Download ESTUDIO DE DPM PARA PLANIFICACION DE TRATAMIENTOS DE

ESTUDIO DE DPM PARA
PLANIFICACION DE
TRATAMIENTOS DE
RADIOTERAPIA
INTRAOPERATORIA
Diana Bachiller Perea
Directores: José Manuel Udías Moinelo y
Jacobo Cal González
1
1. INTRODUCCIÓN
1.1. El cáncer y sus tratamientos
1.2. Tomografía Computerizada
1.3 Métodos de Monte Carlo en Medicina: DPM
2. MÉTODOS Y RESULTADOS
2.1. Estudio del programa DPM
2.2. Uso de imágenes CT en DPM
3. CONCLUSIONES
2
1.1. El cáncer y sus tratamientos
Cáncer: enfermedad caracterizada por una división celular
descontrolada debida a una mutación en los genes que regulan el
crecimiento celular.
Metástasis: propagación de dicha proliferación celular desde el
tejido original a otros tejidos u órganos del cuerpo.
Algunas estadísticas:
- Primera causa de muerte en España.
- Una de cada cuatro mujeres y uno de cada tres hombres es
diagnosticado de cáncer a lo largo de su vida.
-Cerca de 200.000 muertes por cáncer en España en el año
2008.
3
Radioterapia: destruye las células cancerígenas mediante la
aplicación de radiaciones ionizantes en la zona tumoral.
Tipos de radioterapia:
- Radioterapia externa o teleterapia : la fuente de radiación se
coloca a cierta distancia del paciente.
- Braquiterapia: el tumor es tratado a corta distancia.
Radioterapia intraoperatoria: Consiste en radiar directamente la
zona tumoral durante una intervención quirúrgica, de forma que
los tejidos sanos circundantes no se ven prácticamente afectados
por la radiación.
4
1.2. Tomografía Computerizada
La tomografía computerizada (CT o TAC) con rayos X nos permite
generar imágenes anatómicas con una resolución espacial submilimétrica,
lo que ha convertido a esta técnica en una herramienta esencial para el
diagnóstico médico de problemas anatómicos
I ( x ) = I ( 0) ⋅ e − μ ⋅ x
UH =
μ − μw
⋅ 1000
μw
Material
UH
Aire
-1000
Pulmón
Entre -300 y -800
Agua
0
Músculo
Entre 40 y 60
Hueso
>500
5
1.3 Métodos de Monte Carlo en Medicina: DPM
El método de Monte Carlo (MC) es un método numérico que
nos permite resolver problemas físicos o matemáticos mediante
el uso de números aleatorios.
PENELOPE es un código de simulación Montecarlo que
permite simular el transporte de electrones, positrones y fotones
en un rango de energías de 100 eV a 1 GeV. Está escrito en el
lenguaje de programación FORTRAN. Fue desarrollado en el
año 1994 por Francesc Salvat y José M. Fernández-Varea
(Departamento de Física de la Universidad de Barcelona) y
Josep Sempau (Instituto de Energía de la Universidad
Politécnica de Cataluña).
6
DPM (dose planning method) es un código que simula el transporte de
fotones y electrones mediante métodos de simulación de Monte Carlo. Está
basado en PENELOPE y permite calcular la dosis depositada en un
determinado material al ser radiado con un haz de fotones o electrones.
El paquete de simulación de DPM consta de cuatro programas:
- MATERIAL: en él se definen los materiales
- PREDPM: pre-procesador en el que podemos fijar algunos parámetros
- GENVOXEL: genera la geometría que queramos utilizar
- DPM: realiza la simulación MC:
7
2.1. Estudio del programa DPM
Objetivo: conseguir una precisión razonabñe en el cálculo de la
dosis absorbida con no más tiempo del necesario, modificando los
valores de los parámetros de entrada de DPM, con vistas a
mejorar la planificación de un tratamiento de RIO.
¾Parámetros de entrada:
- slow: longitud de paso para partículas con E < ecross.
- shigh: longitud de paso para partículas con E > ecross.
- ecross: energía límite para tomar una longitud de paso u otra.
- wcc (Eabs): energía de absorción de los electrones.
- wcb (Eabsph): energía de absorción de los fotones.
¾Número de historias
¾Número de vóxeles
8
Núm. Vóxeles
Tamaño Vóxel
(cm)
Tamaño Total
(cm)
X
55
1.00
55
Y
55
1.00
55
Z
61
0.25
15.25
Características del haz:
- Partículas: electrones.
- Tamaño: haz cuadrado de 2 cm de lado.
- Energía: 20 MeV.
9
Error relativo (en tanto por uno):
N
rms =
Siendo:
2
i
i =1
N
⎛ dosis − dosis _ ref ⎞
err _ rel 2 = ⎜
⎟
dosis _ ref
⎝
⎠
Dosis de referencia:
N=107 Historias
∑ err _ rel
2
Parámetro
Valor
shigh
0.1 cm
slow
0.005 cm
ecross
12 MeV
Wcc y Eabs
200 keV
Wcb y Eabsph
50 keV
10
Dependencia con slow:
slow: longitud de paso para partículas con E < ecross.
Al aumentar slow disminuye la precisión de la simulación.
1600
0,0052
6
5·10 Historias
1400
6
0,0050
5·10 historias
1200
1000
rms
Tiempo (s)
0,0048
800
0,0046
0,0044
600
0,0042
400
0,0040
200
0,0038
0
0.01
0.1
slow (cm)
1
0,01
0,1
1
slow (cm)
Valor adecuado de slow: entre 0.1 y 0.25 cm
11
Dependencia con shigh:
shigh: longitud de paso para partículas con E > ecross.
Al aumentar shigh disminuye la precisión de la simulación.
0,010
260
6
5·10 Historias
0,008
Resultados del ajuste:
Chi^2 = 1.98563
A = (59.58704 ± 0.89535) s·cm
B = (178.89011 ± 0.67009) s
240
1/2
Resultados del ajuste:
Chi^2 = 4.6384E-8
0,007
-5
-3
A = (3.00 ± 0.6)·10 cm
B = (0.00178 ± 0.00005)
0,006
rms
Tiempo (s)
250
6
5·10 Historias
0,009
230
0,005
0,004
220
0,003
210
0,002
200
0,001
0
1
2
3
4
5
6
0
1
2
shigh (cm)
t (s) =
A
+B
shigh(cm)
3
4
5
6
shigh (cm)
σ = A ⋅ shigh 3 + B
Valor adecuado de shigh: ~2 cm
12
Dependencia con ecross:
ecross: energía límite para tomar una longitud de paso u otra.
Al aumentar ecross aumenta la precisión de la simulación.
0.0034
300
0.0032
6
5·10 Historias
280
6
5·10 Historias
0.0030
Resultados del ajuste:
Chi^2 = 9.39877
A = (0.05017 ± 0.00054) s·eV
B = (67.11277 ± 1.70185) s
240
0.0028
-1/2
0.0026
220
rms
Tiempo (s)
260
200
0.0024
0.0022
180
0.0020
160
0.0018
140
0.0016
120
0.0014
0,0
6
4,0x10
6
8,0x10
7
1,2x10
7
1,6x10
7
2,0x10
0.0
6
4.0x10
ecross (eV)
6
8.0x10
7
1.2x10
7
7
1.6x10
2.0x10
ecross (eV)
t ( s) = A ⋅ ecross(eV ) + B
Valor adecuado de ecross: ¿?
13
Dependencia con Wcc:
Wcc: energía de absorción de los electrones.
Al aumentar Wcc disminuye la precisión de la simulación.
0,007
360
5·10 Historias
5·10 Historias
0,005
340
rms
Tiempo (s)
6
0,006
6
350
330
0,004
320
0,003
310
0,002
300
0,001
290
5
2,0x10
4,0x10
5
5
6,0x10
5
8,0x10
6
1,0x10
5
2,0x10
5
4,0x10
5
6,0x10
5
8,0x10
6
1,0x10
Wcc (eV)
wcc (eV)
Valor adecuado de Wcc: ~400 keV
14
Dependencia con Wcb:
Wcb: energía de absorción de los fotones.
Al aumentar Wcb disminuye la precisión de la simulación.
370
0,0045
6
5·10 Historias
6
5·10 Historias
365
360
0,0035
rms
Tiempo (s)
0,0040
0,0030
355
0,0025
350
0,0020
345
0,0015
50000
100000
150000
Wcb (eV)
200000
250000
50000
100000
150000
200000
250000
wcb (eV)
Valor adecuado de Wcb: ~100 keV
15
Dependencia con el número de historias: Medio homogéneo
Núm. Vóxeles
Tamaño Vóxel
(cm)
Tamaño Total
(cm)
X
55
1.00
55
Y
55
1.00
55
Z
61
0.25
15.25
Características del haz:
- Partículas: electrones.
- Tamaño: haz cuadrado de 2 cm de lado.
- Energía: 20 MeV.
16
Dependencia con el número de historias: Medio homogéneo
0,012
1600
1400
Resutados del ajuste:
Chi^2 = 7.5507E-8
A = 3.36596 ± 0.09998
B = 0.00021 ± 0.00011
0,010
0,008
1000
rms
Tiempo (s)
1200
800
0,006
600
400
0,004
200
0,002
0
0
6
1x10
6
2x10
6
3x10
6
4x10
Número de historias
6
5x10
0
1000000
2000000
4000000
5000000
Número de historias
t ( s ) = A + B· N
A = (2.4 ± 2.7) s
3000000
σ=
A
N
+B
B = (3.086 ± 0.010)·10−4 s / historia
R = 0.9999
n = (3240 ± 10) historias / s
17
Dependencia con el número de historias: Medio heterogéneo
Núm. Vóxeles
Tamaño Vóxel
(cm)
Tamaño Total
(cm)
X
55
1.00
55
Y
55
1.00
55
Z
61
0.25
15.25
Características del haz:
- Partículas: electrones.
- Tamaño: haz cuadrado de 2 cm de lado.
- Energía: 20 MeV.
18
Dependencia con el número de historias: Medio heterogéneo
0,012
4000
Resultados del ajuste:
Chi^2 = 2.9264E-7
A = 3.85657 ± 0.19683
B = -0.00075 ± 0.00021
0,010
0,008
rms
Tiempo (s)
3000
2000
0,006
0,004
1000
0,002
0
0,000
0
1000000
2000000
3000000
4000000
Número de Historias
5000000
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
Número de Historias
t ( s ) = A + B· N
A = (5 ± 14) s
B = (8.321 ± 0.047)·10−4 s / historia
σ=
A
+B
N
R = 0.99968
n=
1
= (1202 ± 7) historias / s
B
19
Dependencia con el número de historias
0,012
4000
Medio Heterogéneo
Medio Homogéneo
Medio Heterogéneo
Medio Homogéneo
0,010
0,008
rms
Tiempo (s)
3000
2000
0,006
0,004
1000
0,002
0
0,000
0
1000000
2000000
3000000
Número de Historias
4000000
5000000
0
1000000
2000000
3000000
4000000
5000000
Número de Historias
Medio homogéneo:
B = (3.086 ± 0.010)·10−4 s / historia Î n = (3240 ± 10) historias / s
Medio heterogéneo:
B = (8.321 ± 0.047)·10−4 s / historia Î n = (1202 ± 7) historias / s
20
Dependencia con el número de vóxeles
nx, ny, nz
Nº total de
vóxeles
Tamaño del
vóxel (cm)
Tiempo (s)
20
8·103
2.4
94.62
40
6.4·104
1.2
97.32
60
2.16·105
0.8
100.99
80
5.12·105
0.6
106.05
100
106
0.48
112.11
120
1.728·106
0.4
120.00
140
2.744·106
0.3429
129.94
160
4.096·106
0.3
142.84
180
5.832·106
0.2667
161.16
200
8·106
0.24
177.27
220
1.0648·107
0.2182
200.02
240
1.3824·107
0.2
228.49
21
Dependencia con el número de vóxeles
240
6
220
2·10 Historias
Tiempo (s)
200
180
160
140
120
100
80
0,0
2,0x10
6
4,0x10
6
6
6,0x10
6
8,0x10
1,0x10
7
7
1,2x10
7
1,4x10
Nº total de vóxeles
22
2.2. USO DE IMÁGENES CT EN DPM
Imágenes tomadas en el Hospital Universitario Gregorio Marañón con
dimensiones:
Núm. Vóxeles
Tamaño Vóxel
(cm)
Tamaño Total
(cm)
X
512
0.1879
96.20
Y
512
0.1879
96.20
Z
112
0.3000
336
Dimensiones de la imagen interpolada:
Núm. Vóxeles
Tamaño Vóxel
(cm)
Tamaño Total
(cm)
X
256
0.3758
96.20
Y
256
0.3758
96.20
Z
112
0.3000
336
23
Segmentación en tres materiales:
Posición del
material en la
lista
Material
Nombre del
material en
PENELOPE
Densidad
(g/cm3)
Unidades
Hounsfield (UH)
1
Aire
Air
10-3
UH < -500
2
Agua
Water
1
-500 < UH < 500
3
Hueso duro
CorticalBone
1.85
UH > 500
24
Segmentación en diez materiales:
Posición del
material en
la lista
Material
Nombre del
material en
PENELOPE
Densidad
(g/cm3)
Unidades
Hounsfield (UH)
1
Aire
Air
10-3
UH < -900
2
Pulmón
lung
0.3
-900 < UH < -400
3
Tejido adiposo
AdiposeTissue
0.92
-400 < UH < -200
4
Agua
Water
1
-200 < UH < 200
5
Músculo estriado
MuscleStriated
10.4
200 < UH < 400
6
Piel
skin
1.1
400 < UH < 500
7
Hueso blando
B100
1.45
500 < UH < 900
8
Hueso duro
CorticalBone
1.85
900 < UH < 3000
9
Aluminio
Al
2.6989
3000 < UH < 5000
10
Plomo
Pb
11.35
UH > 5000
25
Comparación de las imágenes:
Tres materiales
Diez materiales
Imagen real
Y
X
Z
26
Comparación del cálculo de dosis:
Características del haz:
- Partículas: electrones.
- Tamaño: haz cuadrado de 2 cm de lado.
- Energía: 20 MeV.
Parámetro
Valor
Nº Historias
5·106
shigh
0.5 cm
slow
0.01 cm
ecross
12 MeV
wcc y Eabs
200 keV
Wcb y Eabsph
50 keV
27
28
Comparación del cálculo de dosis:
(dosis_agua)-(dosis_CT)
- Tres materiales:
Verde: resultados negativos (dosis_CT > dosis_agua).
Rojo: resultados positivos (dosis_CT < dosis_agua).
29
- Diez materiales:
Verde: resultados negativos (dosis_CT > dosis_agua).
Rojo: resultados positivos (dosis_CT < dosis_agua).
30
Verde: resultados negativos (dosis_10mat> dosis_3mat).
Rojo: resultados positivos (dosis_10mat < dosis_3mat).
- Comparación de tres materiales con diez:
(dosis_3mat)-(dosis_10mat)
31
3. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO
CONCLUSIONES
Mediante la optimización hemos podido comprobar que los parámetros que
más nos conviene usar en DPM no son siempre los que se recomiendan
en las instrucciones del programa:
Parámetro
Valor
recomendado
Valor óptimo
Slow
1 cm
0.1-0.25 cm
Shigh
5 cm
~2 cm
Ecross
12 MeV
¿?
Wcc
200 keV
400 keV
Wcb
50 keV
100 keV
En la segunda parte del trabajo hemos comprobado que los resultados
varían considerablemente al utilizar una imagen CT (error~10%), en vez de
realizar la simulación en agua, haciendo así más precisos nuestros cálculo al
tratar de realizar una planificación de un tratamiento real.
32
33