Caracterización dosimétrica y monitoreo in situ para hadronterapia

Abstract

Actualmente, se cuenta con modernas técnicas para el tratamiento del cáncer incluidas dentro del marco de la radioterapia, conocidas como radioterapias no-convencionales. Estas técnicas fueron investigadas bajo el mismo precepto que todas las terapias de cáncer que utilizan radiaciones ionizantes: realizar la conformación de la dosis en el interior del paciente de la forma más precisa posible, sin dañar tejidos sanos o radio-sensibles. Entre estas técnicas no-convencionales, se encuentra la hadronterapia, que consiste básicamente en la utilización de partı́culas cargadas pesadas (protones, partı́culas alfa, iones de carbono, etc) para la conformación de dosis en pequeños volumenes. Las principales ventajas de la hadronterapia, se deben a la naturaleza del depósito de energı́a descripto por la fı́sica del problema. Dada la alta transferencia lineal de energı́a que poseen los iones utilizados en hadronterapia, los daños biológicos resultan superiores a los de la radioterapia convencional, y por ende es necesario contar con herramientas que permitan establecer el “control / verificación del rango de los iones” en el interior del paciente durante el procedimiento de irradiación. Para este fin, es necesario identificar procesos fı́sicos que produzcan alguna señal interpretable desde el exterior del paciente que sea potencialmente útil para monitorear el haz terapéutico. Una posibilidad consiste en aprovechar las propiedades del agua lı́quida equivalente a las del tejido blando, y analizar los procesos nucleares que den lugar a estados excitados del núcleo de oxı́geno con consecuente emisión foto-nuclear. En este trabajo de tesis, se investigó un nuevo enfoque basado en la posibilidad de monitorear el haz de terapia por medio de algún elemento no presente, en forma natural, en el tejido biológico; que al interactuar de alguna forma con la radiación incidente produzca alguna consecuencia correlacionada con los procesos de interés. Asimismo, se analiza la potencial detección de fotones de aniquilación en la radioterapia convencional debido a la inclusión de nanopartı́culas de oro en el material tejido-equivalente a modo de aproximación experimental a la detección, y correlación con el proceso de irradiación. En términos de hadronterapia, y particularmente la protonterapia, se estudia la factibilidad de aprovechar la fusión nuclear entre protones de energı́as bajas (respecto de las energı́as incidentes de terapia) y el isótopo de boro 11, dando lugar a dos significativas ventajas: la mejora dosimétrica debido a la emisión de partı́culas alfa resultantes del proceso de fusión; y la verificación online e in-situ del rango de los protones, con la consecuente herramienta de diagnóstico por imágenes médicas, debido a la emisión de fotones gamma prompt (“rápidos”).

Nowadays, different techniques are being used for the treatment of cancer in the framework of radiotherapy, thoroughly known as non-conventional radiotherapies. These techniques were researched with the same goal than most cancer therapies utilizing ionizing radiation: conforming the dose inside the patient in the more accurate way possible, sparing healthy or radiosensitive tissues. Among these non-conventional techniques is the hadrontherapy, consisting mainly in using heavy charged particles (protons, alpha particles, carbon ions, etc) to perform the dose conformation in small volumes. The principal advantages of hadrontherapy are due to the nature of the energy deposition mechanism of the charged particles in matter, as described by the physics of the problem. Given the high linear energy transfer (LET) the ions used in hadrontherapy possess, the biological damage is higher than the conventional radiotherapy, and for this reason it is necessary to provide tools that allows the medical physicists to establish the “control / verification of the range of the ions” inside the patient during the irradiation procedure. To this aim, it is necessary to identify physical processes that leads to an interpretable signal outside the patient that are potentially useful for the therapeutic beam monitoring. A posibility consists of taking advantage of the water-equivalent properties of the biological tissue, and analyze the nuclear processes with excited states of the oxygen nuclei with the consecuent emission of a photo-nuclear photon. In this thesis work, a new approach is studied, based on the possibility of monitoring the therapeutic beam using an element not naturally present in the biological tissue, and whose interaction with the ionizing radiation used in the therapy produces a consequence correlated with the process of interest. These are called the “theranostics” methods. Likewise, the potential detection of annihilation photons in conventional radiotherapy is analyzed, using gold nanoparticles inside a tissue-equivalent material, mostly as an experimental approach to the detection and correlation with the irradiation process. In terms of hadrontherapy, particularly regarding protontherapy, this work shows the feasibility of taking advantage of the so-called proton-boron fusion, consisting of using the low-energy protons (respect therapy incident energies) interaction with boron 11 isotopes, which leads to two significant advantages: dosimetric improvement due to the alpha particles produced in the reaction; and an online and in-situ verification of the range of the protons, with the consequent tool for medical imaging, due to the emission of prompt-gamma photons.