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La Planificación
El objetivo de la radioterapia
La planificación del tratamiento puede reducirse a solucionar un problema de optimización con una serie de restricciones.
La distribución de dosis debería concentrarse en el tumor, dejando intactos los tejidos adyacentes, pero esto no es posible por que la radiación atraviesa del tejido sano y deposita parte de su energía allí, dependiendo del nivel de exposición y sensibilidad a la radiación lo que crea la posibilidad de dañar el tejido sano.
Así los dos objetivos en conflicto son el control del tumor y evitar la complicación en el tejido normal.
Todo el proceso radioterápico se realiza a través de una cadena compuesta de múltiples pasos: adquisición de datos, cálculo de la dosis, análisis y verificación, hasta llegar a la irradiación del paciente.
Adquisición de los datos anatómicos del paciente:
Una vez realizados los estudios clínicos sobre el paciente que han conducido a su estadificación, se necesita información sobre el tumor y su disposición anatómica, con el fin de cumplir las restricciones que el tejido sano y los órganos imponen.
La fuente principal de información la constituye la Tomografía Computada (TC), cuyo valor principal es su resolución geométrica y la información que aporta con los números TC. Otros estudios como la Tomografía por Emisión de Positrones (PET), la Resonancia Magnética Nuclear (RIVIN) o los Ultrasonidos (US) aportan información adicional para una mejorar la localización del tumor o para diferenciar tejidos u órganos de interés, para ello se realizan un proceso de unión/fusión de imágenes, mediante algoritmos de correlación.
Las imágenes se someten a un proceso de segmentación por el cual se trazan los contornos externos de los volúmenes de interés o el propio contorno externo del paciente, datos que son empleados en las técnicas de visualización de imagen (algoritmos de trazado del rayo) y análisis de distribución de dosis.
Algoritmos para el cálculo de la dosis:
El problema del cálculo de la dosis: los fotones que producen los aceleradores lineales tienen un espectro ancho dominado por el efecto Compton. La radiación que llega en un punto, en el seno de un maniquí, no llega de modo directo sino que puede alcanzar hasta 30% en una primera dispersión y un 10% para la dispersión múltiple.
La figura ilustra el camino de la radiación primaria y dispersa que alcanzan el punto P
La radiación primaria llegaría al punto P a través del camino d Pero también llega radiación procedente de dV desde el que se produce dispersión siguiendo ‘b” y el ángulo O al punto P.
Deberíamos integrar en todo el volumen irradiado ya que contribuye a la dosis en P, y considerar el cálculo sobre cada energía del espectro.
El cálculo analítico para el caso descrito en la figura anterior, teniendo en cuenta la radiación primaria y primeras dispersiones, es posible. Pero deja de serlo con dispersiones múltiples.
La solución completa seria la ecuación de transporte de Boltzmann (dn/dt=producción-absorción-fugas) que incluye el transporte de fotones y de electrones pero no se ha encontrado solución para haces finitos ni siquiera en medios homogéneos.
Métodos de Cálculo:
Los algoritmos empleados en planificación son de cuatro tipos Matriciales, Analíticos, Semiempíricos y Físicos. Son un reflejo de la evolución para que el cálculo sea más exacto y rápido.
Métodos Matriciales:
En la figura se representan mapas de isodosis de un haz de fotones y matrices de distintos tipos superpuestas que almacenan el valor de la dosis en formato de tablas para que puedan ser tratadas en el ordenador.
Métodos Analíticos:
Con el fin de aumentar la rapidez en los cálculos se implementaron las isodosis ajustándolas a funciones que reflejaban las variaciones con la profundidad (PDD) y la forma transversal de estas (perfil).
Métodos Semiempíricos:
Combina datos derivados de medidas experimentales con los modelos físicos. El fundamento del método es dividir la radiación en una componente primaria y otra dispersa. Para el tratamiento de la radiación dispersa, se divide el haz en sectores circulares y estos a su vez en elementos radiales.
Para el cálculo tridimensional el haz se divide en estrechas columnas y se suma la contribución de cada elemento en el punto de cálculo.
Modelos Físicos:
Podemos considerar la dosis de radiación como la integración (convolución) de la intensidad (núcleo) con un patrón de difusión (función de distribución). Para calcular la función de distribución, se consideran los fotones primarios que interaccionan dentro de un elemento de volumen (voxel) de material homogéneo y se calcula para cada voxel la dosis que se deposita. De este modo se puede calcular la matriz de difusión de dosis, que vendrá dada por la relación A (i, j, k) = Dose (i, j, K) / KERMA(O, O, O). Y no sólo de interacciones simples sino también múltiples.
Estas matrices de distribución de dosis se integran con la fluencia de fotones primarios (núcleos) dentro de cada voxel de interacción. La suma sobre todos los voxeles de interacción nos proporcionará un cálculo de la dosis en el volumen de interés.
Otros Aspectos del Cálculo de Dosis:
La clasificación anterior sólo tiene en cuenta las distribuciones de dosis en maniquíes homogéneos campos regulares, pero h y ciertos aspectos que modificarán la distribución de dosis en el medio:
- El empleo de campos irregularmente conformados
- El empleo de modificadores del haz (cuñas, compensadores e incluso haz modulado)
- La irregularidad en la superficie de entrada
- La presencia de heterogeneidades en los tejidos
Generalmente existen algoritmos específicos para cada problema, que se combinan con los anteriormente descritos en un algoritmo superior, algunos modelos pueden dar cuenta simultáneamente de todos ellos.
Correcciones por inhomogeneidad:
Se han desarrollado distintos modelos aquellos que sólo consideran variaciones en la radiación primaria, modelos que también incluyen las modificaciones en la componente dispersa, y por ultimo, la generación que tiene en cuenta la forma, tamaño y posición de la inhomogenidad. Uno de estos modelos se implementa con el teorema de escalado. De esta manera se puede determinar un factor que considere la perturbación en la dosis absorbida frente a un maniquí de densidad la unidad.
Teorema de escalado:
Se interpretan las diferencias de densidad como cambios en el volumen del voxel. Este tipo de algoritmos consigue una precisión aceptable tras las inhomogeneidades. Pero justo en su inmediata proximidad, debido a la pérdida de equilibrio electrónico, es cuando más impreciso es el cálculo.
Método de Monte Carlo:
Es necesaria la búsqueda de una solución completa en lugar de un tratamiento con algoritmos para problemas “parciales”. Para la solución de problemas complejos cuya solución analítica no es posible, podemos recurrir al método de Monte Carlo, que es un método numérico basado en el muestreo. Para realizarlo es necesario generar números aleatorios de acuerdo a distribuciones dadas (normal, exponencial, etc.) con buenas propiedades estadísticas.
Individualmente sabemos la ocurrencia de cada interacción y los efectos de las interacciones particulares, pero no de la combinación de todos ellos durante la historia de una partícula. El medio se considera dividido en “bins” o celdas volumétricas de interacción, con la energía depositada en cada celda se suma a lo largo de un numero sucesivo de simulaciones de fotones (historias). En una simulación generamos un gran número de historias numéricas equivalente a historias reales, a partir de las cuales podemos evaluar su resultado final.
Para una precisión del 1-2% sobre voxeles de 1-2 mm3, suficiente en aplicaciones clínicas, es necesario alcanzar del orden de 2-10 8 partículas. No es más que una muestra de los 6.10 14 fotones que pueden impactar en un paciente con una dosis de 70 Gy.
Los otros métodos descritos realizan aproximaciones muy válidas para muchos problemas, pero presentan fallos en las proximidades de los cambios de fase. Aquí es donde el método de Monte Carlo es muy eficaz, Monte Carlo utiliza un nuevo conjunto de secciones de interacción, cuando hay una nueva fase y la simulación continuará en el nuevo medio.
Herramientas en la Planificación Herramientas de Análisis, Visualización 3D
A partir de los contornos trazados (segmentación) en las imágenes de TC o RMN, se crean bandas entre los contornos adyacentes, la superficie así creada se le da un aspecto tridimensional mediante la distinta reflectividad de la superficie por la disposición de luces y creación texturas.
El auténtico valor de esta herramienta es la posibilidad de interacción va que permite la visualización conjunta o individual de los distintos órganos, permitiendo la visión a través de ellos o sin ellos, pudiendo integrar la proyección del haz incidente sobre el paciente y permite la visión conjunta con los volúmenes de dosis Además, con la posibilidad de movimiento y cambios de textura.
Autor: Ángel del Castillo Belmonte