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Módulo 6: Simulación, Posición, Verificación e Inmovilización

Eric Shinohara MD, MSCI
The Abramson Cancer Center of the University of Pennsylvania
Ultima Vez Modificado: 18 de marzo del 2009

Simulación

Las simulaciones para la terapia de protón son similares a las simulaciones basadas en fotón en que están hechas predominante usando los exploradores de CT en el presente. Sin embargo, la simulación de protón tiene un número de factores que requieren consideración especial. Debido a la mayor conformalidad que los protones permiten, su gama limitada, y su dependencia de la densidad del tejido fino, es crítico durante la simulación de CT considerar el movimiento del tejido fino. Cualquier movimiento, tal como costillas que se mueven dentro y fuera del campo de tratamiento, afectará la gama de los protones. Una manera de explicar este movimiento es utilizando el planeamiento de 4D CT, que permite que el médico planee volúmenes alrededor de la trayectoria entera del movimiento del tumor, por lo tanto permitiendo que el tiempo sea descompuesto en factores adentro de la ecuación (es decir, la cuarta dimensión). Esto permite que el médico explique variaciones en el tamaño del tumor, la forma, y la posición mientras se mueve, y este volumen se conoce como el margen interno. La combinación del volumen clínico del tumor (CTV, por sus siglas en ingles) y del margen interno juntos forman el volumen del blanco interno o el ITV (por sus siglas en ingles). Usar 4D CT para definir el ITV es particularmente útil en tumores con movimiento significativo, tal como cánceres del pulmón y tumores abdominales superiores. La inmovilización adecuada es otra manera de limitar el movimiento del paciente durante la simulación y será discutida en detalle adicional abajo.

La gama de los protones es afectada grandemente por la inhomogeneidad del tejido fino, y este factor debe ser considerado. Las diferencias en la densidad del tejido fino afectan la gama del protón, y por lo tanto los cambios en densidad podrían afectar la cobertura del borde distal del tumor. Para explicar esto, las unidades de Hounsfield de una exploración de CT se deben convertir a un agua-equivalente equivalente de densidad. Esta conversión no es perfecta y puede conducir a un error de 1-2% en calcular el alcance efectivo de un haz de protón. Debido a esta incertidumbre en la gama, muchos centros evitan de poner estructuras críticas, tales como la médula espinal, en el extremo de la trayectoria del haz. A menudo, el aspecto lateral de un haz de protón  se utiliza para lindar la estructura crítica para evitar esta situación. El planeamiento de tratamiento adaptante, donde la simulación de CT se repite durante el curso del tratamiento, puede ser necesario para explicar cambios en la densidad y tamaño del tumor, así como cambios en el peso del paciente.

Posición: Divanes y sillas robóticas de tratamiento

Cuadro 1.  Ejemplo de un sofá robótico del tratamientoLa posición exacta del paciente es un aspecto crucial de la terapia de protón. La localización del borde distal del haz de protón es dependiente de la densidad y cantidad del tejido fino atravesado, y por lo tanto la posición interfraccional exacta del paciente es vital. Además, para tomar la ventaja completa de la mayor conformalidad que los protones permiten, márgenes más pequeños pueden ser utilizados. Por lo tanto, la posición exacta es necesaria para asegurarse de que el blanco está cubierto apropiadamente en una manera constante para evitar la falla marginal. La entrega basada en el pórtico del protón  permite que el haz sea entregado de cualquier ángulo dentro de un solo llano (360 grados de rotación) y con un diván de tratamiento con base robótica, casi cualquier ángulo de haz deseado puede ser alcanzado. Las tablas del haz de protón son similares a las tablas de fotón en que tienen movimiento en tres dimensiones así como la capacidad de rotar sobre el isocentro. Sin embargo, además de estos movimientos, los divanes de tratamiento con base robótica también tienen capacidades de tirar y rodar que permiten mayor flexibilidad en la posición del paciente. Los divanes de tratamiento robóticos pueden también permitir mayor exactitud y velocidad en la posición de un paciente comparado con el tratamiento basado en fotón que solamente utiliza láser para la alineación del paciente.

Cuadro 2.  Ejemplo de un dispositivo de colocación paciente robótico para el tratamiento stereotactic del protónLos divanes con base robótica (Figura 1. Bloomington, Indiana) se pueden también utilizar en sistemas de haz inclinados. Aunque tienen solamente dos ángulos de haz de los cuales puedan entregar los protones (0 y 30 grados verticales), la flexibilidad agregada del diván de tratamiento robótico todavía permite que una gran variedad de ángulos de tratamiento sea utilizada.

Cuando se utiliza un haz fijo, un diván de tratamiento tradicional no permite que diversos ángulos de tratamiento sean utilizados. Sin embargo, hay un número de dispositivos robóticos para posicionar el paciente usados en la terapia de protón fija, tal como el dispositivo de Alineación Estereotáctica en Radiocirugía (STAR, por sus siglas en ingles) (Figura 2. MGH). Se utiliza para la terapia estereotáctica de protón y permite el uso del haz de ángulos múltiples. El diván se monta en el centro de un círculo y se puede mover, en un grado limitado, en direcciones laterales, verticales, y longitudinales. Además, el diván se puede rotar en un grado limitado en dos ejes sobre el isocentro. Un ejemplo de una silla que se utiliza con la radiocirugía de haz de protón fija se demuestra abajo (Figura 3. MGH). Se diseñan generalmente para rotar 360 grados completos en el eje vertical. La silla puede también moverse en tres ejes (de adelante hacia atrás, de lado a lado y hacia arriba y hacia abajo) y puede rotar sobre estas ejes en un grado limitado. La utilidad de la silla es limitada algo por los dispositivos de inmovilización que se pueden utilizar con ella. Los cánceres sobre todo de la cabeza y del cuello y los cánceres del ojo se pueden tratar usando la silla.   

Cuadro 3.  Ejemplo de una silla del tratamiento del protónHay varios aspectos importantes de considerar al usar las tablas robóticas. Primero, basan a la mayoría de estos dispositivos en los brazos robóticos diseñados para el uso industrial que pone un premio en la aceleración y la velocidad rápidas. Para el tratamiento del paciente, la comodidad y la seguridad del paciente son equivalentes. Así, los límites en la velocidad, aceleración, ángulos, vibración, ruido, junto con cierto nivel de estética, son necesarios para la comodidad y la seguridad del paciente. La mayoría de estos límites pueden ser alcanzados con modificaciones al software que conduce el brazo robótico. Al decir esto, la tabla debe también ser diseñada tal que el paciente pueda ser colocado en la tabla, ser inmovilizado, y después ser movido en la posición del tratamiento en una manera relativamente oportuna. Además, el control manual de la tabla en caso de un apagón se debe también asegurar para la seguridad del paciente. La exactitud de los movimientos de la tabla debe también ser exacta (a 0.5 a 1 milímetro y dentro de 0.3 grados) y reproductiva. La tabla debe también ser bastante pequeña para permitir que los dispositivos de proyección de imagen tales como el haz de cono de CT sean utilizados tan bien como anestesia en los pacientes que puedan requerir la sedación para el tratamiento. Es también importante observar que cualquier ángulo de haz que deba viajar a través de la tabla debe también explicar el afecto de la tabla en la gama del protón y dispersión pues éste afectará la cobertura del tumor.

Sistemas de verificación: Radiografías ortogonales, marcadores, y haz de cono de CT

Como se declaró anteriormente, como la mayor conformalidad se alcanza con el uso de protones, la posición del paciente llega a ser cada vez más importante. Sin embargo, para tomar ventaja completa de un diván de tratamiento robótico, la proyección de imagen exacta del tumor es crucial. La variabilidad interfraccional en la posición del paciente puede ser afectada por error diario en la posición, cambio en el peso del paciente, y cambio en el tamaño del tumor. La gama del protón es afectada por todos estos factores así como por cambios en la densidad del tejido fino que viaja a través del haz. Por lo tanto, si una estructura huesuda se mueve en el campo del tratamiento debido a un error en la posición (cuando estaba ausente durante el planeamiento de tratamiento) o si la densidad del tumor cambia, esto podría afectar la localización del borde distal del campo de protón. Hay un número de tecnologías que se han desarrollado para optimizar la verificación de la posición del paciente para reducir al mínimo la variabilidad interfraccional en la posición del paciente.  

Las radiografías ortogonales dependen de la anatomía huesuda del paciente, y de la posición de los tumores concerniente a la anatomía huesuda, para la posición reproductiva. Generalmente, se alcanza una línea de visión del haz usando un tubo de radiografía retractable en el inyector de la unidad de protón. Un detector retractable de radiografía se utiliza para capturar la imagen de este tubo de radiografía. Un segundo detector está situado en 90 grados al paciente con una fuente separada de radiografía para conseguir la película lateral. Antes del tratamiento, un par de radiografías ortogonales de diagnóstico se toma y ajustes en la posición del paciente se hacen basado en una comparación de estas películas a las radiografías digital reconstruidas (DRR, por sus siglas en ingles) generadas del planeamiento de tratamiento de CT inicial. Hay actualmente un número de paquetes comerciales, tales como los de MedCom, que emparejan las imágenes portales a las de DRR y proporcionan la información de cambio automáticamente para la posición y la verificación rápidas. Hay varios centros de protón que utilizan la proyección de imagen ortogonal. Sin embargo, hay varias limitaciones de esta técnica. Primero, el tumor puede moverse con respecto a la anatomía huesuda, particularmente en el tórax con el movimiento respiratorio y en el abdomen debido al movimiento respiratorio, al gas del intestino, a la excreta y a la plenitud de la vejiga. Por lo tanto, incluso con proyección de imagen de radiografía ortogonal, los márgenes deben ser agregados para explicar este movimiento a menos que los marcadores fiduciales se implanten dentro del tumor. Además, los cambios rotatorios pequeños pueden ser difíciles de encontrar en las películas ortogonales.   

La dificultad con los marcadores fiduciales es que afectan la distribución de la dosis de la partícula pesada. El efecto de tal disturbio en la distribución de la dosis es dependiente del material del cual el fiducial se hace, el tamaño del fiducial, el número de fiduciales, y la orientación del fiducial con respecto al haz. La distancia que el fiducial está del borde distal del haz también afecta cuánto de un disturbio de la dosis ocurre secundario al fiducial. Los estudios han sugerido que, en promedio, la perturbación de la dosis con fiduciales de acero inoxidable en el tratamiento del cáncer de la próstata es el cerca de 5%. Recientemente, transpondores electromagnéticos se han utilizado como fiduciales (Calypso) que permiten que el seguir en tiempo real los tumores ayude en controlar el movimiento de la posición y la intrafraccion. Los estudios para entender la compatibilidad del sistema de Calypso en el ambiente del protón están en curso. Varias otras compañías están trabajando para hacer fiduciales que sean compatibles con la terapia de protón.

La exploración del haz de cono de CT puede detectar exactamente la posición de los tejidos finos suaves, tales como el tumor, sin confiar en la anatomía huesuda o los fiduciales. Éstos se utilizan actualmente en el ambiente del fotón y hay interés intenso de desarrollar un haz de cono de CT que funcione en el ajuste del protón. El haz de cono de CT de kilovoltio entrega una dosis similar a la de CT convencionales. Sin embargo, es importante observar que el uso de la proyección de imagen diaria del haz de cono de CT de kilovoltio para la posición aparece contribuir una dosis significativa a los tejidos finos normales (2 cGy a 50 cGy para 20 tratamientos, dependiendo del sitio anatómico).  El haz de cono de CT de milivoltios contribuye aún más a la dosis (2-3 veces que de un explorador de CT de kilovoltio) pero puede ser útil en los pacientes que tienen prótesis altas de Z, tales como reemplazos de la cadera. El haz de cono de CT se puede utilizar para la posición diaria y un número de algoritmos se han desarrollado para emparejar el planeamiento de tratamiento de CT al haz de cono de CT para optimizar la posición del paciente. Los estudios de estos algoritmos han sugerido que son exactos a aproximadamente 1 milímetro y a 1 grado de rotación. Crítico a esto es la alineación exacta del isocentro del haz de cono de CT y del isocentro del tratamiento. Debido a la flexión mecánica en la máquina del tratamiento, puede haber desalineamientos leves basados en el ángulo del pórtico y modelos se han desarrollado para explicar esta flexión. El haz de cono de CT puede también desempeñar un papel en el planeamiento del tratamiento. Si hay un cambio importante en el volumen del tumor, el replaneamiento del haz de cono de CT puede ser posible. Sin embargo, el haz de cono de CT sufre de una valoración pobre de las unidades de Hounsfield de las estructuras debido a la dispersión del campo ancho usado, el retraso en la lectura del detector, y la colimación limitada disponible durante la adquisición de la imagen por el haz de cono de CT. Estos factores pueden conducir aproximadamente a un error del 10% en los valores estimados de unidad de Hounsfield. En la terapia de protón, esto es de preocupación especial como estas estimaciones pueden afectar la gama predicha de los protones y la localización del borde distal del haz.

Verificación del campo y proyección de imagen "in-situ" de PET

La proyección de la imagen del portal electrónico ha sido un apoyo principal para la verificación del campo en la terapia basada en fotón. Sin embargo, con la terapia basada en protón, los protones tienen una gama limitada sin dosis de salida y la proyección de imagen del portal electrónico es potencialmente posible solamente en el ajuste de tratar una estructura del cuerpo donde el grueso es menos que la gama de protón. Esto se llama radiografía de protón y está actualmente bajo investigación pero no actualmente lista para el uso clínico en camino. Los medios alternativos para la verificación de la distribución de la dosis se necesitan en la terapia de protón. Una posibilidad interesante es aprovecharse de la radiactividad inducida causada por los protones dentro de los pacientes. Los protones pueden causar la formación de isótopos con colisiones no-elásticas con los núcleos. Algunos de los isótopos formados son emisores de positrón, que pueden entonces aniquilarse después de combinar con un electrón y los rayos gama que resultan se pueden detectar por un explorador de PET. Esto podría permitir verificación in situ de la distribución de la dosis. Varios grupos han investigado la exploración de PET ambos durante el tratamiento sí mismo de protón tan bien como la exploración de PET después de que el tratamiento esté completo. Sin embargo, algunos de los positrones generados tienen un período muy corto y la exploración rápida es necesaria para capturar tanta información como sea posible. La proyección de imagen de PET puede proporcionar información espacial importante con respecto a los bordes distales y laterales del campo de tratamiento. Sin embargo, las limitaciones de la resolución de PET pueden limitarse en cómo de exacto son las medidas de estos bordes. Con respecto a la dosis, la actividad medida del positrón no representa directamente la dosis entregada; sin embargo, la cantidad de actividad esperada se puede predecir y comparar a la actividad medida de PET. Cualquier desviación considerada entre la actividad medida y predicha sugiere un error de dosificación.

Inmovilización

La meta principal de la inmovilización del paciente es reducir al mínimo el movimiento del paciente durante el tratamiento como así facilita la posición rápida y constante entre las fracciones (que depende de la reproductibilidad de la posición del paciente dentro del dispositivo de inmovilización y de la posición de los dispositivos de inmovilización con respecto al haz de tratamiento). En la terapia de protón, la distancia de la superficie del paciente al tumor es también un factor importante y ésta puede requerir una inmovilización más rígida para mantener la forma apropiada del paciente. Como en la terapia de fotón, los dispositivos de inmovilización deben ser fácilmente adaptados para las dimensiones específicas del paciente y fácilmente transportable del área de la proyección de imagen al área del tratamiento. Hay varias diferencias importantes entre los dispositivos de inmovilización que se utilizan con los protones contra ésos usados con la terapia de fotón. Una diferencia importante con los protones es que no hay acumulación, y por lo tanto no hay efecto de bolo del dispositivo de inmovilización en la piel del paciente. Por lo tanto, los dispositivos de inmovilización del paciente que están en contacto directo con la piel que está dentro del campo del haz pueden ser utilizados. Sin embargo, la gama del protón es altamente dependiente de la cantidad de material atravesada (debido a la pérdida de energía) y este material adicional debe ser explicado. Es también importante observar que los dispositivos de inmovilización dentro del campo de protón pueden influenciar el borde lateral del haz, con materiales más gruesos creando un mayor aumento en la penumbra lateral. Para reducir al mínimo ambos efectos, el grueso del dispositivo de inmovilización dentro del campo se debe mantener a un mínimo y el material debe ser tan homogéneo como sea posible. Para los tumores de la cabeza y el cuello y los del CNS, un número de dispositivos de inmovilización se han utilizado con los protones incluyendo máscaras de aquaplast, bloques de mordedura, y marcos estereotácticos (Figura 4. MGH y Varian).

Cuadro 4.  Ejemplos de los varios dispositivos principales de la inmovilización, de izquierda a derecha: marco, bloque de la mordedura y máscara stereotactic del aquaplast

Hay también varios dispositivos de inmovilización usados para la radioterapia torácica y pélvica. Hay varios dispositivos de aspiración que están disponibles para la inmovilización del paciente tal como el sistema Med-Técnico y el sistema Médico de Inteligencia de BodyFIX (Figura 5 de VacLoc. MGH).

Cuadro 5.  Ejemplos de los legados del vacío para la inmovilización paciente.  De izquierda a derecha, el sistema Med-Técnico de VacLoc, el sistema médico de BodyFIX de la inteligencia, y un ejemplo de un sistema del molde del cuerpo.

La mayoría de estos dispositivos se han diseñado para otros usos médicos y se han adaptado para el uso con la terapia de protón. Según lo mencionado arriba, pruebas extensas se deben realizar para determinar cuánto material adicional utilizado en el dispositivo de inmovilización afecta la gama del haz de protón y la penumbra lateral, y estos factores se deben explicar durante el planeamiento de tratamiento.

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