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Control de radiación neutrónica periférica de pacientes sometidos a radioterapia

“El uso de los nuevos detectores TNRD, en combinación con el hardware de adquisición de National Instruments y la plataforma LabVIEW, han sido decisivos para la implementación rutinaria en la clínica de un sistema de control, que permitirá la disminución del riesgo de adquirir un segundo cáncer, como consecuencia del tratamiento radioterápico.” – L. Irazola, Universidad de Sevilla-Hospital Universitario Virgen Macarena (Sevilla).

El Reto

Controlar, por primera vez y en  tiempo real, el riesgo de padecer un  segundo cáncer como consecuencia  de la contaminación neutrónica a la  que están sometidos los pacientes oncológicos durante el tratamiento  de radioterapia.


La Solución 

La estimación de la dosis neutrónica  en distintos órganos del  paciente a partir de la obtenida  por un detector, conectado al sistema  NI-USB 6218, en la sala de  tratamiento. Como paso previo,  usando dispositivos NI-USB 6218 y  LabVIEW, se
obtiene la información  simultánea de otros 16 detectores  ubicados en un fantoma antropomórfico.


Introducción

La alta incidencia de cáncer en la  población, junto al creciente éxito  en su curación, están poniendo de  manifiesto la aparición de efectos  secundarios debidos a los tratamientos  de radioterapia. Uno de  ellos es la aparición de un segundo  cáncer como consecuencia de la  contaminación neutrónica, recibida  por los pacientes sometidos a  tratamientos de radioterapia con  fotones de alta energía.  La valoración de este riesgo, basada  en medidas activas dentro de  un fantoma, no ha sido llevada a  cabo en ningún hospital del mundo  hasta la fecha, dada la complejidad  del problema. Con el dispositivo  propuesto se puede obtener en  tiempo real la dosis de radiación en  los órganos del paciente, permitiendo  la elección de la mejor estrategia  de tratamiento, sopesando los riesgos  y beneficios.

 

Objetivos

Para alcanzar el reto presentado,  nos basamos en un innovador  detector activo sensible a  neutrones térmicos, fabricado en  el INFN-LNF (Istituto Nazionale di  Fisica Nucleare de Frascati) con el  objetivo de utilizarse en el futuro  en los sistemas espectrométricos.  No obstante, dadas sus características,  hemos visto la oportunidad  de su uso clínico en el ámbito de  la oncología. Para ello se plantean  dos soluciones, una primera para la  generación de los modelos de dosis  a órganos, basados en medidas  experimentales con fantoma antropomórfico, y una segunda  para la evaluación específica de los  pacientes sometidos a radioterapia.

 

Descripción del Método

El primer paso consiste en la  realización de medidas simultáneas,  de un detector de referencia  situado en la sala de tratamiento (piloto) y 16 detectores insertados  en un fantoma. Las lecturas de los  detectores se convierten a fluencia  neutrónica térmica, a partir de factores  de calibración determinados  en una fuente de neutrones en el  INFN. Esta fluencia es transformada  a dosis equivalente gracias al  conocimiento de los espectros energéticos  en cada punto, calculados  previamente mediante simulaciones  Monte Carlo.  El riesgo de desarrollar un segundo  cáncer, se obtiene aplicando  las estimaciones proporcionadas  por la International Comission on  Radiation Protection (ICRP). Mediante  la correlación entre la dosis  en los distintos puntos del fantoma  y la lectura en el detector piloto,  se obtienen los modelos para los  diferentes tipos de tratamientos,  que nos servirán para valorar poste-  riormente a los pacientes sometidos  a esas técnicas específicas. Una vez  desarrollados estos algoritmos, se  procede al segundo paso. A partir  de las lecturas del detector digital  durante la irradiación del paciente,  se realiza una estimación en  tiempo real de la dosis neutrónica  equivalente recibida en los distintos  órganos y su riesgo asociado.

 

Hardware

Detector  El detector empleado está  basado en un dispositivo comercial  de estado sólido y de bajo coste,  que se encuentra sensibilizado a  neutrones térmicos a través de un  tratamiento físico-químico personalizado. Su área activa es de 1  cm2 y sus dimensiones totales son  de 1.5 x 1 x 0.4 cm3. La salida de  este dispositivo es un voltaje instantáneo  (DC) proporcional a la tasa de  fluencia neutrónica térmica.  Adquisición de señales  La señal del detector piloto es  amplificada en un módulo de electrónica  de bajo voltaje y transmitida  al exterior de la sala de tratamiento,  gracias al módulo NI USB-6218 que  permite la adquisición de datos  (DAQ). Por otra parte, las señales  procedentes del fantoma son introducidas  en un segundo DAQ, realizando  su envío al exterior a través  de un bus USB de alta velocidad,  que está conectado al ordenador.  El módulo NI USB-6218 dispone  de 16 entradas analógicas BNC  diferenciales, lo que permite la realización  de la medida con los 17  detectores (16 en el fantoma y el  piloto) de forma simultánea con  únicamente dos dispositivos.  Esto genera una transferencia efectiva  de la señal, evitando pérdidas y  sin necesidad de una alimentación  externa, para su análisis en tiempo  real.

 

Software

Cuatro programas han sido desarrollados  en la plataforma LabVIEW  para el desarrollo de este proyecto,  cumpliendo los requerimientos del  procesado de estas señales. Dos  principales para la adquisición y almacenamiento  de datos en tiempo  real (TNRD Phantom control y TNRD  patient control), suministrando directamente  el riesgo asociado al  tratamiento específico del paciente.  Además, otros dos módulos (Wave  phantom reader y Wave patient  reader) permiten el tratamiento y  análisis de los datos gráficos almacenados,  para posibles estudios  posteriores.  TNRD phantom control, permite  una adquisición activa de las lecturas  (en V•s) de los 16 detectores  junto con el piloto, corregidos por  los correspondientes factores de  calibración y la influencia de las dimensiones  de la sala de tratamiento.  Finalmente nos proporciona,  en tiempo real, la dosis recibida  y el riesgo asociado referidos a la  lectura del detector piloto. Estableciéndose  con ello una correlación,  para su posterior utilización con  los pacientes, donde se emplea el  módulo TNRD patient control.

 

Conclusión  

El valor de la dosis periférica  debida a neutrones y el riesgo de  padecer un segundo cáncer en pacientes  oncológicos sometidos a radioterapia,  puede ser determinado  en tiempo real a partir del sistema  desarrollado.  A pesar de la complejidad del  problema, el procedimiento planteado  es simple y universal.  El uso de los nuevos detectores  TNRD, en combinación con el  hardware de adquisición de National  Instruments (NI-USB 6218)  y la plataforma LabVIEW, han sido  decisivos para la implementación  rutinaria en la clínica de un sistema  de control que permitirá la disminución  del riesgo de adquirir un  segundo cáncer como consecuencia  del tratamiento radioterápico.

 

Referencias

  1. Phys Med Biol 2008;53:R193-  R241.
  2. Phys Med Biol 2012;57:6167–  6191.
  3. Radiotherapy and Oncology  2013;107:234-241.
  4. ICRP Publication 103, 2007.
  5. A new active thermal neutron detector. Radiation Protection  Dosimetry (in press).


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