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Introducción
La planificación y tratamiento de tumores en pulmón presenta dos principales problemas, por una parte, el tumor se encuentra en un medio de una densidad muy diferente a todos los órganos del cuerpo y otra el movimiento constante debido a la respiración. Además, la distribución de dosis calculada con el sistema de planificación de tratamiento (TPS por sus siglas en inglés) considera el tratamiento como un procedimiento estático lo que difiere sustancialmente entre la dosis que se prescribe y la administrada al paciente. Por tal razón, en este trabajo, simulamos con método Monte Carlo (MC) a través del código PENELOPE v.2008 la distribución de dosis en tumores de pulmón en casos representativos de tratamientos teniendo en consideración la baja densidad y el medio donde se encuentra. Este estudio servirá para evaluar la diferencia de dosis entre los diferentes órganos de cuerpo. Mostramos también la consecuencia de estas diferencias de densidad sobre el efecto de la distribución de dosis relacionada para la radiación inducida en pulmón dañado 1, considerando el tumor y el tejido circundante en la misma posición durante la aplicación de la dosis 2-4.
La composición heterogénea del cuerpo humano que presenta variedad de órganos y cavidades con diferentes propiedades radiológicas hace que la distribución de la dosis sea diferente en cada órgano. La simulación Montecarlo es una herramienta útil para el modelado, simulación y cálculo de la distribución de dosis 5 en este tipo de situaciones. La simulación de este trabajo está basada sobre la matemática propuesta por Lujan 6. Para reproducir el efecto de la respiración, en la simulación se mantuvo el haz fijo con energía de 6 MeV 1, considerando la geometría del haz perpendicular al objeto simulador a una distancia fuente superficie de 100 cm. La simulación para el cálculo de la distribución de dosis usando código PENELOPE v.2008 nos conduce a estudios representativos de radioterapia para tumores en pulmón sin considerar el movimiento de la respiración7, y alrededor del tejido circundante al pulmón.
Materiales y métodos
Interacción de la radiación con la materia
Cuando la radiación incide sobre un material se producen una serie de fenómenos que dependen del tipo de radiación (fotones, electrones, etc.), la energía con la que incide en el material y sus propiedades 8. En la naturaleza existen dos tipos de radiación, ionizante y no ionizante, la radiación ionizante será el objeto de nuestro estudio. Por otro lado, en la radiación ionizante se pueden distinguir la radiación directa e indirecta, la primera de ellas corresponde a las partículas cargadas, mientras que la radiación indirectamente ionizante o radiación electromagnética está compuesta por partículas sin carga tales como fotones, etc. Los fotones interaccionan tanto con los electrones como con el núcleo atómico de manera que se van atenuando exponencialmente, conforme aumenta la espesura del material, pero sin llegar a anularse. La atenuación por unidad de espesura depende de la energía de los fotones y del tipo de material (peso atómico, densidad electrónica, densidad del material). En radioterapia, estas radiaciones depositan su energía en el material, lo cual se conoce como distribución de dosis, la que analizamos en este estudio, como curvas de PDP y Perfiles de Campo.
Objetos simuladores
Los objetos simuladores son usados ampliamente en investigación y aplicaciones médicas como en: radiodiagnóstico, dosimetría, calibración, control de calidad y evaluación de haces e imágenes. Estos objetos simuladores son de diferentes geometrías, dimensiones físicas y composiciones. El más simple es la cuba de acrílico llena de agua que es utilizada para calibración de haces de radiaciones ionizantes, mientras otros con geometrías más complejas se asemejan al cuerpo humano. Los maniquís deben ser categorizados de acuerdo a la función que cumplen: dosimétrica, calibración o de imagen.
Los objetos simuladores usados en este trabajo son: un objeto simulador homogéneo de pulmón con densidad igual a 0.32 g/cm3 con geometría cilíndrica y dimensiones de 20 cm de altura y radio de 7,5 cm, además de dos objetos simuladores heterogéneos (agua, pulmón), la densidad del objeto simulador de agua es 1.03 g/cm3.
Simulación Montecarlo-Código Penélope
La simulación Monte Carlo se realizó usando código PENELOPE v.2008 modelando un maniquí cilíndrico de 20 cm de altura y 7,5 cm de radio, replicando las características de los objetos simuladores como se muestra en la figura 1. Estos fueron creados en el código PENELOPE v.2008 usando la composición en porcentaje por peso de los elementos químicos que los componen 9.
Para la simulación del haz de fotones se usó el espectro de un acelerador lineal clónico Siemens de 6 MeV 10. Respetando los parámetros de distancia fuente superficie de 100 cm para campos de 2x2 cm2 sobre objetos simuladores homogéneos y campos de 1x1 cm2, 2x2 cm2 para los heterogéneos.
Resultados y discusión
Procesos físicos que ocurren dentro de un cuerpo
En la figura 2 se muestra la curva de coeficiente de atenuación másico con respecto a la energía para un objeto simulador de agua sólida con densidad 1,03 g/cm3 en comparación con el tejido blando de densidad 1 g/cm3 y tejido sustituto de pulmón. Se aprecia una proximidad entre el tejido blando y el objeto simulador de agua debido a que las densidades son casi iguales. Asó mismo se muestra la comparación respecto al tejido substituto de pulmón el cual presenta diferencias a energías bajas.
Para las curvas en la figura 2 se utilizó la composición porcentual por peso del tejido blando y del tejido substituto de pulmón del artículo de White 5, en el cual describe la composición porcentual por peso para diferentes materiales.
Simulación para un maniquí homogéneo
En la figura 3. se muestra la curva de porcentaje de dosis en profundidad (PDP) para los objetos simuladores de agua y pulmón en campo de radiación de 2x2 cm2, usando el mismo haz de fotones de energía nominal de 6 MeV para ambos casos.
FIGURA 3 Comparacion de curvas de PDP para objetos simuladores de agua y pulmón en campo de 2 x 2 cm 2 .
En esta figura se observa que la distribución de dosis en curva de PDP depende de la densidad del material, por ejemplo, para el objeto simulador de agua con densidad de 1,03 g/cm3, se ve que la dosis máxima está a una profundidad de 1,48 cm de la superficie, y para el objeto simulador de pulmón cuya densidad es 0,32 g/cm3, se tiene que la dosis máxima se deposita a 3,26 cm de profundidad.
Cabe mencionar que la dosis máxima se da en la región de equilibrio electrónico, es decir, a esa profundidad el número de electrones que se frenan y ceden su energía es igual al número de electrones que se generan. Estas Curvas de PDP fueron dadas para campos similares de 2x2 cm2.
Otra gráfica que permite distinguir diferencias entre la distribución de dosis en la superficie de los objetos simuladores es la figura 4. de perfil de campo, la cual está determinada para un tamaño de campo de 2x2 cm2 con respecto al eje central de haz de fotones. Esta grafica permite distinguir el comportamiento y distribución de la dosis en la superficie de ambos objetos simuladores, se observa que, para el objeto simulador de agua, la dispersión en superficie es mayor que para el de pulmón, debido a este efecto es que se aprecia una mayor penumbra para el objeto simulador de pulmón que para el de agua.
Simulación para un objeto simulador heterogéneo
Se realizó una simulación de irradiación para un objeto simulador heterogéneo (agua, pulmón, agua) para dos campos de irradiación uno de 1x1 cm2 y otro 2x2 cm2, la disposición geométrica de los objetos simuladores consta de tres placas cilíndricas conformadas por dos de agua de 5 cm de espesor en la parte superior e inferior del cilindro, mientras que en el medio se colocó una placa de pulmón de 10 cm de espesor tal como se detalló anteriormente en la figura 1. En la figura 5 se observa el comportamiento de la distribución de dosis dada por la radiación al pasar de un material con mayor densidad (agua) a otro de menor densidad (pulmón). Estas variaciones obedecen a una pérdida del equilibrio electrónico en estas regiones de interfaz de diferentes materiales.
Simulación un objeto simulador heterogéneo insertando un tumor
En la figura 1 se mostró también la geometría de un objeto simulador con la inserción de un tumor en ella, dicha representación de tumor está situada en el eje central a 9,5 cm de profundidad, a dicho objeto simulador de tumor se le atribuye una densidad de 1,00 g/cm3. Para este objeto simulador heterogéneo se aplicó el mismo criterio y parámetros de simulación anteriores como energía nominal de 6 MeV, distancia fuente superficie de 100 cm. En la figura 6 se muestra la distribución de dosis en profundidad para los parámetros mencionados sobre campos de irradiación de 1x1 cm2 y otro 2x2 cm2, se puede observar a un 70%, esto es por la diferencia de la densidad del tumor con respecto a los tejidos que lo circundan. Por esta razón la interacción en la sección de cruce aumenta en este punto (blanco), pero cuando observamos el paso de la radiación en la interfaz al pasar del tumor al pulmón decae exponencialmente, esto nos indica el incremento de la trasmisión de la radiación en el material pulmón al tener una densidad menor en comparación con la del tumor. En la última parte de la curva, el material es agua, entonces hay retrodispersión de energía lo que genera una acumulación de energía nuevamente.
Conclusiones
La distribución de dosis en un cuerpo depende directamente de la densidad de cada material y de la energía depositada, esto se puede determinar directamente de la figura 2 en la validación de los objetos simuladores de agua y pulmón usando sus coeficientes de atenuación másicos, así como de las curvas de PDP mostradas en las figuras 5 y 6.
La figura 4 que muestra los perfiles de campo para el objeto simulador de pulmón y agua irradiados con una energía de 6 MeV, revela una concordancia entre ellas y una relación directa con las figuras 5 y 6, ya que ambas grafican la respuesta de la distribución de dosis en la interfaz de materiales con diferentes densidades.
El código de transporte de partículas PENELOPE v.2008. demuestra ser una herramienta poderosa para simular procesos de interacción de radiación con objetos simuladores de materiales biológicos (órganos y tejidos del cuerpo), usando geometrías simples.
