Verificación del rango de los protones en el ámbito de la protonterapia y la física nuclear

• Autores: Víctor Valladolid Onecha
• Directores de la Tesis: Luis Mario Fraile Prieto (dir. tes.), Harald Paganetti (dir. tes.), Samuel España Palomares (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Número de páginas: 236
• Títulos paralelos:
  • Proton range verification in the fields of proton therapy and nuclear physics
• Tribunal Calificador de la Tesis: Jose Antonio Briz Monago (presid.), Paula Beatriz Ibáñez García (secret.), Fernando Hueso Gonzalez (voc.), Gastón García López (voc.), Peter Dendooven (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
• Materias:
  • Física
    • Electromagnetismo
      • Rayos gamma
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    Introducción. La radioterapia de protones, también conocida como protonterapia, utiliza protones en lugar de fotones o electrones para erradicar tumores. Esta técnica ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años debido a cómo los protones depositan su energía, caracterizada por concentrar la mayor parte de la dosis en una determinada profundidad, formando lo que se conoce como pico de Bragg, permitiendo una mejor conformación de la dosis. Sin embargo, su máximo potencial no se alcanzará hasta que se resuelvan varios problemas que complican la planificación del tratamiento. Idealmente, el plan de tratamiento debería cubrir solo con la dosis prescrita el volumen blanco clínico (CTV) que abarca al tumor. Debido a las incertidumbres inherentes en cualquier plan de radioterapia, se añaden márgenes de seguridad adicionales al CTV. El área resultante a irradiar es el Volumen Blanco de Planificación (PTV). Estos PTV aseguran la cobertura del tumor frente a cualquier desviación no prevista, a expensas de irradiar más tejido sano.

    Si se pudieran reducir en gran medida las incertidumbres en el rango de los protones, serían posibles PTV menos conservadores y planes menos complejos, con considerables beneficios resultantes para los pacientes. Esto sería posible mediante técnicas de verificación del rango de protones. Estas técnicas tienen como objetivo medir el rango real de los protones dentro del paciente y compararlo con el rango predicho en tiempo real durante la irradiación. Sin embargo, para poder implementar estas técnicas se necesitan muchos avances. En esta tesis, se proponen diferentes ideas y métodos para ayudar a lograr esto en técnicas que utilizan Tomografía por Emisión de Positrones (PET)) o emisiones de Prompt-Gamma (PG) para verificar el rango.

    Métodos y Resultados. El objetivo principal de esta tesis es mejorar las técnicas de verificación del rango de protones para su posible aplicación clínica. Se proponen tres ideas principales con este propósito. 1) El uso de agentes de contraste en las técnicas de verificación PET y PG. Esta idea se explica detalladamente y se complementa con una serie de mediciones de secciones eficaces necesarias para estudiar el verdadero potencial de los contrastes. 2) Se ha desarrollado un nuevo algoritmo para reconstruir la dosis y estimar el rango del protón utilizando imágenes PET. Los resultados muestran la capacidad de estimar el rango con una precisión superior a 1 mm. Además, los resultados obtenidos usando este algoritmo indican que el uso de agentes de contraste proporciona el único medio para verificar con certeza absoluta la ausencia de desviaciones. 3) Simulador Monte Carlo (MC) para el transporte de PG. Este programa tiene como objetivo resolver el problema al que se enfrenta cada sistema de PG, el alto tiempo de consumo de la respuesta esperada. El MC propuesto es capaz de simular más de 300 millones de PG por segundo, generando la respuesta del detector de un prototipo de sistema de PG en solo unos minutos.

    Conclusiones. Los resultados de esta tesis representan un gran avance en el camino hacia la implementación de técnicas de verificación de rango en el entorno clínico. La idea de utilizar agentes de contraste mejora la precisión y exactitud de estas técnicas. El algoritmo de reconstrucción de dosis es capaz de reconstruir la dosis y estimar el rango con una precisión de menos de un milímetro en tan solo un segundo. Además, este algoritmo tiene el potencial de ser implementado en cualquier otra técnica, como la verificación de PG, y de ser acelerado hasta tiempos de ejecución de solo unos pocos milisegundos. Todo esto hace que este código sea un gran candidato para resolver el problema de la estimación del rango en tiempo real. Algo similar ocurre con el simular de PG. Se ha desarrollado para un prototipo específico, pero su generalización podría reducir a unos pocos segundo el tiempo necesario para simular la dosis esperada, habilitando así el uso PG en tiempo real.

  • English

    In this chapter, we will introduce all the necessary physics for understanding protontherapy and range verification. Apart from this, certain concepts that will be used throughout the thesis will be detailed. One of them is the detection of ionizing radiationthat will be used to measure cross sections in Chapter 3. We will also introduce Monte Carlo simulators for particle transport since they will be used throughout the thesis. Finally, we will briefly introduce what GPUs (Graphics Processing Units) are and how they can be used to considerably accelerate almost any code. In this thesis, both the proposed reconstructor in Chapter 4 and the MC simulator in Chapter 6 are fully implemented on a GPU...