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Construcci�n de fantomas virtuales para simulaciones Monte Carlo de transporte de radiaci�n

 

Construction of virtual phantoms for Monte Carlo simulations of radiation transport

 

Constru��o de phantoms virtuais para simula��es Monte Carlo de transporte de radia��o

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: tefovilla@outlook.com

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de junio de 2022 *Aceptado: 12 de julio de 2022 * Publicado: 6 de agosto de 2022

 

1. Instasalud, Riobamba, Ecuador.
2. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Recursos Naturales, Orellana, Ecuador.
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Riobamba, Ecuador.
4. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Orellana, Ecuador.

Resumen

El objetivo de este trabajo es desarrollar un fantoma masculino y femenino para estimar la dosis absorbida en �rganos en riesgo utilizando el m�todo Monte Carlo en aplicaciones m�dicas. Se desarroll� la geometr�a del cuerpo humano, especificando los �rganos considerados sensibles a la radiaci�n. Se realizaron pruebas simuladas de irradiaci�n interna y externa para verificar la funcionalidad. Para la irradiaci�n interna, el radiois�topo 131I se usa habitualmente para tratar el c�ncer de tiroides. Para la irradiaci�n externa se utiliza el 18F, tambi�n de uso com�n en aplicaciones de medicina nuclear. En ambos casos se extrajeron histogramas y curvas de dosis en profundidad.� Para la simulaci�n se utiliz� el entorno GAMOS � GEANT4. A trav�s del arreglo de detectores se determin� la dosis al �rgano en ambos casos, verificando que no se excediera el l�mite de dosis establecido por la COMISI�N INTERNACIONAL DE PROTECCI�N RADIOL�GICA. Se concluye que el fantoma es adecuado para ser usado en otras simulaciones.

Palabras Clave: Simulaci�n Monte Carlo; muestreo aleatorio; GEANT4; Dosis absorbida.

 

Abstract

The objective of this work is to develop a male and female phantom to estimate the absorbed dose in organs at risk using the Monte Carlo method in medical applications. The geometry of the human body was developed, specifying the organs considered sensitive to radiation. Simulated internal and external irradiation tests were performed to verify functionality. For internal irradiation, the radioisotope 131I is commonly used to treat thyroid cancer. For external irradiation, 18F is used, also commonly used in nuclear medicine applications. In both cases, histograms and depth dose curves were extracted. For the simulation, the GAMOS � GEANT4 environment was used. Through the arrangement of detectors, the dose to the organ was determined in both cases, verifying that the dose limit established by the INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIOLOGICAL PROTECTION was not exceeded. It is concluded that the phantom is suitable to be used in other simulations.

Keywords: Monte Carlo simulation; random sampling; GEANT4; Absorbed dose.

 

Resumo

O objetivo deste trabalho � desenvolver um simulador masculino e feminino para estimar a dose absorvida em �rg�os de risco utilizando o m�todo de Monte Carlo em aplica��es m�dicas. A geometria do corpo humano foi desenvolvida, especificando os �rg�os considerados sens�veis � radia��o. Testes simulados de irradia��o interna e externa foram realizados para verificar a funcionalidade. Para irradia��o interna, o radiois�topo 131I � comumente usado para tratar c�ncer de tireoide. Para irradia��o externa, � usado 18F, tamb�m comumente usado em aplica��es de medicina nuclear. Em ambos os casos, foram extra�dos histogramas e curvas de dose em profundidade. Para a simula��o foi utilizado o ambiente GAMOS � GEANT4. Atrav�s da disposi��o dos detectores, foi determinada a dose no �rg�o em ambos os casos, verificando-se que o limite de dose estabelecido pela COMISS�O INTERNACIONAL DE PROTE��O RADIOL�GICA n�o foi excedido. Conclui-se que o phantom � adequado para ser utilizado em outras simula��es.

Palavras-chave: Simula��o de Monte Carlo; amostragem aleat�ria; GEANT4; Dose absorvida.

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Introducci�n

Los radiois�topos, como el tecnecio metaestable (^99mTc), se pueden usar para identificar vasos sangu�neos bloqueados, y otros emisores gamma con vidas medias cortas tambi�n se pueden usar en la investigaci�n card�aca, como el talio (²⁰¹Tl), el galio (⁶⁷Ga) indio (para detecci�n de tumores) ¹¹¹In) para procesos inflamatorios, ¹³¹I y ¹²³I para estudios de tiroides y ri��n, y xen�n (133Xe) para estudios de pulm�n (Mazal, 2018, p.5). En el caso de la PET, los radiof�rmacos m�s utilizados son la fluorodesoxiglucosa marcada con fl�or ¹⁸F y, por �ltimo, en estudios denominados radioinmunoensayo (RIA), se utiliza principalmente yodo ¹²⁵I y en ocasiones tritio ³H (Mazal, 2020, p. 6).

La dosimetr�a es un procedimiento fundamental para conocer los valores de dosis que tendr�n los pacientes tras recibir la terapia radiofarmac�utica y controlar al m�nimo posible la dosis que llega a los �rganos de riesgo para no provocar efectos adversos. En la pr�ctica existen m�todos aproximados y sobreestimados para comprobar cu�nta radiaci�n llega a los �rganos de riesgo, como son los m�todos VARSKIN, los m�todos del coeficiente de atenuaci�n, MIRD, simulaciones Monte Carlo, etc. En comparaci�n con otros m�todos, la simulaci�n Monte Carlo permite obtener valores de dosis absorbida con menor incertidumbre (Salvat, 2015).

En este trabajo de investigaci�n, se utilizaron simulaciones de Monte Carlo para validar fantomas mediante la estimaci�n de dosis absorbidas en �rganos de inter�s en dos escenarios en la pr�ctica de la medicina nuclear.

Metodolog�a

Para realizar una simulaci�n de Monte Carlo, se necesita generar la geometr�a, en la que se debe considerar el volumen, la ubicaci�n, el material y otras caracter�sticas del �rgano, utilizando l�neas de c�digo (Dubois, 2019, p.65).

 

Materiales

�GAMOS (GEANT4), nos ofrece archivos de materiales para rellenar a las estructuras espaciales.

 

Tabla 1. Tejidos disponibles en GAMOS GEANT 4. Realizado por Jeferson Villa

 

Las medidas de los �rganos simulados se muestran en la siguiente tabla. (Isacaz Nicolas, 2018, p.1):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 2. Medidas de los �rganos analizados. Realizado por Jeferson Villa.

 

Para la construcci�n del �rgano se utilizaron vol�menes ideales, es decir, aproximaciones al �rgano real.

 

Pasos a seguir:

1. Inicio

2. De acuerdo con la bibliograf�a referenciada, definir par�metros: volumen, matriz de rotaci�n, actividad del ¹³¹I, coordenadas espaciales del �rgano.

3. Cree un archivo con extensi�n .geom que incluya las diferentes formas geom�tricas del �rgano y sus respectivas ubicaciones anat�micas.

4. Crear un archivo de entrada con extensi�n .in, tambi�n conocido como programa director principal, que define aspectos como las caracter�sticas del radiois�topo (¹³¹I), los par�metros del generador, el n�mero de iteraciones, etc.

5. Defina comandos para extraer resultados despu�s de la ejecuci�n del programa.

6. Con la ayuda de un software de visualizaci�n, se puede refinar la geometr�a. Para ello se puede incluir en el programa controlador principal .in el comando para generar un archivo con extensi�n .wrl,

7. Para presentar los resultados, es necesario crear una geometr�a adicional en la que se define una grilla compuesta por un conjunto de v�xeles, en la que se declara un arreglo de detectores para el c�lculo de la dosis absorbida por cada �rgano.

8. En el programa principal .in se ubican los comandos para generar el histograma de dosis en profundidad, el cual se puede visualizar mediante el programa ra�z (Team Root, 2021).

9. Para cada caso espec�fico, los par�metros de simulaci�n se cambian como en los pasos anteriores.

Archivo de geometr�a:

• Se dise�� cuidadosamente un modelo antropom�rfico de una mujer y un hombre, y la geometr�a se construye utilizando vol�menes descritos por comandos. Estos vol�menes se pueden posicionar movi�ndose a lo largo de los ejes cartesianos y definiendo par�metros de rotaci�n.

 

Archivo Humain-Male.geom

Los �rganos simulados son: cerebro, pulm�n, coraz�n, h�gado, vejiga, ri��n, test�culo y se utilizan los datos de las tablas 3 y 4. Algunos de los comandos utilizados son:

ROTM se define como una matriz de rotaci�n. La sintaxis de esta etiqueta es:

: ROTM RM0 X. Y. Z, donde x, y, z son los grados en que girar� el objeto a construir alrededor de cada eje.

VOLU describe diferentes tipos de vol�menes. La sintaxis de esta etiqueta es:

: VOLU world BOX 2000 2000 2000 G4_AIR, especifique el nombre del volumen, el nombre de la entidad (BOX), el tama�o y el material. Se pueden utilizar diferentes formas geom�tricas como: elipsoide, tubo, esfera, caja, secci�n de tubo, cono, secci�n de cono, trapezoide, paralelep�pedo, trapezoide general, pol�gono, tubo el�ptico, poliedro, cono el�ptico, tetraedro, toro, etc. La sintaxis se describe en su Manual GAMOS (Colaboraci�n GAMOS, 2019, pp 24-31).

Los s�lidos que se emplearon:

 

Tabla 3. Par�metros de entrada para la creaci�n de la geometr�a. Realizado por Jeferson Villa.

 

Color. A�ade color a los s�lidos. La sintaxis de esta etiqueta es:

• : COLOR NDC_chamber 0.2 0.4 0.1, debe especificar el nombre del volumen (NDC_chamber), luego la proporci�n de rojo (0.2 en este ejemplo), verde (0.4), azul (0.1).
• PLACE posiciona entidades movi�ndolas a lo largo de diferentes ejes. La sintaxis de esta etiqueta es:
• : PLACE yoke 1 ROO 0.0 0.0 370, luego copie el n�mero, la matriz de rotaci�n, la posici�n del eje x, la posici�n del eje y, la posici�n del eje z.

 

Archivo Humane-Female.geom

La descripci�n detallada de este modelo sigue los mismos pasos que en el caso anterior. Los �rganos a simular son: Cr�neo, Cerebro, Ojos, Cuello, Pecho, Coraz�n, Pulmones, Mamas, H�gado, Est�mago, Intestinos, Vejiga, �tero y Ri�ones. La tabla 4 muestra los s�lidos utilizados para construir los �rganos.

 

 

 

Tabla 4. Par�metros de entrada para la creaci�n de la geometr�a femenina. Realizado por Jeferson Villa.

 

Elaboraci�n del archivo parallelMesh

El archivo de entrada est� configurado para obtener un histograma. Para evaluar la dosis en profundidad, se debe crear un archivo con extensi�n .geom que contenga una cuadr�cula que contenga la parte del �rgano en estudio.

En el archivo del director principal, la cuadr�cula sobre el �rgano se declara como un contador.

 

Generador de part�culas de GAMOS

La herramienta GAMOS permite generar una o m�s fuentes de part�culas primarias con valores de energ�a espec�ficos, haces con posiciones y orientaciones espec�ficas utilizando el comando para acceder a /gamos/generator GmGenerator (Dubois, 2019, p.70).

 

F�sica

• GAMOS proporciona al usuario una lista f�sica de todos los procesos f�sicos que se pueden utilizar en aplicaciones de f�sica m�dica o procesos industriales. El proceso f�sico depende del tipo de part�culas involucradas (fotones, electrones, positrones, etc.), la energ�a y el medio en el que se desarrolla. Usa el comando /gamos/physicsList/GmEMPhysics y luego elige el modelo de baja energ�a para el caso del fot�n y el electr�n, el modelo est�ndar para el positr�n, e incluso programa el procedimiento para un caso espec�fico en c�digo C++ en la forma est�ndar de GEANT4 (Dubois , 2019, p�g. 75 p�g.).

 

Elaboraci�n del archivo director principal

El archivo director principal (.in) que define varios aspectos que se utilizar�n durante la simulaci�n.

� gamos/setParam GmGeometryFromText: El nombre del archivo que define el nombre de la geometr�a analizada.

� Otro requisito para la documentaci�n es la definici�n de la f�sica utilizada. GmEMExtended-Physics es el paquete considerado. Se eligi� porque el orden contiene diferentes procesos electromagn�ticos que involucran fotones o part�culas cargadas,

� /gamos/generator Gm Generador Este comando invoca al generador.

� La inicializaci�n se define con run/initialize

� /gamos/generator/addIsotopeSource En esta l�nea se debe definir el nombre de la fuente, el nombre del is�topo y sus respectivas actividades.

� Las siguientes l�neas definen los comandos para estimar la dosis por �rgano.

� Finalmente coloque el comando /run/beamOn, donde se define el n�mero de iteraciones a ejecutar.

Resultados y discusi�n

Fantomas masculino y femenino

Se gener� un fantoma masculina, como se observa en la figura 1.

Figura 1. Fantoma antropom�rfico masculino

 

 

En la figura 2 se muestra el fantoma femenino que sometido a irradiaci�n interna.

Figura 2. Fantoma femenino

Validaci�n

La Tabla 5 muestra los valores de exposici�n interna y externa obtenidos durante la simulaci�n y los valores establecidos por ICRU para los l�mites de dosis. La obtenci�n de la dosis en cualquier tratamiento con radiaciones ionizantes es necesaria para evaluar los posibles efectos que se pueden producir y sugerir acciones para optimizar el tratamiento. En vista que los l�mites de dosis establecidos por la Comisi�n Internacional de Protecci�n Radiol�gica (ICRU) no han sido alcanzados se puede verificar la idoneidad de los fantomas. Los l�mites de dosis son mayores debido a que suelen considerarse valores sobrestimados.

 

Tabla 5. Resultados de la dosis calculada por el m�todo Monte Carlo y los l�mites de dosis de la ICRU (�beda, 2015)

 

Conclusiones

La simulaci�n requiere la generaci�n de dos archivos, uno para la geometr�a con etiquetas que especifican las dimensiones, ubicaciones y materiales de los elementos y otro para establecer los par�metros f�sicos y tambi�n especificar variables como radiof�rmacos, is�topos, matrices de detectores y mostrar los resultados. La disposici�n c�bica de los detectores se utiliza para determinar la dosis al �rgano en estudio, para lo cual se utilizan comandos para definir el tama�o y la posici�n para cubrir el �rgano.

Bajo las condiciones descritas en este trabajo y la validaci�n de los modelos, se concluye que los fantomas pueden ser utilizados en otras simulaciones. �

 

Referencias

1.     DUBOIS, P.A., [sin fecha]. UNIT 2. GAMOS: an easy and flexible framework for GEANT4 simulations. ,

2.     GAMOS COLLABORATION, 2019. GAMOS User � s Guide, release 6.1.0. [en l�nea], pp. 336. Disponible en: http://fismed.ciemat.es/GAMOS/GAMOS_doc/GAMOS.6.1.0/GamosUsersGuide_V6.1.0.pdf.

3.     ISACAZ NICOLAS, 2018. Pesos y medidas de los �rganos del cuerpo humano. [en l�nea]. [Consulta: 25 marzo 2021]. Disponible en: https://www.elsevier.com/es-es/connect/medicina/pesos-y-medidas-de-los-organos-del-cuerpo-humano.

4.     MAZAL DANIEL, C.J., 2018. �Qu� son los radiois�topos? - Foro Nuclear. [en l�nea]. [Consulta: 10 febrero 2021]. Disponible en: https://www.foronuclear.org/descubre-la-energia-nuclear/preguntas-y-respuestas/sobre-fisica-nuclear/que-son-los-radioisotopos/.

5.     MAZAL DANIEL, C.L., 2020. �Cu�les son los is�topos m�s utilizados en medicina nuclear? - Foro Nuclear. Foro Nuclear [en l�nea]. [Consulta: 11 febrero 2021]. Disponible en: https://www.foronuclear.org/descubre-la-energia-nuclear/preguntas-y-respuestas/sobre-aplicaciones-de-la-tecnologia-nuclear/cuales-son-los-isotopos-mas-utilizados-en-medicina-nuclear/.

6.     SALVAT FRANCESC, 2015. Penelope 2015. Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport, no. July 2008.

7.     TEAM ROOT, 2021. RA�Z: an�lisis de petabytes de datos, cient�ficamente. - RA�Z. [en l�nea]. [Consulta: 28 marzo 2021]. Disponible en: https://root.cern.ch/.

8.     UBEDA DE LA C., C., NOCETTI G., D., ALARC�N E., R., INZULZA C., A., CALCAGNO Z., S., CASTRO B., M., VARGAS C., J., LEYTON L., F., OYARZ�N C., C., OVALLE V., M. y TORRES C., B., 2015. Magnitudes y unidades para dosimetr�a a pacientes en radiodiagn�stico e intervencionismo. Revista Chilena de Radiologia, vol. 21, no. 3, pp. 94�99. ISSN 07179308. DOI 10.4067/S0717-93082015000300004.

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).