Detectors for Quality Assurance in Hadrontherapy
- Autores: David Andrew Watts
- Directores de la Tesis: Enrique Fernández (dir. tes.), Ugo Amaldi (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Mokhtar Chmeissani Raad (presid.), Magdalena Rafecas López (secret.), Denis Dauvergne (voc.)
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- Resumen
La terapia de hadrones es actualmente una realidad médica en oncología de radiación y una técnica probada en la lucha contra el cáncer. Hoy en día, el uso de la terapia de hadrones está ampliamente extendido en el tratamiento de pacientes con tumores profundos, no operables o resistentes a la radioterapia, debido a la ventaja de administrar una alta dosis de radiación con respecto al volumen del tumor. De esta forma se obtiene un mejor del control y protección del tejido circundante comparado con la radioterapia tradicional basada en haz de fotones. A pesar de que solo 35 centros médicos están actualmente tratando a pacientes de cáncer, la terapia de hadrones sigue considerada como una técnica medica emergente. Uno de sus retos permanentes consiste en la verificación de la dosis administrada al paciente ya que las propiedades físicas de los hadrones hacen que la terapia sea efectiva solo si se administra con precisión estrictamente al volumen del tumor. El control de calidad se consigue mediante la utilización de novedosas técnicas de diagnóstico por medio de detectores de radicación similares a los desarrollados para experimentos de física de partículas que ya se vienen utilizando en la producción de imágenes médicas. Las radiografías de protones se usan no solo para verificar el estado del paciente previo a los tratamientos de radioterapia, utilizando haces de protones de alta energía y baja intensidad, así como para obtener información necesaria para calcular de forma precisa el nivel de radiación de hadrones en los tejidos del paciente. Los cálculos de nivel de radiación se hacen hoy en día por medio de datos CT de rayos X, que se caracterizan por tener poco precisión. Durante la irradiación con haz terapéutico, la activación de los tejidos del paciente causados por interacciones nucleares con el haz de hadrones se puede visualizar por medio de detectores PET, haciendo posible representar en el momento la dosis administrada solo unos minutos después. En este contexto, esta Tesis presenta un estudio amplio sobre detectores de radiación novedosos que han sido desarrollados para asegurar la calidad en terapia de hadrones clínica. Tres diferentes soluciones se describen a continuación, un aparato de radiografía de protones y dos detectores cuya tecnología se utiliza para saber en el momento la dosis administrada durante el plan de tratamiento. En el caso de la radiografía en el rango de protones (PRR), se ha desarrollado un nuevo instrumento llamado PRR10, que tiene un área activa de 10 x 10 cm2 cubriendo un rango residual de 10 cm de longitud de tramo en equivalente de agua (WEPL). El PRR10 ha sido testeado ampliamente con haz de protones en el Instituto Paul Scherrer (PSI) en Villagen, Suiza y en el Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) en Pavia, Italia. Se han tomado medidas con una resolución de rango residual de 1.6 mm WEPL así como una resolución espacial inferior a 1 mm. El PRR10 esta instalado actualmente en el CNAO a la espera de nuevos test mientras un nuevo instrumento, el PRR30 que tiene un área activa de 30 x 30 cm2 está llegando a su última etapa de desarrollo. El PRR30 permitirá imágenes PRR a tamaño completo y está previsto que se empiece a testar con haz de protones en el PSI y el CNAO hacia finales de 2013. Para realizar dosimetría en vivo, se ha procedido al estudio de dos tecnologías PET diferentes. La primera está basada en escintiladores orgánicos (cristales) acoplados a un foto-detector, con muchas similitudes con respecto a aparatos PET convencionales de medicina nuclear. El diseño del detector PET de cristales sigue las tendencias actuales en investigación PET para obtener la medida de la profundidad de interacción (depth-of-interaction, DOI) así como el tiempo de vuelo (time-of-flight TOF) entre protones concurrentes. Ambas técnicas suponen una mayor sensibilidad efectiva y una mejora en la eliminación de ruido y por tanto en la calidad de las imágenes PET. Dos prototipos han sido construidos y testados, usando cristales LYSO de 12 x 60 x 30 cm3 y foto detectores de multi-ánodo y placa multi-canal (MPC). De esta forma se ha demostrado la excelente localización de la interacción de fotones, 1.2 mm en dirección transversal y 15 mm en DOI, con una resolución de energía de 13% FWHM. La resolución de concurrencia de TOF medida es de 810 ps. La segunda tecnología PET estudiada hace uso de las cámaras de placa resistiva multi-hueco (multi-gap Resistive Plate Chambers, MRPCs) que se utilizan raramente en PET debido a su baja eficacia de detección a gammas de 511 KeV. Los módulos compactos MRPC han sido construidos y testados, y tienen una área activa de 7 x 10 cm2 y 12 x 390 cm2. El diseño y el procedimiento de ensamblaje es apto para producción a gran escala, un requerimiento necesario para contrarrestar su baja eficacia. Módulos MRCP de 4 huecos de 7 x 10 cm2 han sido sometidos a test y muestran un eficacia de 0.66 a 0.01 % a gammas de 511 KeV. Además, se han obtenido tiempos entre lecturas de fin de franja en ambos lados del módulo de 38 ps., suficiente para permitir una localización de interacción de 3.5 mm. La resolución del detector simple TOF entre dos RPCs de hueco único y dos MRPCs de 4 huecos es de 310 ps y 370 ps respectivamente, con una poco esperada resolución de coincidencia de 150 ps. Para complementar los resultados experimentales obtenidos, se han efectuado simulaciones Monte-Carlo usando la herramienta GATE en escáneres PET como el LYSO-MCP y MRCP. También han sido incluidos en el estudio dos detectores comerciales como el Gemini de Philips y el HiRez de Siemens. El escáner de anillo completo LYSO-MCP ha demostrado tener un 57 % más de sensibilidad que el Gemini a 70 cm en línea de la fuente, como consecuencia del aumento de profundidad (30 mm) de los cristales LYSO utilizados en su diseño. Un escáner MRPC-PET, después de la optimización de sus parámetros de sensibilidad muestra un factor 2.5 en sensibilidad con respecto al Gemini. Aunque los recursos en términos de desarrollo para construir un escáner MRPC-PET son considerables, la ganancia en sensibilidad con respecto a los escáneres comerciales de hoy en día, unido a las excelentes resoluciones TOF, hacen de esta tecnología una interesante alternativa a los cristales, tanto para control de calidad de terapia de hadrones como para imágenes PET de cuerpo entero.
