Búsqueda de un modelo simplificado y un nuevo procedimiento de calibración de un dispositivo electrónico de imagen portal (EPID) para dosimetría portal

Resumen

Introducción y motivación: La dosimetría portal consiste en la utilización de dispositivos de imagen portal para obtener información de la fluencia de la radiación o de la dosis administrada por un acelerador lineal de electrones durante un tratamiento radioterápico. El uso de esta técnica se ha generalizado tras la aparición de los dispositivos electrónicos de imagen portal (EPID) basados en Silicio amorfo. En la actualidad, la dosimetría portal basada en este tipo de dispositivos de Silicio amorfo es una herramienta idónea para las tareas de control de calidad en radioterapia. Permite disminuir la carga de trabajo y optimiza los resultados. Sin embargo, las soluciones comerciales para realizarla no siempre están disponibles. Debido a esto, uno de los objetivos de este trabajo fue la caracterización dosimétrica de un EPID OptiVue 1000 ST (Siemens Medical Solutions, Concord, California), el desarrollo de un modelo simple de dosimetría portal y una aplicación informática para automatizar los procesos de calibración y procesado de las medidas. No obstante, a pesar del avance de la investigación en el campo de la dosimetría portal, continúan existiendo problemas que no han sido resueltos completamente. Los modelos de dosimetría portal existentes utilizan la información proporcionada por las imágenes obtenidas con el EPID y las transforman en distribuciones de dosis. Para producir estas imágenes, el dispositivo necesita corregir las diferencias en la sensibilidad entre sus píxeles individuales. Actualmente, todos los sistemas de dosimetría portal, sin excepción, están utilizando un método de calibración basado en un campo de inundación (FF), es decir, un campo de radiación que cubre toda la superficie sensible del EPID. La calibración basada en FF consiste en la corrección de las imágenes adquiridas dividiendo las imágenes en bruto por la imagen del FF. Este es un método sencillo y viable para obtener imágenes del paciente. Sin embargo, existen algunos inconvenientes al usarlo en tareas de dosimetría. La distribución de la fluencia en el haz no es completamente homogénea y se incluye tanto en las imágenes en bruto como en la imagen del FF, por lo que estas características del haz se eliminan durante la corrección. En consecuencia, la forma de la fluencia del haz tiene que ser restaurada. La opción utilizada generalmente es la multiplicación directa de la imagen corregida por un perfil diagonal del haz medido con por otro método, una cámara de ionización o un diodo en un maniquí de agua. Por lo tanto, una imagen adquirida en condiciones geométricas diferentes a las mantenidas al obtener la de calibración FF, daría lugar a artefactos en la imagen y errores dosimétricos. Además, la imagen de calibración de FF se obtiene a partir del mismo haz de radiación que se pretende medir más tarde. Esta solución ha sido criticada abiertamente por ser un procedimiento inconsistente y auto referenciado. Desarrollo teórico: En la primera parte del trabajo se estudian las características dosimétricas del EPID OptiVue 1000 ST (Siemens Medical Solutions, Concord, California) y se propone un método ágil y sencillo para la calibración en dosis del dispositivo, con un modelo matemático que incorpora un coeficiente de transformación a dosis absorbida y correcciones por retraso de la imagen y de la forma de campo. Se desarrolló una aplicación informática para que realizara de forma automatizada tanto el proceso de calibración, como la transformación de las imágenes en planos de dosis, y se validaron los resultados comparándolos con los obtenidos midiendo con cámaras de ionización. La comparación de los planos de dosis obtenidos con el EPID y los medidos con las cámaras de ionización fue satisfactoria. El dispositivo estudiado ha mostrado excelentes propiedades para la dosimetría sin material dispersor entre la fuente del haz y el EPID. Su respuesta es lineal y reproducible, con bajo ruido. La aplicación desarrollada resultó versátil y flexible y aceptable para su introducción en la práctica diaria. Teniendo siempre en cuenta las limitaciones del modelo, ha sido utilizada en la práctica clínica del centro y ha servido para validar los resultados en diferentes trabajos. El objetivo principal de este trabajo fue el desarrollo de un nuevo método de calibración de la sensibilidad de los píxeles de un EPID para dosimetría portal. Los esfuerzos realizados se han orientado a adaptar la teoría de calibración de campo completo (WF) a las propiedades especiales del EPID. Se revisaron los postulados y las aproximaciones de la teoría original y se realizo la derivación matemática del nuevo enfoque de la teoría. Se estudiaron los resultados obtenidos con este tipo de calibración variando la distancia de la fuente al dispositivo de imagen usada durante la calibración y los efectos de las aproximaciones introducidas en el desarrollo del nuevo método. Adicionalmente, se introdujo una corrección de la respuesta fuera del eje, que se aplica inmediatamente después de la corrección WF, con el fin de que los resultados se pudieran comparar con los obtenidos mediante otros métodos. Se obtuvieron imágenes introduciendo desplazamientos laterales y verticales en la posición del dispositivo. Estas imágenes fueron corregidas usando el nuevo método y, también, utilizando el método de FF convencional. Los resultados obtenidos con ambos métodos fueron comparados y se estudiaron los efectos de la introducción de los desplazamientos señalados anteriormente. Finalmente, los perfiles obtenidos a partir de imágenes corregidas usando métodos basados en WF y FF para una serie de campos de diferentes tamaños, se compararon con los perfiles medidos usando una cámara ionización en un maniquí de agua para haces con esos mismos tamaños de campo. Los perfiles obtenidos de imágenes procesadas con el método WF coincidieron razonablemente con los obtenidos utilizando un método convencional y con los medidos usando una cámara de ionización. El método de corrección basado en una calibración de campo completo ha demostrado ser un procedimiento factible y coherente, fácilmente automatizable, tan útil como el método de corrección convencional, basado en FF, pero sin los problemas asociados a éste. El nuevo método es capaz de calcular directamente la sensibilidad de los píxeles del EPID, de forma independiente del haz de radiación y sin necesidad de irradiarlo con una fuente externa, además, permite la corrección de imágenes del EPID cuando el dispositivo está en cualquier posición sin que aparezcan artefactos en la imagen o distorsiones de la distribución de la fluencia de radiación medida. Conclusión: Respecto a la caracterización dosimétrica de un EPID y el desarrollo de un modelo simple de dosimetría portal, objetivo secundario de esta tesis, se concluyo que el dispositivo estudiado muestra excelentes propiedades para la dosimetría sin material dispersor entre la fuente del haz y el EPID, con una respuesta lineal, reproducible y con bajo cociente ruido/señal. No se detectaron problemas de sincronización entre el software de adquisición y el acelerador. La herramienta informática desarrollada ha proporcionado buenos resultadosy los planos de dosis obtenidos por medio del software han reproducido de forma satisfactoria los campos medidos mediante otros medios. Sin embargo, es necesario tener en cuenta los efectos del aumento de la respuesta a las radiaciones de baja energía que muestra el EPID al trabajar con aperturas pequeñas, como bandas o campos grandes con puntos alejados del eje de radiación, puntos en la penumbra o más allá de ésta o con material dispersor entre la fuente y el EPID. En cuanto al desarrollo de un nuevo método de calibración de la sensibilidad de los píxeles de un EPID para dosimetría portal, objetivo primario de esta tesis, se encontro que el nuevo método de corrección basado en una calibración de campo completo demostró ser un procedimiento factible y coherente, tan útil como el método de corrección convencional, pero sin los problemas asociados a éste. El procedimiento de calibración se puede automatizar fácilmente y permite la corrección de imágenes del EPID cuando el detector está en cualquier posición. Este método es capaz de calcular directamente la sensibilidad de los píxeles del EPID, de forma independiente del haz de radiación. La obtención de una matriz de sensibilidad del dispositivo sin información del haz hace posible desarrollar un modelo de calibración que incluya únicamente las correcciones que necesita el EPID para transformar los datos de la imagen en fluencia o en dosis. Sin embargo, el método propuesto no resuelve completamente el problema de la calibración debido a que es necesaria la introducción de un postulado que exige al haz la simetría de las lecturas diametralmente opuestas. Esta aproximación también afectaría a las medidas de la homogeneidad o simetría de un haz y, por tanto, sería desaconsejable su uso para las tareas más básicas de control de calidad del haz de radiación.