Dosimetría y modelado computacional para irradiaciones extracorpóreas en humanos en el marco de la Terapia por Captura Neutrónica en Boro.
Dosimetry and computational modelling for extracorporeal irradiations in humans within boron neutron capture therapy.
- 2015.
- 211 p.
Cantidad de ejemplares: 1 CD
Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología de Materiales, mención Física. Director/es: González, Sara J.; Plá, Juan
El objetivo general de esta tesis se enmarca en el proyecto multidisciplinario y multigrupal de la Terapia por Captura Neutrónica en Boro [Boron Neutron Capture Therapy, BNCT] propulsado en Argentina desde 1996 por la Comisión Nacional de Energía Atómica [CNEA]. En particular, el trabajo realizado se focaliza hacia la aplicación de BNCT para el tratamiento de cáncer metastásico múltiple de pulmón como un método promisorio en aquellos pacientes con un pronóstico de vida extremadamente corto y sin alternativa terapéutica efectiva. Los resultados alentadores de las diferentes experiencias clínicas en BNCT propulsaron la generación de nuevos protocolos clínicos en el mundo. En este contexto, la propuesta más innovadora fue la aplicación BNCT ex-situ realizada en Pavia [Italia] que consistió en la irradiación extracorpórea de un hígado con metástasis multifocales, bilobulares, no resecables quirúrgicamente, seguida del autotransplante total de hígado. En el espíritu de esta aplicación, la Argentina desarrolló una facilidad de irradiación para la aplicación de BNCT ex-situ en el reactor RA-3 del Centro Atómico Ezeiza [CAE], con el objetivo de realizar tratamientos de hígado y, de ser factible, de pulmón. El trabajo realizado en esta tesis contribuyó a diferentes aspectos relacionados con el estudio de factibilidad de la aplicación de BNCT ex-situ al cáncer metastásico difuso de pulmón. En el marco del presente trabajo se determinó, construyó y validó el primer modelo computacional completo de la facilidad central de columna térmica del reactor RA-3. Esto implicó converger en una descripción computacional de la facilidad del RA-3, capaz de representar adecuadamente la distribución de flujo de neutrones y fotones dentro de la cavidad de irradiación de manera estable a lo largo del tiempo, y aplicable en un contexto clínico de tratamiento. Complementariamente, se propuso y se validó un algoritmo de reconstrucción geométrica para la planificación de anatomías complejas denominado MultiCell que, combinado con unidades de cálculo grandes [5 a 10 mm] y métodos de corrección apropiados, permite obtener una estimación dosimétrica adecuada en tiempos cortos para la clínica de BNCT. La inquietud por optimizar y juzgar los tratamientos propuestos nos llevó a introducir otras herramientas y conceptos novedosos en planificación: 1] la determinación del momento óptimo de inicio y duración de un tratamiento en base a la información de la concentración de boro en tejido normal y tumoral del paciente y de la disposición de los haces de tratamiento y, 2] un modelo de probabilidad de control tumoral específico que considerar la distribución espacial de la dosis en el volumen tumoral y el esquema de administración del tratamiento en una única fracción. La aplicación de BNCT ex-situ al tratamiento de cáncer de pulmón metastásico difuso en humanos se analizó a la luz de los desarrollos antes mencionados y los estudios de factibilidad pre-clínicos realizados en el modelo de pulmón sano de oveja. Los estudios de distribución de boro a escala macro generados por primera vez en el marco del presente trabajo fueron aplicados para evaluar el potencial terapéutico en un escenario clínico real, a partir de un pulmón humano y considerando la facilidad central de columna térmica del reactor RA-3. El potencial terapéutico esperado nos permite concluir que dicho tratamiento presentaría un beneficio neto por sobre la complejidad de la técnica, alcanzándose una fracción esperada de nódulos controlados superior al 85 por ciento para relaciones de concentración de boro tumor-pulmón normal moderadas. Como subproducto de esta tesis, se estudió la factibilidad de aplicación de BNCT in-situ en tumores de pulmón localizados a partir de casos reales, con parámetros realistas en todos los aspectos posibles. Colectivamente, los resultados y análisis presentados en este trabajo sugieren que las aplicaciones de BNCT ex-situ e in-situ serían realizables y altamente promisorias, con capacidad de contribuir al tratamiento de tumores pulmonares difusos y localizados no tratables mediante técnicas convencionales, incrementando así no sólo la sobrevida general esperada sino también, e igualmente importante, la calidad de vida del paciente. The overall objective of this thesis is part of the multidisciplinary and multigroup Boron Neutron Capture Therapy [BNCT] project carried out since 1996 in Argentina by the National Atomic Energy Commission [CNEA]. In particular, this work focuses towards the application of BNCT for the treatment of multiple metastatic lung cancer as a promising method in patients facing an extremely short life prognosis with no effective therapeutic alternative. The encouraging results of different clinical experiences in BNCT boosted the generation of new clinical protocols in the world. In this context, the most innovative proposal was the application performed in Pavia [Italy] of ex-situ BNCT, consisting of the extracorporeal irradiation of a liver with multifocal, bilobal, surgically unresectable metastases, followed by the total liver autotransplantation. In the spirit of this application, Argentina developed an irradiation facility in the RA-3 reactor located at Ezeiza Atomic Center [CAE] especially tailored to treat an isolated liver or, if feasible, an isolated lung with ex-situ BNCT. The work carried out in this thesis contributed to various aspects of the feasibility study for the application of ex-situ BNCT for diffuse metastatic lung cancer. As part of this work, the first complete computational model of the thermal column central facility of the RA-3 reactor was determined, constructed and validated. This meant obtaining a computational description of the RA-3 facility suitable to represent the neutron and photon flux distributions within the irradiation cavity, that it is stable over time and that it is applicable in a clinical treatment setting. In addition, a geometric reconstruction algorithm for complex anatomies called MultiCell was proposed and validated, which combined with large units for dosimetry estimations [5-10 mm] and appropriate correction methods, allows obtaining adequate estimates for clinical BNCT in a short time. Our concern for optimizing and assessing the proposed treatment led us to introduce other tools and new concepts in BNCT treatment planning: 1] the determination of the optimal irradiation start time and duration of the treatment taking into account the information of the boron concentration in the normal and tumor tissues of the patient and the selected beams, and 2] a specific model of tumor control probability that explicitly considers the spatial dose distribution in the tumor volume and the administration schedule in a single fraction. The application of ex-situ BNCT for the treatment of diffuse metastatic lung cancer in humans was analyzed using the abovementioned developments and the preclinical studies performed on the healthy sheep lung model. Boron biodistribution studies carried out in the framework of this study for the first time were used to assess the therapeutic potential in a real clinical setting from a human lung and considering the thermal column of the central facility of the RA-3 reactor. The evaluated therapeutic potential let us conclude that this treatment would present a net benefit over the complexity of the technique, reaching an expected fraction of controlled nodes greater than 85 percent for moderate values of normal lung-to- tumor boron concentration ratios. As a by-product of this thesis, the feasibility of in-situ BNCT for the treatment of localized lung tumors was assessed, using realistic parameters and real cases. Collectively, the results and analysis presented in this work suggest that ex-situ and in-situ BNCT would be feasible and highly promising techniques, that could greatly contribute to the treatment of diffuse and localized lung tumors untreatable by conventional techniques, increasing not only the expected overall survival but also, and equally important, the patients' quality of life.
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