Simposio Internacional sobre Educación, Capacitación y Gestión del Conocimiento en Energía Nuclear y sus Aplicaciones Cusco, Perú, 22 al 26 de noviembre de 2015
CAPACITACIÓN INFORMÁTICA DEL DESARROLLO Y PUESTA EN
SERVICIO DE UN SOFTWARE PARA LA VERIFICACIÓN
INDEPENDIENTE DE LOS PLANES DE TRATAMIENTO CON FOTONES
DE INTENSIDAD MODULADA
Torres J.1,2, Díaz R.2, Ascención Y.2, Alfonso R2. y Bonzi E.1
1
Universidad Nacional de Córdoba – Facultad de Matemática Astronomía y Física , Argentina
2
Instituto Nacional de Oncología y Radiobiología, Cuba
RESUMEN
Introducción: La administración de la Radioterapia requiere verificación independiente de los cálculos de los planes de tratamiento, como una garantía de la entrega correcta de la dosis prescrita. En este trabajo, nos propusimos el desarrollo de un software que permita este cálculo, tanto en la técnica convencional de Radioterapia Conformada Tridimensional (3D-CRT) como en la más avanzada, Radioterapia con Intensidad Modulada (IMRT).
Materiales y Métodos: Para elaborar el software se empleó el lenguaje de programación MATLAB® sobre una computadora personal con sistema operativo Windows. En el algoritmo de cálculo se utiliza un modelo exponencial de dos parámetros para separar las contribuciones de dosis primaria y dispersa. Para la validación del software se planificaron nueve Casos Prueba en un maniquí. Se realizó la comparación entre los cálculos del Sistema de Planificación de Tratamiento (TPS) y los del software; así como con mediciones realizadas por una cámara de ionización. También se comprobaron veinte planes de pacientes reales.
Resultados: Se conformó el software VeriDose, para verificar el cálculo de los planes de tratamientos planificados en 3D-CRT y en IMRT. Los valores obtenidos de los cálculos del VeriDose mostraron una discrepancia menor al 5% con respecto a los valores obtenidos por el TPS, en correspondencia con los protocolos internacionales. Los valores obtenidos con el TPS mostraron a su vez una discrepancia menor al 5% respecto a las mediciones.
Conclusiones: El software desarrollado demostró tener las funcionalidades necesarias para la comprobación redundante en los tratamientos avanzados de Radioterapia e integrar el programa de control de calidad del departamento.
Palabras claves: Verificación independiente, TPS, IMRT.
ABSTRACT
Introduction: The administration of Radiotherapy treatments requires an independent verification for the treatment plans calculations, as an assurance of the right prescribed dose delivery. In this work we intended to develop a software that allows this calculation, as well in the conventional Three-Dimensional Conformed Radiotherapy (3D-CRT) as in the more advanced Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT). Methods and Materials: The programming language MATLAB® was used to develop the software, on a personal computed with Windows operative system. The calculation algorithm uses an exponential model with two parameters in order to separate primary and disperse dose contributions. In order to validate the software, nine test cases were planned over a phantom. A comparison was made between the Treatment Planning System (TPS) calculation and the software calculation. A similar comparison was made between the TPS and measurements carried out with an ionization chamber. Plans for twenty actual patients were also recalculated with the software.
Results: The VeriDose software was developed in order to verify the treatment planning calculations in 3D-CRT and IMRT. The values obtained with VeriDose had a differencesmaller than 5% withrespect to those obtained by the TPS, as required by international protocols. The TPS values had a difference smaller than 5% with respect to measured values.
Conclusion: The software showed an adequate performance in order to redundantly check advanced Radiotherapy treatments. It will be possible to incorporate it to the Quality Assurance program in the Radiotherapy Department.
Key Words: Independent verification, TPS, IMRT.
1. INTRODUCCIÓN
La Radioterapia (RT) es una de las tres modalidades principales empleadas en el tratamiento del cáncer; las otras dos son la Cirugía y la Quimioterapia. La RT es, después de la cirugía, la modalidad de más éxito y se aplica en más del 50% de todos los pacientes con cáncer [1,2].
La RT emplea radiación ionizante para detener y revertir en lo posible el crecimiento acelerado de células malignas. Se busca además provocar el menor daño posible a los tejidos y/o órganos sanos circundantes. Dependiendo de la localización, tipo y forma de la lesión se elige la técnica de tratamiento más apropiada en cada caso.
La administración de la RT requiere procedimientos de garantía de calidad para garantizar la entrega correcta y exacta de la dosis prescrita [3,4,5]. Un componente clave de estos procedimientos es el cálculo redundante de la cantidad de radiación a suministrar al paciente. En el caso de los aceleradores lineales clínicos (Linac) se conoce como “Verificación Independiente de las Unidades Monitoras” (MUV), donde las unidades monitoras (MU) determinan la cantidad de radiación recibida por el paciente.
La RT ha evolucionado significativamente en los últimos años. En el pasado, los cálculos primarios y de verificación se realizaban utilizando datos introducidos manualmente. La necesidad de la verificación era obvia, con el fin de identificar los errores de transcripción y los errores de lectura de las tablas. Una segunda persona verificaba de forma independiente la información del paciente, parámetros tales como, la distancia fuente superficie (SSD), la profundidad (d), el Porciento de Dosis en Profundidad (PDD) y el Factor de Dosis Relativa (RDF), y además los cálculos aritméticos. Debido a la aplicación de métodos casi idénticos para ambos cálculos, se logra una fácil concordancia entre las MUVs y los cálculos MU primarios dentro de una tolerancia aceptable.
La introducción de una amplia informatización como imágenes volumétricas y mejoras de los algoritmos de cálculo, ha modificado tanto la complejidad del tratamiento del paciente como la forma en que se lleva a cabo la MUV. Hoy en día la mayoría de los departamentos de RT realizan la MUV empleando programas informáticos que utilizan protocolos de transferencia electrónica de datos, que son muchos menos probables a sufrir errores. Los modernos sistemas de planificación de tratamientos (TPSs) son complejos, puesto que utilizan sofisticados algoritmos y construyen modelos geométricos en tres dimensiones (3D) de los pacientes con las heterogeneidades en las densidades de los tejidos. Esta complejidad plantea retos a los tradicionales métodos de verificación manuales, ya que gran parte de la información requerida para realizar la verificación tiene que venir directamente de los TPSs [3].
El objetivo de la MUV es confirmar que el cálculo primario de las MU haya sido lo suficientemente preciso, lo que garantiza que no se han cometido errores groseros en el cálculo de las mismas. Esto constituye una de las garantías necesarias para brindarle un tratamiento efectivo al paciente y forma parte del programa de aseguramiento de la calidad del departamento. La MUV no es una comprobación de exactitud de la distribución de la dosis total calculada. Solo comprueba que las MU primarias determinadas por el TPS, entregarán la dosis esperada, dentro de una incertidumbre aceptable, a un solo punto dentro del volumen de tratamiento [3].
Hay una serie de incidentes particulares que indican la importancia de una MUV. Por ejemplo, en Escocia en 2006, un paciente recibió una sobredosis de radiación letal debido a un error en la transferencia electrónica de datos entre el TPS y el sistema de administración de tratamientos. La investigación de este caso indicó que un control de cálculo independiente pudo haber identificado la sobredosis resultante antes del tratamiento [6]. En Francia, entre 2004 y 2005, 23 pacientes recibieron una exposición excesiva de radiación resultante de la introducción de tratamientos con cuñas dinámicas [7], una revisión del incidente señaló como factor importante, que se había eliminado recientemente la MUV. Una deficiencia similar en el procedimiento se identificó en un incidente ocurrido en Panamá en el 2000, donde 28 pacientes fueron sobre expuestos a la radiación debido al uso incorrecto de los TPSs. La Organización Internacional de Energía Atómica (OIEA) realizó una revisión del incidente e incluyó entre sus recomendaciones [8]:
“Los resultados proporcionados por el TPS deben ser verificados, y esto debe incluir la verificación mediante el cálculo manual de la duración del tratamiento y la dosis en el punto seleccionado. Esta verificación debe ser parte del programa de control de calidad”.
La OIEA, en una revisión de las malas prácticas en RT, efectuada con anterioridad a los acontecimientos mencionados, llegó a la conclusión, de que una MUV es un elemento importante que se requiere para garantizar la seguridad del paciente [9]. La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP), en un informe en el 2009 dirigido a la prevención de errores de exposición por las nuevas tecnologías de tratamiento [10], afirma:
“Un simple cálculo secundario de MU, independiente de los TPS, ha demostrado durante muchos años ser una herramienta eficaz para la prevención de errores importantes en la entrega de dosis”.
Todos estos incidentes anteriores señalan que los controles de MUV son importantes para la seguridad del paciente. Una MUV eficaz, es una de las herramientas en el proceso de Control de Calidad (CC) diseñadas para detectar errores graves en la administración de la dosis de tratamiento paciente-específico [11,12].
2. SEGUNDA LÍNEA PRINCIPAL Y POSTERIORES
2.1.1. Programación de la herramienta para la MUV
El software de verificación independiente, VeriDose, fue programado utilizando MATLAB® R2008a (The MathWorks Inc.), en el entorno de programación visual GUIDE (Graphical User Interface Development Environment) disponible para realizar y ejecutar programas que necesiten ingreso continuo de datos. MATLAB® es un programa potente para realizar cálculos numéricos con vectores y matrices, lo cual es ventajoso para nuestro trabajo, debido a la necesidad de la utilización de tablas con los datos del Linac y de los haces de radiación.
2.1.1.1. Modelo para el cálculo de dosis
Se utilizó el modelo exponencial de dos parámetros para separar las contribuciones de dosis primaria y de dispersión descrito por Baker et al [13]. En la presente aplicación, se hace un ajuste para el producto del PDD, a SSD de 100cm, para un campo con un cuadrado equivalente de lado, X (definido en la superficie), y profundidad d, (PDD100(X, d)) y el RDF(X), que se define a la profundidad de la dosis máxima (1.5cm para haces de fotones de 6 MV). La variación del producto de PDD100(X, d) y RDF(X) se normaliza al producto de los similares para el mayor tamaño de campo, correspondiente a un campo cuadrado 40× 40cm2 (Xmax), según se establece en la ecuación 1:
𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏(𝑿𝑿,𝒅𝒅)∗𝑹𝑹𝑷𝑷𝑹𝑹(𝑿𝑿)
𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝑷𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏(𝑿𝑿𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎,𝒅𝒅)∗𝑹𝑹𝑷𝑷𝑹𝑹(𝑿𝑿𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎)= 𝟏𝟏 − 𝒎𝒎(𝒅𝒅) ∗ 𝒆𝒆
−𝒃𝒃(𝒅𝒅)∗𝑿𝑿 (1)
Los parámetros del modelo, a y b, se determinan entonces para cada profundidad d, por ajuste de esta ecuación.
Sustituyendo 𝑋𝑋 = 0 en el miembro derecho, se obtiene el componente de dosis primaria, 1 − 𝑎𝑎(𝑑𝑑). La componente de dispersión al eje central S(d, X), es por tanto dada por la ecuación 2:
𝑆𝑆(𝑑𝑑, 𝑋𝑋) = 𝑎𝑎(𝑑𝑑) ∗ (1 − 𝑒𝑒−𝑏𝑏(𝑑𝑑)∗𝑋𝑋) (2)
El aporte diferencial promedio a la dispersión de cada cuadradito perteneciente al “anillo” cuadrado de lado X (Figura 1), viene dada por la ecuación 3:
𝑆𝑆̈(𝑑𝑑, 𝑟𝑟) ∗ ∆𝐴𝐴 =𝑎𝑎(𝑑𝑑)∗𝑏𝑏(𝑑𝑑)∗𝑒𝑒4∗𝑋𝑋−𝑏𝑏(𝑑𝑑)∗𝑋𝑋 ∗ ∆𝐴𝐴 (3)
Si consideramos la contribución de la dispersión a un punto en el eje del haz, como la suma de las contribuciones de los elementos de volumen, definidos por elementos de área en la superficie, de área, ∆A, como se representa en la Figura 1, la contribución de la dispersión total de un campo irregular arbitrario, puede ser representado por la ecuación 4:
𝑆𝑆(𝑑𝑑, 𝑟𝑟) =𝑎𝑎(𝑑𝑑)∗𝑏𝑏(𝑑𝑑)∗∆𝐴𝐴4 ∑ 𝑒𝑒−𝑏𝑏(𝑑𝑑)∗𝑋𝑋𝑖𝑖𝑋𝑋
𝑖𝑖 𝑁𝑁
donde N es la cantidad de cuadrados de área ∆A en que se dividiría un cuadrado tal, que fuera el campo cuadrado equivalente al campo en cuestión; Xi es la arista del anillo cuadrado al pertenecería cada pixel de área ∆A.
Figura 1. Diagrama del método de cálculo. Fuente: Baker et al [13].
En la Figura 1, la imagen superior muestra la sección transversal del haz (o segmento). La contribución dispersa en el punto de referencia a la profundidad, d, es sumada para una resolución arbitraria, dl. Para este estudio, fue usada una resolución de 0.25cm. La imagen inferior representa una sección a través del elemento de volumen (elemento de área del segmento en superficie que penetra en el medio) contribuyente a la dosis en el eje central. La contribución dispersa es indicada por líneas discontinuas.
La dosis total a la profundidad, d, en el eje del haz, Dref (d), para un campo arbitrario puede entonces calcularse mediante la ecuación 5.
𝐷𝐷𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟(𝑑𝑑) = [1 − 𝑎𝑎(𝑑𝑑) + 𝑆𝑆(𝑑𝑑, 𝑋𝑋)] ∗ 𝑃𝑃𝐷𝐷𝐷𝐷100(𝑑𝑑, 𝑋𝑋𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚) ∗ 𝑅𝑅𝐷𝐷𝑅𝑅(𝑋𝑋𝑚𝑚𝑎𝑎𝑚𝑚) ∗ �𝑆𝑆𝑆𝑆𝐷𝐷+𝑑𝑑100+𝑑𝑑� 2
∗ 𝑀𝑀𝑀𝑀 (5) donde los primeros corchetes representan la combinación de dosis primaria y dispersa. S(d,X) viene dada por la ecuación 4, el término al cuadrado combina los efectos de la Ley del Inverso Cuadrado de la Distancia y la dependencia del PDD de la SSD y MU representa el número de unidades monitoras.
2.1.1.2. Implementación del modelo de cálculo de dosis
Se creó una matriz de 40 filas y 40 columnas, ya que el tamaño máximo de campo tiene dimensiones de 40×40cm2.En dicha matriz se representó con el valor 0 aquellas celdas de la región del campo que se encontraban bloqueada por las MLC y los colimadores transversales (muelas), y con el valor 1 a las celdas que conforman el haz en la superficie del paciente, esta matriz fue convertida a otra de 160×160 de tamaño, para reducir la resolución a 0.25cm. La abertura de cada segmento se determina por el área conformada por las celdas de valor 1 y, mediante esta, es calculado el cuadrado equivalente por la relación área/perímetro (Regla de Day) [14].
Para hallar los valores de RDF(X) se realiza una interpolación spline cúbica y para hallar los valores de PDD(X,d) se realiza una interpolación bidimensional, en las tablas de datos del comisionamiento del haz del Linac correspondientes.
Para calcular la componente dispersa se determinan las distancias Xi de cada celda de valor 1 al isocentro del campo, las cuales son utilizadas en la ecuación 4. Las contribuciones de dispersión se suman sobre el segmento, para una resolución definida por el usuario, dl, como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. Para este trabajo se empleó el valor finito ∆L = 0.25cm.
2.1.1.3. Datos de entrada
Los datos específicos del plan son exportados por el TPS Precise Plan (PP) en forma de archivo DICOM-RT. Mediante el programa “dcmdump.exe” [16] se convierte el archivo DICOM-RT en documento de texto, el cual se carga por el VeriDose para obtener todos los datos necesarios del plan para realizar la MUV, como son: el nombre del paciente, la técnica utilizada en la planificación, el TPS utilizado. Para cada haz: la energía de los fotones, la dosis calculada por el TPS, las MU, la SSD, la distancia fuente isocentro, las posiciones de las MLC y de los colimadores transversales (inferior y superior), el ángulo del cabezal del Linac, el número de segmentos del campo. Para los campos con varios segmentos, para cada uno de ellos: las dosis, las MU y las posiciones de los colimadores.
Los datos del Linac Elekta PreciseTM N/S 151220, como: el PDD y el RDF para fotones de 6MV están contenidos dentro del programa.
2.1.2. Validación del programa VeriDose
Pruebas realizadas sobre maniquí.
Se preparó un maniquí de agua sólida con una geometría simple y reproducible para realizar las mediciones (Figura 2). La dosis se midió en el centro del maniquí, a 5cm de profundidad, lo que se considera como el punto de verificación. Se colocó un inserto en el maniquí de tal manera que el punto de referencia de la cámara de ionización Semiflex podría ser colocado de modo fácil y reproducible en el punto de verificación. Se crearon nueve Casos Prueba en el TPS PP, con diferentes grados de complejidad:
• Caso 1: se planificaron 210MU para administrar 200.1cGy en un campo de 10× 10cm2, a SSD = 95cm y d = 5cm.
• Caso 2: se planificaron 239.6MU para administrar 200cGy en un campo de 10×2 cm2 de lado y de alto respectivamente, a SSD = 95cm y d = 5cm.
• Caso 3: ídem al anterior pero con un campo de 2×10cm2de lado y de alto respectivamente.
• Caso 4: se planificaron 226.8MU para administrar 200cGy en un campo oblicuo a 45⁰ de tamaño, 10×10 cm2, a SSD = 92.92cm y d = 7.08cm.
• Caso 5: se planificaron 226.8MU para administrar 200cGy en un campo de 10×
10cm2 con cuña de 30⁰, a SSD = 95cm y d = 5cm.
• Caso 6: ídem al anterior pero con un campo oblicuo a 45⁰, a SSD = 7.07cm y d = 92.93cm.
• Caso 7: se planificó el CC de una 3D-CRT para un caso semejante a la segunda fase de un tratamiento típico de próstata con 5 campos y el cabezal del Linac a 35⁰, 100⁰, 180⁰, 260⁰ y 325⁰ respectivamente, con un total 349.48MU para administrar 200cGy.
• Caso 8: se planificó el CC de una IMRT (step and shoot) para un caso semejante a un tratamiento de cabeza y cuello, con 9 campos y el cabezal del Linac a 0⁰, 40⁰, 80⁰, 120⁰, 160⁰, 200⁰, 240⁰, 280⁰ y 320⁰ respectivamente, con un total de 22 segmentos y 337.64MU para administrar 224.23cGy.
• Caso 9: se planificaron 304.02MU para administrar 284.3cGy en un campo de 10×10cm2 con un bloqueo de 5×5cm2 en el cuarto cuadrante, a SSD = 95cm y d = 5cm.
Para cada Caso Prueba se repitió la medición tres veces y se tomó el promedio de las mediciones como valor representativo del resultado (Dmed).
Figura 2. Maniquí de agua sólida, en forma de cubo, con 20cm de altura y 30cm de ancho y profundidad.
Pruebas realizadas sobre planes de tratamientos reales.
Fueron seleccionados planes de tratamiento de veinte pacientes reales (diez planificados con la técnica 3D-CRT y diez con la técnica de IMRT step and shoot), con el objetivo de realizar una verificación redundante de los mismos empleando el software VeriDose.
2.2. Resultados y Discusión
Fue creado el software VeriDose (Figura 3), el cual tiene la capacidad de realizar la MUV para planes de 3D-CRT e IMRT (step and shoot). Este muestra para cada plan verificado: Nombre del paciente (nombre y apellidos del paciente en tratamiento), Número de campos (total de campos utilizados en el plan), Dosis Total TPS (dosis total calculada por el TPS con el cual se creó el plan), Dosis total calculada (dosis total calculada por el software VeriDose), Discrepancia (discrepancia entre estas dos últimas, mostrando un mensaje de aceptación cuando la discrepancia es menor al 5% o de error cuando es mayor), Descripción (técnica de tratamiento), TPS (identifica el TPS utilizado para la planificación del tratamiento)
Figura 3. Interfaz del VeriDose.
El software incluye también la posibilidad de mostrar los datos más importantes de la planificación para la MUV y los resultados calculados por el VeriDose, separados para cada campo del plan de tratamiento. A través de la opción: Ver→ Tablas de Datos y Resultados→ Datos y Resultados para cada campo, es posible adquirir los datos anteriormente referidos, tales como: Ángulo del cabezal (posición angular del cabezal del Linac), Energía (energía del haz de fotones), Número de segmentos (total de segmentos planificadosen el campo), Número de cuñas (total de cuñas empleadas en el campo), Dosis TPS (dosis calculada por el TPS en el campo), Unidades Monitoras (cantidad de MU reportadas por el TPS para el campo), Profundidad (profundidad del punto de verificación del campo), Área equivalente (área equivalente del primer segmento del campo), Dosis calculada (dosis calculada por el VeriDose en el campo), Discrepancia (discrepancia entre la dosis calculada por el TPS y la dosis calculada por el VeriDose).
Además el software permite almacenar estos valores en una Hoja Excel con el nombre del paciente.
Validación del software VeriDose empleado en maniquí de agua sólida:
En el gráfico de la Figura 4 se muestran las discrepancias porcentuales entre la dosis calulada por el TPS (DTPS) y la dosis medida (Dmed), y entre la DTPS y la dosis calculada por el VeriDose (Dcal).
Figura 4. Discrepancias porcentuales entre la DTPS y Dmed, y entre la DTPS y Dcal.
En el gráfico presentado en la Figura 4 se aprecia como el cálculo de dosis realizado por el TPS presenta una diferencia menor al 5% con respecto a ambos métodos de verificación. Esto satisface los protocolos internacionales de RT externa [17].
Validación del software VeriDose empleado planificaciones de tratamientos reales: En la Figura 5 se muestran, las discrepancias entre la DTPS y la Dcal para cada técnica de tratamiento. Puede apreciarse que las discrepancias para todos los casos permaneció dentro del rango del ±5%.
Figura 5. Discrepancias de los cálculos entre el TPS y el VeriDose.
3. CONCLUSIONES
3.1. Conclusiones
• Las herramientas para el cálculo redundante de los tratamientos de RT anteriormente existentes en nuestro país presentan un número de insuficiencias que afectan su capacidad para realizar una correcta verificación.
• La metodología desarrollada con el software VeriDose permite la realización de la MUV con ventajas respecto a sus similares existentes en Cuba.
• Los resultados obtenidos de las comparaciones con el TPS y las mediciones realizadas demostraron la validez del VeriDose para los fines esperados.
3.2. Recomendaciones
Se recomienda para trabajos futuros:
• Adicionar al software un método para la corrección de las heterogeneidades.
• Incorporar la lectura directa del fichero DICOM-RT generado por el TPS para lograr la automatización completa del proceso.
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