Towards a biomechanical model of the human lung

Radiotherapy of the lung is challenging due to the motion induced by respiration. Plans of radiotherapy treatments are developed based on static computed tomography (CT) images, while treatment is performed in moving organs. This leads to a lack of precise knowledge of the actual position of the tumor and internal organs during treatment makes the calculation of actual dose absorbed by the lungs and surrounding tissues unknown. In the Center for Advanced Radiotherapy Technologies (CART), the research arm of the Department of Radiation Oncology at University of California San Diego (UCSD, Moores Cancer Center) sets a goal: Improving lung radiotherapy using Adaptative Radiation Therapy (ART). This consists of knowing the actual dose of radiation delivered during the treatment so that when needed it should be possible to adjust the dose absorbed by the tumor to the dosage prescribed by the oncologist. In this context, a well-defined model of the organ, and that conforms to the anatomical and physiological characteristics of it is proposed. The project proposed here is based on developing a biomechanical model of the lungs using finite elements (FE). From 4D CT patient’s data sets, we obtain geometric characteristics of the organ. Biomechanical properties are optimized in order to obtain the desired movement of internal body identified in the images. From the numerical model, we apply loads and boundary conditions that lead to the final state of the lung at the breathing process. Overall, it is a three-dimensional mechanical system which aims to achieve a final geometry known beforehand. With this proposed biomechanical model of the lungs, the internal anatomy may be obtained at each instant in the breathing cycle. The knowledge of the anatomy and the radiation beam, along with a dose calculation algorithm, allow calculating the instantaneous real dose delivered to the patient at each moment, which is a step in adaptive radiation. ______________________________________________________________________________________________________________________________________La radioterapia del pulmón es un reto debido al movimiento inducido por la respiración. Las planificaciones de los tratamientos de radioterapia se desarrollan sobre la base de imágenes estáticas de tomografías computarizadas (CT), mientras que el tratamiento real se lleva a cabo en los órganos en movimiento. Esto conlleva a una falta de conocimiento preciso de la posición real del tumor y los órganos internos durante el tratamiento hacen del cálculo de la dosis real que absorben los pulmones y los tejidos circundantes algo desconocido. En el Centro de Tecnologías Avanzadas de Radioterapia (CART), el brazo de investigación del Departamento de Radiología Oncología de la Universidad de California, San Diego (UCSD, Moore centro para el cáncer) se plantea un objetivo: mejora de la radioterapia del pulmón mediante la radioterapia adaptativa (ATR). Esto consiste en conocer la dosis real de radiación suministrada durante el tratamiento de manera que cuando, sea necesario, sea posible ajustar la dosis real absorbida por el tumor a la dosis prescrita por el oncólogo. En este contexto, es necesario partir de un modelo del órgano bien definido, y que se ajuste a las características anatómicas y fisiológicas del mismo. El proyecto que aquí se propone se basa en el desarrollo un modelo biomecánico de los pulmones por medio de elementos finitos (FE). A partir de conjuntos de datos 4D CT del paciente se obtendrán las características geométricas del órgano. Las propiedades biomecánicas serán optimizadas para obtener el movimiento deseado del órgano interno identificado en las imágenes. A partir del modelo numérico, se aplicarán cargas y condiciones de contorno que lleven al pulmón desde el estado inicial del proceso de la respiración, hasta el estado final. En conjunto, se trata de un sistema mecánico tridimensional en el que se pretende conseguir una geometría final conocida de antemano. Con este modelo biomecánico de los pulmones propuesto se podrá obtener la anatomía interna a cada instante en el ciclo de la respiración. El conocimiento la anatomía y el haz de radiación, junto con un algoritmo de cálculo de dosis, permiten calcular la dosis instantánea en el paciente en cada instante, lo que supone un paso para la radioterapia adaptativa.Ingeniería Industria