Modelo paramétrico para o controle da geometria física dos feixes de íons pesados nos procedimentos de tratamento de câncer de pulmão

Abstract

No presente trabalho apresenta-se a hadronterapia no contexto do tratamento de radioterapia, que utiliza feixes de íons pesados. Este último tem uma dose ideal para o tratamento de tumores no interior de órgãos humanos ej ou localizados próximos aos órgãos críticos. Além disso, este tipo de terapia aplica-se aos casos em que não há eficiência da radioterapia convencional com fótons ou elétrons. Os feixes de carbono ou prótons são utilizados não só para melhorar a irradiação do tumor, mas também para reduzir efeitos no tecido saudável adjacente a longo prazo, devido a uma menor deposição de energia. Nesta linha foi desenvolvido um modelo paramétrico para o controle físico da geometria dos feixes de íons pesados, utilizando um modelo em 2D para descrever o pulmão, bem como a anatomia tumoral. Além disso, a parametrização prevê um esquema para a varredura do feixe de partículas em três dimensões, que define a trajetória do feixe durante o processo de irradiação. Também foram realizados cálculos para a deposição de energia das partículas pesadas, ou seja, cálculo da energia liberada pelo feixe de partículas (prótons ou íons de carbono), em função da profundidade na penetração do tumor. Sabe-se que fótons ou elétrons depositam maiores doses enquanto "varrem" o tecido biológico, diferente de íons pesados ou prótons, que mostram uma acentuada deposição de energia no final (pico de Bragg) da trajetória das respectivas partículas, o que minimiza os efeitos destrutivos na região de tecidos saudáveis. Este fato é o argumento essencial para a escolha dessas partículas no tratamento de tumores. O controle geométrico do feixe é implementado por uma parametrização unidimensional, que orienta a partículas na superfície do tumor ou no interior de qualquer superfície definida, sendo este, um grau de liberdade suficiente para direcionar os feixes de íons pesados no acelerador.

In the present work we present hadrontherapy in the context of radiotherapy treat- ment, using heavy ion beams. The latter have an ideal dose for tumor treatment in the interior of human bodies and/or in positions close to critical organs. Further this type of therapy applies to cases where conventional radiotherapy with photons or electrons lacks efficiency. The beams of carbon or protons are used not only to improve the irradiation of the tumor but also to reduce effects in the neighboring healthy tissues in the long term. In this line we developed a parametric model for the physical geometry control of heavy ion beams, using a 2D model in order to describe the lung as well as the tumor anatomy. Further the parameterization provides a scheme for the scanning with the particle beam in planes in three dimensions, which defines the trajectory of the beam during the irradiation process. We also performed calculations for the energy deposit of heavy particles, i.e. we calculated the energy released by the particle beam (protons or carbon ions) as a function of penetration depth in the tumor. It is well known that photons or electrons loose larger doses while entering the biological tissue, differently than heavy ions or protons which show a pronounced energy deposit (the Bragg peak) at the end of the respective particle trajectories, which in turn minimizes the destructive effects in the region of healthy tissues. This fact is the essential argument for choosing those particles for tumor treatment. The geometric control of the beam is implemented by a one dimensional param- eterization, which guides the particles among the surface of the tumor or in any defined interior surface, where one degree of freedom is adequate for directing heavy ion beams in the accelerator arrangement.