Desarrollo e implementación de técnicas alternativas de modulación en haces externos de fotones y electrones de alta energía para radioterapia de intensidad modulada.

La calidad de un tratamiento de radioterapia se asocia a factores clínicos y físicos. Los factores físicos se vinculan con el logro seguro de la dosis prescripta en el volumen tumoral y de las dosis de tolerancia en los tejidos aledaños. De esta manera se aumenta la probabilidad de éxito del tratamiento, se producen resultados comparables entre diferentes instituciones y se disminuye la probabilidad de ocurrencia de accidentes radiológicos. La radioterapia de intensidad modulada (IMRT) con haces externos de fotones y electrones es una técnica universalmente aceptada en la que la fluencia de energía varía en la sección de cada haz de radiación, permitiendo lograr un mayor grado de conformidad de la distribución de dosis con el volumen tumoral, en comparación con las técnicas de radioterapia convencionales. La modulación de dicha fluencia se puede lograr mediante el uso de colimadores de hojas múltiples o mediante filtros compensadores. Estos últimos son una muy buena alternativa en los países emergentes debido a su bajo costo relativo. En este sentido, la Fundación Escuela de Medicina Nuclear (FUESMEN) ha desarrollado e implementado una técnica propia que permite elaborar filtros compensadores con costos y tiempos de fabricación diez veces menores que los filtros convencionales. El mayor grado de conformidad de las distribuciones de dosis en el volumen tumoral hace que la IMRT presente más exigencias en términos de las incertezas espaciales debidas a las tolerancias mecánicas de la máquina de irradiación, el posicionamiento y los cambios anatómicos del paciente, y el movimiento de órganos. Dicha exigencia ha motivado el desarrollo de nuevas tecnologías e investigaciones enfocadas en las distribuciones de dosis absorbida en el volumen tumoral y en los órganos de riesgo. El cálculo de estas distribuciones de dosis ha sido realizado históricamente mediante los métodos de convolución y convolución-superposición, siendo el método de simulación por Monte Carlo la herramienta típicamente usada para su validación. Si bien los modelos determinísticos de la ecuación de transporte de Boltzmann pueden tener la misma exactitud que los métodos de Monte Carlo, su aplicación en problemas de radioterapia ha sido muy escasa y reciente debido a la falta de memoria computacional previa para manipular la información necesaria para su resolución. La calidad de los servicios de radioterapia también se asocia al cumplimiento y mejora de la protección radiológica del paciente, trabajadores y miembros del público. Dicha protección radiológica conlleva la disminución de las dosis en el cuerpo del paciente y en localizaciones particulares dentro y fuera de las salas de tratamientos, lo que afecta el diseño estructural de estas últimas. Otra característica de la IMRT es que el tiempo de irradiación requerido para lograr la misma dosis de planificación, es mucho mayor que el correspondiente al de radioterapia convencional, lo que produce un incremento de la dosis absorbida en el cuerpo del paciente, aunque fuera del haz primario de radiación (dosis periférica). Dicho incremento es originado básicamente por el aumento de la radiación de fuga del cabezal del acelerador y por el aumento de radiación dispersada desde los colimadores y filtros compensadores. Si bien el estudio de la dosis periférica ha sido tema de interés debido a que puede tener una variedad de efectos sobre la salud del paciente, existen pocos estudios al respecto dada la dificultad de su determinación experimental y teórica. Como primer trabajo de esta tesis, se presentó un novedoso enfoque determinístico que consistió en el uso de la ecuación de transporte dependiente del tiempo como intermediaria para la obtención de las soluciones correspondientes al estado estacionario. El método demostró tener muchas ventajas en cuanto a exactitud, sencillez y velocidad con respecto a los métodos estacionarios convencionales de resolución de la ecuación de transporte. Se obtuvieron por primeros principios los criterios suficientes para la convergencia y se compararon resultados con cálculos de Monte Carlo a los efectos de asegurar la exactitud del método. El método numérico fue usado como herramienta de cálculo recurrente en todos los modelos dosimétricos presentados en esta tesis. En primer lugar, se justificó y demostró que un modelo de transporte unidimensional con simetría azimutal es una suposición aceptable para calcular la transmisión de las barreras primarias de salas de radioterapia, necesarias para el diseño de instalaciones. Aprovechando la practicidad del modelo, se realizó un estudio sobre la conveniencia radiológica que puede haber entre distintas configuraciones de barreras laminadas de materiales mixtos. Por otro lado, como parte de la mejora y caracterización de los filtros compensadores de IMRT que han sido implementados en la FUESMEN, se determinaron experimentalmente sus contribuciones a la dosis periférica producida en el cuerpo del paciente. Con el objeto de complementar y mejorar los tratamientos de IMRT, se desarrolló e implementó en los sistemas de planificación un modelo teórico que permite el cómputo de dicha dosis periférica. Finalmente, se demostró que la dosis periférica es lo suficientemente significativa y debe, por lo tanto, ser tenida en cuenta en el diseño de barreras secundarias de salas de IMRT. Se concluye que el nuevo método numérico desarrollado en esta tesis demostró tener gran robustez, pudiéndose extender a otras áreas de la ciencia. Las aplicaciones unidimensionales presentadas resultaron muy útiles para la mejora de la protección radiológica de los pacientes, trabajadores ocupacionalmente expuestos y miembros del público involucrados en IMRT. Se propone a futuro extender el método numérico a otros tipos de partículas y a problemas tridimensionales para cálculos dosimétricos dentro del campo de radiación y en la periferia cercana