XXXVI Reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Física

Nuevo método de reconstrucción de mapa de dosis para verificación de técnicas de radioterapia avanzadas a partir de un detector de semiconductor a tiras

18 jul. 2017 16:15

15m

Aula Química Física (Facultad Química (USC))

Oral parallel contribution Nuclear Physics Nuclear Physics II

Descripción

Introducción Las técnicas en radioterapia están en continua evolución. Su objetivo es conseguir una distribución de dosis tal que sea máxima en la zona tumoral y mínima en el tejido sano para evitar efectos secundarios no deseados. El desarrollo de técnicas avanzadas en radioterapia conlleva una mayor complejidad en los tratamientos, lo que hace necesario un desarrollo paralelo de técnicas de verificación dosimétricas. En este trabajo se presenta un novedoso método de reconstrucción de mapa de dosis a partir de la información obtenida por un detector prototipo de tipo semiconductor de tiras de silicio que implica una serie de mejoras sobre el método usado originalmente [1]. Características del detector. Montaje experimental. El prototipo está compuesto por dos detectores de tiras de silicio (en inglés single-sided silicon strip detector SSSSD) de grosor 500μm separados por 500μm de Kapton. Cada detector está dividido en 32 tiras de anchura 2mm y longitud 64mm, rotado uno respecto al otro un ángulo de 90º [2]. Se inserta en el centro de un maniquí cilíndrico de polietileno (de dimensiones típicas de una cabeza) de manera que el plano que define el detector es perpendicular al eje de simetría del cilindro. En general en esta disposición el detector será paralelo a la dirección de los haces de tratamiento. Las medidas corresponderán al plano axial del paciente, que es el plano usado de forma habitual en las imágenes utilizadas en la práctica clínica para especificar la distribución de la dosis que debe recibir el paciente en su tratamiento. Es por tanto el más indicado para realizar la verificación del mismo. En cada franja del detector se colecta la carga liberada por la radiación, que será proporcional a la dosis depositada por la misma en esa área. Una medida correspondiente al detector girado un cierto ángulo respecto a una posición de referencia proporcionará la dosis media en cada tira en esa posición angular. De esta manera, para reconstruir el mapa de dosis completo es necesario tomar medidas en varias posiciones angulares. Gracias a la forma de los dos detectores y que las tiras de ambas forman un ángulo relativo de 90º, para la reconstrucción del mapa de dosis sólo será necesario girar el detector entre 0º y 90º, lo cual reduce el tiempo necesario para la obtención de los datos experimentales para realizar la verificación. Reconstrucción del mapa de dosis En general, los métodos de reconstrucción consisten en obtener una cierta distribución φ a partir de una distribución conocida experimentalmente Φ, siendo conocida también la función que proyecta la primera en la segunda, es decir, Φ = f(φ). Los métodos de resolución pueden clasificarse en dos grupos: métodos analíticos y métodos iterativos. Los métodos analíticos consisten en hallar la función de proyección inversa. Mediante la transformada de Fourier es posible el planteamiento y la resolución del problema en el espacio recíproco, lo que permite el uso de filtros, tratándose así de métodos de retroproyección filtrada. Los métodos iterativos realizan la reconstrucción mediante un bucle cerrado de operaciones. En cada iteración se parte de una distribución dada φo, se proyecta según fobteniéndose Φo y, comparando la proyección obtenida con la experimental Φ, se obtiene una nueva distribución inicial corregida que será el punto de partida de la siguiente iteración. En todo método de iteración están presentes el paso de proyección, que viene definido según el problema físico que se esté tratando, y el paso de comparación-actualización, que no está específicamente determinado pero su elección debería estar fundamentada en modelos relacionados con el sistema de detección para tener una convergencia rápida de la distribución hacia la solución final. En el método analítico, la reconstrucción del mapa de dosis se realiza de forma directa a partir de los datos experimentales [1]. De esta manera, la calidad de la reconstrucción está limitada a la cantidad de información experimental de la que se dispone. Para el detector a tiras, el tamaño mínimo del pixel vendrá dado por el número de posiciones angulares en las que se han tomado medidas. Por otro lado, el posible fallo en la lectura de alguna tira y por tanto el desconocimiento de la dosis asociada, puede dar lugar a huecos en la reconstrucción del mapa. Además el interés clínico requiere que la planificación y verificación de los tratamientos sea lo más rápida posible para agilizar las intervenciones de los pacientes. En este sentido hay que minimizar el tiempo de toma de datos, por lo que la dependencia directa de este tipo de método con las medidas hace necesaria la búsqueda de métodos alternativos. Los métodos iterativos, aunque son comúnmente usados para la reconstrucción de imagen para diagnóstico en el campo de la medicina nuclear, suponen una novedosa técnica en la reconstrucción de mapa de dosis para verificación en el campo de la radioterapia. En este tipo de métodos, los datos experimentales sirven para comparar la proyección de una distribución de partida y corregirla. Como la proyección viene dada por el propio problema físico, puede definirse siempre independientemente de las características con las que se desee reconstruir el mapa de dosis. De esta manera, es posible realizar una reconstrucción completa con una menor dependencia de la cantidad de información que se disponga, además de tener flexibilidad en la forma que la que se realiza la comparación y la corrección. Se muestra un ejemplo de reconstrucción usando el método iterativo (figuras 1b y 1c), a partir de los datos obtenidos con el prototipo descrito anteriormente en el Hospital Universitario Virgen Macarena de Sevilla para un determinado tratamiento. El paso de proyección está relacionado con la contribución de cada pixel a cada tira en cada posición angular. El paso de comparación y actualización se obtiene con métodos de estimación de máxima verosimilitud con una distribución de Poisson para el ruido estadístico [3 y sus referencias]. Este mapa de dosis se compara con el obtenido con el planificador (figura 1a). Referencias [1] M. I. Gallardo et al (2014). “Sistema y método de verificación de tratamientos de radioterapia”. Patente de invención ES 2409760 B1. [2] M.A.G. Alvarez et al (2013). “Novel dual single sided silicon strip detector chip for radiotherapy verification”. Proceedings of Science (X LASNPA) 049:1-6 [3] J.L. Herraiz et al (2006). “FIRST: Fast Iterative Reconstruction Software for (PET) tomography”. Physics in Medicine and Biology 51(18):4547-4565

Materiales de la presentación

Diapositivas

Simposio_Fisica_Nuclear_AD_Domiguez.pdf