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New methods in intensity-modulated radiation therapy for treatment time reduction

Mellado Esteban, Xavier
Artacho Terrer, Juan Manuel (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2011

Resumen: El cáncer es hoy en día una de las principales causas de muerte en todo el mundo con 7,6 millones de fallecidos en 20081, lo que equivale a un 13% del total de muertes. Para combatir este grupo de enfermedades, se han desarrollado múltiples técnicas que pueden ser administradas individualmente o de forma conjunta para incrementar su efectividad. La radioterapia de intensidad modulada (abreviatura en inglés IMRT) es una técnica que permite concentrar la dosis de radiación en el volumen del tumor, a la vez que limita la radiación que reciben los tejidos sanos adyacentes. Sin embargo, la complejidad del tratamiento se incrementa frente a otras técnicas de radioterapia convencional como 3DCRT, provocando que el tiempo de administración en cada sesión sea mayor y que la validación clínica resulte más difícil. La presente tesis se centra en la modalidad step-and-shoot de IMRT, con el objetivo de desarrollar nuevos métodos que permitan modelar de forma más precisa el problema tratado y reducir los tiempos de administración. En el modelado del problema, el mapa de intensidad de cada haz y el volumen interior del paciente son discretizados en beamlets y vóxels, respectivamente, para poder ajustar la dosis a la forma tridimensional del tumor. Las intensidades de los beamlets son generadas mediante un proceso de optimización, que es guiado por los cambios que se producen en la función objetivo obtenida a partir de la distribución de dosis conseguida en el interior del paciente. Por esta razón, el modelo de radiación tiene un papel crucial, ya que es el encargado de obtener la dosis acumulada en cada uno de los vóxels cada vez que las intensidades son modificadas. En la presente tesis, proponemos un método de proyección en el modelo de radiación para el cálculo de relaciones entre beamlets y vóxels, que cambia la relación 1 a n asumida en el método de proyección original por una relación n a n más realista, donde un beamlet puede radiar de forma directa a más de un vóxel, y un vóxel puede ser radiado directamente por más de un beamlet. Esto se consigue proyectando el vóxel completo sobre los beamlets que forman el haz de radiación y buscando cuales han sido activados. Este proceso se realiza utilizando la potencia de las actuales tarjetas gráficas para realizar los cálculos sin que el tiempo de ejecución se incremente excesivamente. Una vez que los mapas de intensidad han sido optimizados, todavía es preciso descomponerlos en una serie de aperturas con un tiempo de exposición asociado para que puedan ser administradas por un acelerador lineal equipado con un MLC. La descomposición tiene multitud de soluciones posibles, pero se debe buscar la más simple y eficiente para no prolongar los tiempos de administración y hacer más difícil la validación clínica. Con este objetivo, proponemos reducir los tiempos de administración por medio de tres métodos diferentes pertenecientes a la tarea de descomposición o segmentación MLC. El primero de ellos es un algoritmo de segmentación unidireccional, que mediante la sincronización de las láminas obtiene segmentos con formas más suaves y, a la vez, tiende a evitar la aparición de más de una componente conexa, es decir, procura generar una única apertura por segmento. El segundo método consigue reducciones de hasta un 25% en el número de segmentos a partir del estudio de una representación tridimensional de la descomposición obtenida, buscando aquellos puntos clave en la matriz de fluencia que dificultan la descomposición y que con una ligera modificación en su fluencia pueden ser eliminados. Por último, se presenta un método que permite post-procesar segmentaciones y reducir el número de segmentos obtenidos a una cantidad prefijada por el usuario. Esta reducción se consigue utilizando la similitud entre aperturas adyacentes en segmentaciones unidireccionales para agruparlas en tantos grupos como segmentos desee el usuario. Posteriormente, una apertura y un peso equivalentes son creados para cada grupo teniendo en cuenta el mapa de fluencia original, a fin de preservar las zonas de alta intensidad y con ello permanecer lo más cerca posible de la fluencia originalmente planificada.