Durante los últimos años, el uso de los métodos de simulación Monte Carlo (MC) se ha incrementado debido a su precisión en la planificación de tratamientos de radioterapia. Comúnmente, estas herramientas se utilizan para calcular la dosis absorbida en pacientes sometidos a tratamientos emitidos por aceleradores lineales médicos (LinAc). La optimización para la estimación de la dosis en planificación requiere una caracterización precisa de la fuente de radiación teniendo en cuenta su energía, direccionalidad del haz, tipo y posición de las partículas que se emiten, etc. Para llevar a cabo estas simulaciones, se requiere también una descripción minuciosa de los materiales y de la geometría de los elementos del acelerador para obtener cálculos de dosis precisos. Además, las simulaciones de este tipo son complejas y tienen un elevado coste computacional, por lo que es de vital importancia en la clínica médica conseguir simulaciones eficientes para propósitos que involucren cálculos de dosis. Por este motivo, las simulaciones de la radiación a través de los componentes del acelerador pueden realizarse una única vez para cada modelo, tamaño de campo y haz inicial, y después reutilizar los resultados de esta simulación como fuente para nuevas simulaciones en las que se pretenda calcular la dosis sobre un paciente, fantoma o cualquier otro objeto de interés. Este cálculo en dos pasos es posible gracias a los espacios de fases (PSF) que generan la mayoría de los códigos de MC. El PSF consiste en un fichero donde se almacena la información de las partículas recogidas en una región delimitada por el usuario. En ellos, se guardan variables tales como la energía, tipo, dirección y posición de las partículas, entre otras, necesarias para arrancar una nueva simulación desde ese punto, que habitualmente se corresponde con un plano justo a la salida del acelerador (IAEA Nuclear Data Section, 2006).

La Agencia Internacional de Energía Atomica (IAEA), ofrece una base de datos pública (IAEA NAPC Nuclear Data Section) que contiene PSFs debidamente validados de diferentes LinAcs utilizados en radioterapia externa. Este proyecto de la IAEA evita la repetición de largos cálculos de MC ya realizados por otros grupos de investigación que proporcionan un conjunto de datos comunes a varias aplicaciones. La lectura del formato PSF de la IAEA se ha implementado en versiones recientes de códigos MC de uso general como BEAMnrc / EGSnrc (I.Kawrakow et al., 2017), PENELOPE (F.Salvat, 2019) y Geant4 (S.Agostinelli et al., 2003), (M.A. Cortés-Giraldo et al., 2012.), pero, lamentablemente, MCNP (MCNP6TM, 2014) no dispone de esta implementación.

En esta tarea se ha desarrollado y validado una herramienta escrita en leguaje de programación C capaz de leer los PSF distribuidos por la IAEA y convertir dicho formato al formato binario de entrada utilizado por MCNP6 para arrancar la simulación desde ese punto.

En este trabajo se ha desarrollado dicha herramienta mediante un programa “IAEA2MCNP” escrito en lenguaje C. La validación se ha llevado a cabo transformando un espacio de fases de un Varian Clinac de 6 MeV, disponible en la base de datos de la IAEA, a formato MCNP y realizando una simulación lanzando el espacio de fases hacia una cuba de agua. Además, se ha realizado la misma simulación con el código penEasy/PENELOPE, partiendo del mismo espacio de fases de la IAEA para comparar los resultados de dosis deposida en la cuba de agua con ambos códigos. Los resultados de ambas simulaciones son compatibles dentro de sus barras de error que corresponden a 2σ, validando así la herramienta desarrollada en este trabajo.

Los resultados de este estudio han sido presentados en la Reunión Anual de la SNE 2020 cuya edición se celebró de forma virtual y también en la I Jornada online de jóvenes SEFM 2020. También se ha enviado el trabajo realizado a la revista de carácter internacional International Journal of Radiation Biology con título Toolkit implementation to exchange phase-space files between IAEA and MCNP6 Monte Carlo code format.

Esta herramienta permite utilizar con MCNP, PSF de la base de datos de la IAEA, así como cualquier PSF simulado con otros códigos como Geant4 o penEasy/PENELOPE, que esté escrito en formato IAEA. Permite también escribir los PSF generados con MCNP en formato IAEA para ser simulados con cualquier código MC que tenga implementada la lectura de este formato. Esto ofrece la posibilidad de utilizar PSF de otros grupos de investigación, optimizando las simulaciones de LinAc, y, por otro lado, poder aumentar la base de datos de la IAEA con simulaciones de MCNP, con la consiguiente ventaja para la comunidad científica.

Además, se destaca el estudio de estimación de dosis en órganos en tratamientos de Braquiterapia utilizando simulaciones de Monte Carlo con modelos de pacientes reales, publicado en la revista Radiation Physics & Chemistry (Prostate cancer Monte Carlo dose model with 177Lutetium and 125Iodine treatments).

Los sistemas de planificación de radioterapia que operan actualmente en hospitales comprenden algoritmos basados en simplificaciones deterministas que no tienen en cuenta correctamente el transporte lateral de electrones en las regiones donde hay variaciones en la densidad, y como consecuencia, se pueden generar estimaciones de dosis erróneas. De acuerdo con esto, se propone la posibilidad de utilizar el método Monte Carlo en los sistemas de planificación de radioterapia, ya que esta técnica podría afectar positivamente en el tratamiento de los pacientes. La metodología propuesta proporciona resultados de dosis 3D que son más precisos ya que tienen mejor en cuenta las variaciones de densidad en las regiones con inhomogeneidades. En este estudio se ha realizado una simulación Monte Carlo de dos diferentes tratamientos contra el cáncer de próstata utilizando la última versión de MCNP v.6.1.1; un tratamiento de braquiterapia con semillas de I-125 y un tratamiento metabólico con Lu-177 PSMA. Para eso, se crea un modelo 3D de la anatomía de un paciente anónimo real, a partir de la segmentación de imágenes de Tomografía Computarizada. Se simulan los tratamientos sobre este modelo 3D y se obtiene la dosis impartida a la próstata y a cada órgano circundante para ambos tratamientos. Los resultados se han verificado con dosis calculadas por el sistema de planificación determinista utilizado en el hospital para el caso del tratamiento de braquiterapia, lo que demuestra la eficiencia del método Monte Carlo en el desarrollo de tratamientos de radioterapia, no sólo por la precisión de los resultados, sino también en lo que respecta a los asequibles tiempos de computación obtenidos.

La colaboración entre la Universitat de València, la Universitat Politècnica de València y el Hospital Universitari i Politècnic la Fe de València. Esta estrecha colaboración relacionada en la reducción de dosis recibida por los pacientes gracias a la optimización de dosis en radioterapia ha dado lugar a varios estudios, en concreto:

- Aplicación de simulaciones Monte – Carlo para obtener los coeficientes de calibración de una cámara de ionización utilizada en tratamientos de radioterapia intraoperatoria que ha sido presentado en la 46 Reunión Anual de la Sociedad Nuclear Española.

Los tratamientos con aceleradores de radioterapia intraoperatoria, como el LIAC HWL de Sordina disponible en el Hospital Universitari i Politècnic La Fe de València, suministran haces de electrones directamente sobre el lecho tumoral tras la extirpación del tumor. La tasa de partículas que emiten es pulsada y muy elevada, por lo que para medir la dosis absorbida se necesita un detector con baja saturación. Para ello se emplea la cámara de ionización Advanced Markus de PTW. Esta cámara debe ser calibrada para establecer una relación entre la dosis absorbida en su volumen de aire y la dosis absorbida en agua. En este trabajo se caracteriza la cámara Advanced Markus para los diferentes haces de energías entre 6 y 12 MeV del acelerador LIAC HWL, obteniendo los factores de calibración para cada una de estas energías, sin la necesidad de utilizar los coeficientes derivados del protocolo IAEA TRS-398.

- Diseño de un filtro aplanador para haces de 12 MV usados en tratamientos de radioterapia intraoperatoria, presentado en la 46 Reunión Anual de la Sociedad Nuclear Española.

Este trabajo se basa en el estudio de los haces emitidos por el acelerador Liac de Sordina de radioterapia intraoperatoria mediante simulaciones de Monte-Carlo. Este tipo de aceleradores suelen emplearse para irradiar el lecho tumoral durante la extirpación del tumor. Durante la validación del haz de 12 MV y para el aplicador de 10 cm, se ha observado en las pruebas con cuba de agua realizadas por los radiofísicos del hospital, que la dosis absorbida en el área irradiada no es homogénea, presentando un perfil con valores superiores de dosis en el centro del campo respecto a la periferia. Es por ello que dentro de la colaboración se ha sugerido la evaluación de la posibilidad de añadir al aplicador un filtro aplanador que corrija estos efectos en el campo de radiación, obteniendo una distribución de dosis homogénea. En este trabajo se lleva a cabo el diseño del filtro mediante simulaciones de Monte-Carlo por parte de dos grupos de investigación de sendas universidades mencionadas. Corrigiendo el efecto producido en este caso concreto de configuración del acelerador, y una vez validados los efectos del filtro diseñado, se podrá considerar para su uso potencial en tratamientos en los casos especiales de pacientes que pudieran requerir la energía máxima, 12MV, y máximo tamaño de aplicador.