricos necesarios y representa una gran ventaja del método presentado. El algoritmo ha sido verificado y validado primero a partir de medidas de dosis obtenidas de aceleradores simulados mediante MC, para los cuales el PS es conocido, y en segundo lugar, empleando medidas experimentales llevadas a cabo en la Clínica La Luz de Madrid. Por tanto, se ha cumplido el objetivo fundamental de este trabajo que era el desarrollo e implementación de un algoritmo capaz de reproducir los PS a partir de medidas experimentales de dosis, para incorporar un sistema de planificación MC en radiance®, primer planificador mundial específicamente pensado para RIO. El desarrollo de este algoritmo supone un avance importante en el campo de la RIO ya que mejora muchos aspectos de la técnica tal como se venía llevando a cabo, con las ventajas de precisión y fiabilidad que una buena planificación MC permite.

  • English

    Intraoperative Radiation Therapy (IORT) is a special modality for cancer treatment that combines radiation therapy with surgery. This technique delivers a single high dose of radiation directly to the tumor bed, during surgery right after tumor resection (Palta et al. 1995, Lamana et al. 2012, Calvo et al. 2006, Beddar et al. 2006). The objective is to achieve a higher dose in the target volume, while minimal exposure of surrounded tissues is granted either by displacing them or by shielding them with attenuation plates that protect organs at risk (Russo et al. 2012). Therefore, IORT facilitates an integrated approach to the multidisciplinary treatment of cancer and emphasises the interaction between surgery and radiotherapy in three principal aspects: reducing the chance of residual disease at the site of surgery by eliminating microscopic tumor foci, maximizing the radiobiological effect of a single high dose of irradiation with attainment of total dosage levels that exceed those of standard conformal external beam irradiation and optimizing the timing of the combined surgery and radiotherapy with earlier irradiation. Nevertheless, currently, one of the main limitations in IORT lies in the difficulties that the planning process entails, which limits the widespread of this technique (Pascau et al. 2012, Lamanna et al. 2012)]. The retraction of the structures of the patient and the removal of affected tissues modify his/her geometry. Therefore, it is difficult to carry out a feasible dosimetry calculation from pre-operative images. In addition, as IORT is an invasive technique that introduces an applicator to reach the tissues to be irradiated, the operatory area has to be adapted in order to reach an ideal position of the remaining parts of the tumor. Therefore, it is difficult to plan the radiotherapy process beforehand because the surgeons must choose during surgery the cone dimension, its positioning, the bevel angle and the electron beam ́s energy according to their medical and surgical experience and the information gathered during the procedure...