Resumen de Microdosimetry applied to proton radiotherapy
- español
El uso de la radioterapia con protones como tratamiento contra el cáncer es cada vez más común. Sus actuales indicaciones clínicas se basan en las propiedades físicas de los haces de protones, aceptando una efectividad biológica relativa (RBE por sus siglas en inglés) constante e igual a 1.1 con respecto a la radioterapia con rayos X. Sin embargo, hay cada vez más evidencia de una RBE variable y dependiente del lineal energy transfer (LET) del haz de protones, que, a su vez, depende de la posición relativa a lo largo de la traza del haz. Además, la RBE depende del efecto considerado y de las propiedades biológicas de las células o tejidos considerados, así como del esquema de fraccionamiento de dosis. La microdosimetría es la teoría que estudia los patrones de deposición de energía por haces de radiación en volúmenes de tamaño microscópico. Determinando la concentración local de energía impartida en estas dimensiones, es posible calcular el LET y otras magnitudes que caracterizan la calidad del haz. El estudio de las distribuciones de energía impartidas a esta escala puede llevar a una mejor comprensión de la RBE de los haces de protones y a una potencial aplicación clínica. Esta tesis es una colección de siete estudios en esta dirección. Como un todo, pretende establecer la conexión entre la descripción elemental de las interacciones entre protones y materia en términos de microdosimetría y su aplicación clínica. En este sentido, el artículo I estudia las magnitudes microdosimétricas básicas y sus dependencias, y se centra en cómo producir resultados microdosimétricos correctos usando simulaciones Monte Carlo (MC). El artículo II emplea esta metodología para generar distribuciones monoenergéticas de protones de energía cinética de hasta 100 MeV. Estas distribuciones se emplean para generar modelos analíticos de los cuales las magnitudes microdosimétricas de haces de protones polienergéticos pueden ser derivadas en lugar de emplear simulaciones MC para cada caso individual. En el artículo III, los resultados de estos modelos analíticos para haces monoenergéticos se comparan con medidas tomadas con microdosímetros de silicio expuestos a haces de protones monoenergéticos. Para calcular distribuciones espaciales de magnitudes microdosimétricas con el formalismo del artículo II, se necesita determinar el espectro del haz, o más precisamente la fluencia espectral, en cada punto. El artículo IV proporciona un formalismo independiente para calcular fluencias espectrales en haces de protones como función de la profundidad y la posición lateral respecto al eje del haz en agua líquida. Este formalismo, junto a los modelos microdosimétricos del artículo II, permite la determinación tridimensional de magnitudes microdosimétricas. El artículo V ilustra la combinación de los formalismos de los artículos II y IV para producir cálculos de distribuciones de dosis en un sistema de planificación de tratamientos. Estos resultados se comparan con simulaciones MC independientes y cálculos analíticos clínicamente validados, mostrando resultados consistentes. Así, se proporciona una validación parcial de los modelos microdosimétricos presentados en el artículo II. A partir de estos dos formalismos también es posible obtener cálculos microdosimétricos de la dose-mean lineal energy (yD) y el doseaveraged restricted LET, lo que se muestra en el artículo VI. Además, las relaciones de la teoría de microdosimetría entre LET y lineal energy se reevalúan, y se propone y testea una nueva ecuación para calcular restricted LET. Finalmente, en el artículo VII, se usa el Microdosimetric Kinetic Model (MKM) para calcular distribuciones de RBE basadas en las magnitudes físicas obtenidas en los artículos previos. Se evalúa igualmente un nuevo método para la determinación del tamaño del dominio relevante para diferentes líneas celulares de acuerdo con el MKM. Aunque el desarrollo de esta tesis se refiere específicamente a haces terapéuticos de protones, cálculos similares para otras partículas son posibles siguiendo procedimientos y formalismos análogos, lo cual representa una de las líneas de investigación más interesantes a partir de este trabajo.
- English
Proton radiotherapy as a treatment for cancer is increasingly used worldwide. The main current clinical indications for proton therapy are based on the physical properties of proton beams, assuming a constant relative biological effectiveness (RBE) of 1.1 with respect to x-ray radiotherapy. However, there is growing evidence of variable RBE depending on the linear energy transfer (LET) of the proton beam, that, in turns, depends on the relative position along the proton track. Additionally, RBE depends on the considered endpoint and the biological properties of different cells and tissues as well as on the dose fractionation scheme. Microdosimetry is a theory that studies the patterns of energy deposition in microscopic sized volumes. By determining the local concentration of the energy imparted at such dimensions, it is possible to obtain LET and other quantities characterizing the quality of the beam from this theory. Eventually, the study of the distributions of energy imparted at this scale may lead to a better understanding of the variable RBE for proton beams, allowing for potential clinical application. This thesis is a collection of seven studies in that direction. As a whole, they are intended to make the connection between elementary description of proton-matter interaction in microdosimetric terms and its clinical application. In this sense, paper I studies the basics of microdosimetric quantities and their dependencies, and focuses on how to produce correct microdosimetric results from Monte Carlo (MC) simulations. Paper II uses the methodology explained in Paper I to generate monoenergetic distributions for protons of energies up to 100 MeV. These distributions are used to create analytical models to derive microdosimetric quantities in polyenergetic beams instead performing dedicated MC simulations for each individual case. In paper III, the results produced by these analytical models for monoenergetic beams are compared to actual measurements with silicon-based microdosimeters exposed to monoenergetic proton beams. In order to calculate spatial distributions of microdosimetric quantities with the formalism and functions developed in paper II, the determination of the beam spectra at each point, or spectral fluence, is required. Paper IV provides an independent formalism to calculate spectral fluences in clinical proton beams as a function of depth and lateral position in water. This formalism, in conjunction with the microdosimetry models proposed in paper II, allows for determination of 3D distributions of microdosimetric quantities. Paper V illustrates the combination of formalisms from papers II and IV to produce calculation of dose distributions in a treatment planning system (TPS). These results are compared to independent MC simulations with the code MCsquare and analytical calculations clinically validated from a commercial TPS, showing consistent results. This provided a partial validation of the microdosimetric models presented in paper II. Microdosimetric calculations of dose-mean lineal energy (yD), and both unrestricted and restricted dose-averaged LET can also be obtained from the combination of the formalisms presented in papers II and IV, as shown in paper VI. Additionally, relations between LET and lineal energy in microdosimetry are revisited, and a new equation to calculate restricted LET is proposed and tested against the previously established one. Finally, in paper VII, the Microdosimetric Kinetic Model (MKM) is used to calculate RBE distributions based on the physical quantities derived in previous chapters. A method for the determination of the ideal site dimension for different cell lines is proposed and its impact on the RBE results is assessed. Although the formulations here shown are specifically referred to protons, microdosimetric computations for other heavier particles may follow the same procedures and formalisms, which represents one of the most interesting directions of further development from this work.
