Development of New Technologies in Proton Therapy: Range Verification and FLASH-RT

• Autores: Andrea Espinosa Rodríguez
• Directores de la Tesis: José Manuel Udías Moinelo (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 357
• Títulos paralelos:
  • Desarrollo de Nuevas Tecnologías en Protonterapia: Verificación de Rango y FLASH-RT
• Tribunal Calificador de la Tesis: Paula Beatriz Ibáñez García (presid.), Mailyn Pérez Liva (secret.), Juan Antonio Vera Sánchez (voc.), Víctor Valladolid Onecha (voc.), Gastón García López (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Química
    • Química nuclear
      • Radioquímica
    • Química física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen
  • español

    La protonterapia es una técnica de radioterapia que emplea protones en lugar de fotones o electrones. La principal ventaja es que los protones liberan la mayor parte de su energía a una profundidad específica, el llamado pico de Bragg, lo que permite focalizar la dosis en el tumor, minimizando el daño al tejido sano circundante. Sin embargo, las incertidumbres en el rango de los protones limitan su precisión. Para abordar este problema, se han desarrollado técnicas de verificación de rango como la tomografía por emisión de positrones (PET) y la imagen por radiación prompt gamma (PG).

    Por otro lado, la radioterapia FLASH (FLASH-RT) es un enfoque innovador que administra radiación a tasas de dosis ultra-altas (UHDR, 40 Gy/s), la cual ha mostrado potencial para erradicar tumores mientras preserva el tejido sano. Sin embargo, su implementación clínica requiere de una mejor identificación de los parámetros físicos y biológicos responsables de este efecto. Esta tesis se enfoca en el desarrollo de herramientas y estrategias para la verificación del rango en protonterapia en tiempo real, así como para una mejor comprensión del efecto FLASH.

    Una de las estrategias para mejorar la verificación del rango en protonterapia es el uso de agentes de contraste que mejoren la producción de radiación secundaria cerca del pico de Bragg. En esta tesis se ha estudiado la reacción 127I(p,n)127mXe, cuyos valores de activación y secciones eficaces han sido determinados en el Centro de Micro Análisis de Materiales (CMAM) en un rango de energías de 4 a 10 MeV. Los resultados sugieren que el 127I es prometedor para la verificación de rango en tiempo real, ya que el producto de la reacción, 127mXe, genera una señal intensa en el último milímetro del rango del protón y tiene una vida media corta, facilitando su diferenciación de otros isótopos.

    En cuanto a la monitorización online con PET en protonterapia, se ha evaluado el rendimiento de un nuevo escáner modular, llamado MiniPET, en el centro de protonterapia Quirónsalud, diseñado para aplicaciones in-beam. Se ha analizado el uso de agua enriquecida con 18O (18-W) como agente de contraste en modelos de tumores en embriones de pollo. Aunque los mapas PET no han mostrado una activación significativa de este isótopo, se ha demostrado que el escáner MiniPET es capaz de adquirir y procesar datos en tiempo real en un entorno clínico.

    Para avanzar hacia la reconstrucción de dosis online, se ha desarrollado la herramienta IDE-PET, la cual combina un algoritmo de reconstrucción PET con una base de datos o diccionario, permitiendo reconstruir mapas de dosis en 3D en menos de un segundo, a partir de los cuales se puede estimar el rango de los protones en tiempo real. En combinación con el escáner MiniPET, permite detectar desplazamientos en el rango del protón con una precisión de hasta 1 mm y reconstruir dosis de hasta 1 Gy, con incertidumbres inferiores a 2 mm, lo que abre nuevas posibilidades para el control de calidad en protonterapia..

    En el ámbito de FLASH-RT, se ha desarrollado un modelo de simulación basado en GPU para estudiar la producción de especies radicales en agua y medios biológicos. Se ha explorado la correlación entre la tasa de dosis, bajo diferentes patrones de irradiación, y la respuesta biológica, demostrando que la tasa media de dosis y la dosis por pulso son los parámetros que mejor predicen los efectos biológicos a UHDR.

    Finalmente, se ha diseñado un irradiador de rayos X capaz de operar a tasas FLASH, el cual ha sido instalado en el Hospital General Universitario Gregorio Marañón y validado para estudios preclínicos.

    En conjunto, esta tesis presenta avances significativos dentro del campo de la verificación de rango en protonterapia y el desarrollo de herramientas para explorar el efecto FLASH, impulsando nuevas posibilidades en tratamientos oncológicos de alta precisión.

  • English

    Proton therapy is a form of radiation therapy that uses protons instead of electrons or photons. It has the advantage that protons release most of their energy at a specific depth, the so-called Bragg peak, allowing for maximum tumor targeting while minimizing damage to surrounding healthy tissue. FLASH Radiotherapy (FLASH-RT) is a novel approach that delivers radiation atultra-high dose rates (UHDR) (≥ 40 Gy/s). It was rediscovered in 2014 when the term FLASH effect was adopted to describe its ability to destroy tumors while sparing normalt issue [Favaudon et al., 2014]. Both techniques have the potential to enhance the therapeutic ratio, either individually or in combination. However, challenges remain. Uncertainties in proton range hinder proton therapy’s full potential. To address this, proton range verification techniques like Positron Emission Tomography (PET) have been proposed. In the case of FLASH-RT, understanding the exact physical and biological parameters, beyond average dose rate, is pivotal for its full clinical translation...