Revista Polo del Conocimiento


Polo del Conocimiento

 

 

Construccin de fantomas virtuales para simulaciones Monte Carlo de transporte de radiacin

 

Construction of virtual phantoms for Monte Carlo simulations of radiation transport

 

Construo de phantoms virtuais para simulaes Monte Carlo de transporte de radiao

 

 

Miguel ngel Sez Paguay II
miguel.saez@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-3192-5084
Jeferson Leonel Villa Piray I
tefovilla@outlook.com
https://orcid.org/0000-0001-7544-8166
Bruno Micciola III
bruno.micciola@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-4085-0072
Segundo Fabin Siza Moposita IV
fabian.siza@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8036-6974
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

 

 

Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de Investigacin

* 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 Politcnica de Chimborazo, Facultad de Recursos Naturales, Orellana, Ecuador.
  3. Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Riobamba, Ecuador.
  4. Escuela Superior Politcnica 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 mtodo Monte Carlo en aplicaciones mdicas. Se desarroll la geometra del cuerpo humano, especificando los rganos considerados sensibles a la radiacin. Se realizaron pruebas simuladas de irradiacin interna y externa para verificar la funcionalidad. Para la irradiacin interna, el radioistopo 131I se usa habitualmente para tratar el cncer de tiroides. Para la irradiacin externa se utiliza el 18F, tambin de uso comn en aplicaciones de medicina nuclear. En ambos casos se extrajeron histogramas y curvas de dosis en profundidad. Para la simulacin se utiliz el entorno GAMOS GEANT4. A travs del arreglo de detectores se determin la dosis al rgano en ambos casos, verificando que no se excediera el lmite de dosis establecido por la COMISIN INTERNACIONAL DE PROTECCIN RADIOLGICA. Se concluye que el fantoma es adecuado para ser usado en otras simulaciones.

Palabras Clave: Simulacin 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 rgos de risco utilizando o mtodo de Monte Carlo em aplicaes mdicas. A geometria do corpo humano foi desenvolvida, especificando os rgos considerados sensveis radiao. Testes simulados de irradiao interna e externa foram realizados para verificar a funcionalidade. Para irradiao interna, o radioistopo 131I comumente usado para tratar cncer de tireoide. Para irradiao externa, usado 18F, tambm comumente usado em aplicaes de medicina nuclear. Em ambos os casos, foram extrados histogramas e curvas de dose em profundidade. Para a simulao foi utilizado o ambiente GAMOS GEANT4. Atravs da disposio dos detectores, foi determinada a dose no rgo em ambos os casos, verificando-se que o limite de dose estabelecido pela COMISSO INTERNACIONAL DE PROTEO RADIOLGICA no foi excedido. Conclui-se que o phantom adequado para ser utilizado em outras simulaes.

Palavras-chave: Simulao de Monte Carlo; amostragem aleatria; GEANT4; Dose absorvida.

Introduccin

Los radioistopos, como el tecnecio metaestable (99mTc), se pueden usar para identificar vasos sanguneos bloqueados, y otros emisores gamma con vidas medias cortas tambin se pueden usar en la investigacin cardaca, como el talio (201Tl), el galio (67Ga) indio (para deteccin de tumores) 111In) para procesos inflamatorios, 131I y 123I para estudios de tiroides y rin, y xenn (133Xe) para estudios de pulmn (Mazal, 2018, p.5). En el caso de la PET, los radiofrmacos ms utilizados son la fluorodesoxiglucosa marcada con flor 18F y, por ltimo, en estudios denominados radioinmunoensayo (RIA), se utiliza principalmente yodo 125I y en ocasiones tritio 3H (Mazal, 2020, p. 6).

La dosimetra es un procedimiento fundamental para conocer los valores de dosis que tendrn los pacientes tras recibir la terapia radiofarmacutica y controlar al mnimo posible la dosis que llega a los rganos de riesgo para no provocar efectos adversos. En la prctica existen mtodos aproximados y sobreestimados para comprobar cunta radiacin llega a los rganos de riesgo, como son los mtodos VARSKIN, los mtodos del coeficiente de atenuacin, MIRD, simulaciones Monte Carlo, etc. En comparacin con otros mtodos, la simulacin Monte Carlo permite obtener valores de dosis absorbida con menor incertidumbre (Salvat, 2015).

En este trabajo de investigacin, se utilizaron simulaciones de Monte Carlo para validar fantomas mediante la estimacin de dosis absorbidas en rganos de inters en dos escenarios en la prctica de la medicina nuclear.

Metodologa

Para realizar una simulacin de Monte Carlo, se necesita generar la geometra, en la que se debe considerar el volumen, la ubicacin, el material y otras caractersticas del rgano, utilizando lneas de cdigo (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 construccin del rgano se utilizaron volmenes ideales, es decir, aproximaciones al rgano real.

 

Pasos a seguir:

1. Inicio

2. De acuerdo con la bibliografa referenciada, definir parmetros: volumen, matriz de rotacin, actividad del 131I, coordenadas espaciales del rgano.

3. Cree un archivo con extensin .geom que incluya las diferentes formas geomtricas del rgano y sus respectivas ubicaciones anatmicas.

4. Crear un archivo de entrada con extensin .in, tambin conocido como programa director principal, que define aspectos como las caractersticas del radioistopo (131I), los parmetros del generador, el nmero de iteraciones, etc.

5. Defina comandos para extraer resultados despus de la ejecucin del programa.

6. Con la ayuda de un software de visualizacin, se puede refinar la geometra. Para ello se puede incluir en el programa controlador principal .in el comando para generar un archivo con extensin .wrl,

7. Para presentar los resultados, es necesario crear una geometra adicional en la que se define una grilla compuesta por un conjunto de vxeles, en la que se declara un arreglo de detectores para el clculo 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 raz (Team Root, 2021).

9. Para cada caso especfico, los parmetros de simulacin se cambian como en los pasos anteriores.

Archivo de geometra:

  • Se dise cuidadosamente un modelo antropomrfico de una mujer y un hombre, y la geometra se construye utilizando volmenes descritos por comandos. Estos volmenes se pueden posicionar movindose a lo largo de los ejes cartesianos y definiendo parmetros de rotacin.

 

Archivo Humain-Male.geom

Los rganos simulados son: cerebro, pulmn, corazn, hgado, vejiga, rin, testculo y se utilizan los datos de las tablas 3 y 4. Algunos de los comandos utilizados son:

ROTM se define como una matriz de rotacin. 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 volmenes. 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 tamao y el material. Se pueden utilizar diferentes formas geomtricas como: elipsoide, tubo, esfera, caja, seccin de tubo, cono, seccin de cono, trapezoide, paraleleppedo, trapezoide general, polgono, tubo elptico, poliedro, cono elptico, tetraedro, toro, etc. La sintaxis se describe en su Manual GAMOS (Colaboracin GAMOS, 2019, pp 24-31).

Los slidos que se emplearon:

 

Tabla 3. Parmetros de entrada para la creacin de la geometra. Realizado por Jeferson Villa.

 

Color. Aade color a los slidos. La sintaxis de esta etiqueta es:

 

Archivo Humane-Female.geom

La descripcin detallada de este modelo sigue los mismos pasos que en el caso anterior. Los rganos a simular son: Crneo, Cerebro, Ojos, Cuello, Pecho, Corazn, Pulmones, Mamas, Hgado, Estmago, Intestinos, Vejiga, tero y Riones. La tabla 4 muestra los slidos utilizados para construir los rganos.

 

 

 

Tabla 4. Parmetros de entrada para la creacin de la geometra femenina. Realizado por Jeferson Villa.

 

Elaboracin 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 extensin .geom que contenga una cuadrcula que contenga la parte del rgano en estudio.

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

 

Generador de partculas de GAMOS

La herramienta GAMOS permite generar una o ms fuentes de partculas primarias con valores de energa especficos, haces con posiciones y orientaciones especficas utilizando el comando para acceder a /gamos/generator GmGenerator (Dubois, 2019, p.70).

 

Fsica

 

Elaboracin del archivo director principal

El archivo director principal (.in) que define varios aspectos que se utilizarn durante la simulacin.

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

Otro requisito para la documentacin es la definicin de la fsica utilizada. GmEMExtended-Physics es el paquete considerado. Se eligi porque el orden contiene diferentes procesos electromagnticos que involucran fotones o partculas cargadas,

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

La inicializacin se define con run/initialize

/gamos/generator/addIsotopeSource En esta lnea se debe definir el nombre de la fuente, el nombre del istopo y sus respectivas actividades.

Las siguientes lneas definen los comandos para estimar la dosis por rgano.

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


Resultados y discusin


Fantomas masculino y femenino

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

Figura 1. Fantoma antropomrfico masculino

 

 


En la figura 2 se muestra el fantoma femenino que sometido a irradiacin interna.

Figura 2. Fantoma femenino

Validacin

La Tabla 5 muestra los valores de exposicin interna y externa obtenidos durante la simulacin y los valores establecidos por ICRU para los lmites de dosis. La obtencin 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 lmites de dosis establecidos por la Comisin Internacional de Proteccin Radiolgica (ICRU) no han sido alcanzados se puede verificar la idoneidad de los fantomas. Los lmites de dosis son mayores debido a que suelen considerarse valores sobrestimados.

 

Tabla 5. Resultados de la dosis calculada por el mtodo Monte Carlo y los lmites de dosis de la ICRU (beda, 2015)

rgano

Interna. Dosis total en el rgano (mGy)

Externa. Dosis total en el rgano (mGy)

Lmite de Dosis segn la ICRU (mGy)

Cerebro

0.0058

0.001

0.04

Ojo

0.02

0.007

0.05

Pulmn

0.066

0.03

0.12

Corazn

0.008

0.005

0.05

Hgado

0.0248

0.008

0.05

Mama

0.02

0.01

0.05

 

Conclusiones

La simulacin requiere la generacin de dos archivos, uno para la geometra con etiquetas que especifican las dimensiones, ubicaciones y materiales de los elementos y otro para establecer los parmetros fsicos y tambin especificar variables como radiofrmacos, istopos, matrices de detectores y mostrar los resultados. La disposicin cbica de los detectores se utiliza para determinar la dosis al rgano en estudio, para lo cual se utilizan comandos para definir el tamao y la posicin para cubrir el rgano.

Bajo las condiciones descritas en este trabajo y la validacin 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 lnea], 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 lnea]. [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 radioistopos? - Foro Nuclear. [en lnea]. [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. Cules son los istopos ms utilizados en medicina nuclear? - Foro Nuclear. Foro Nuclear [en lnea]. [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. RAZ: anlisis de petabytes de datos, cientficamente. - RAZ. [en lnea]. [Consulta: 28 marzo 2021]. Disponible en: https://root.cern.ch/.

8.     UBEDA DE LA C., C., NOCETTI G., D., ALARCN E., R., INZULZA C., A., CALCAGNO Z., S., CASTRO B., M., VARGAS C., J., LEYTON L., F., OYARZN C., C., OVALLE V., M. y TORRES C., B., 2015. Magnitudes y unidades para dosimetra a pacientes en radiodiagnstico e intervencionismo. Revista Chilena de Radiologia, vol. 21, no. 3, pp. 9499. ISSN 07179308. DOI 10.4067/S0717-93082015000300004.

 

 

 

2022 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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

Enlaces de Referencia

  • Por el momento, no existen enlaces de referencia




Polo del Conocimiento              

Revista Científico-Académica Multidisciplinaria

ISSN: 2550-682X

Casa Editora del Polo                                                 

Manta - Ecuador       

Dirección: Ciudadela El Palmar, II Etapa,  Manta - Manabí - Ecuador.

Código Postal: 130801

Teléfonos: 056051775/0991871420

Email: [email protected][email protected]

URL: https://www.polodelconocimiento.com/

 

 

            



Top