dc.contributor.advisor | Cortés Giraldo, Miguel Antonio | es |
dc.contributor.advisor | Carabe Fernández, Alejandro | es |
dc.creator | Bertolet Reina, Alejandro | es |
dc.date.accessioned | 2020-11-04T08:41:20Z | |
dc.date.available | 2020-11-04T08:41:20Z | |
dc.date.issued | 2020-09-21 | |
dc.identifier.citation | Bertolet Reina, A. (2020). Microdosimetry applied to proton radiotherapy. (Tesis Doctoral Inédita). Universidad de Sevilla, Sevilla. | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/11441/102440 | |
dc.description.abstract | El uso de la radioterapia con protones como tratamiento contra el cáncer es cada vez más común. Sus actuales
indicaciones clínicas se basan en las propiedades físicas de los haces de protones, aceptando una efectividad
biológica relativa (RBE por sus siglas en inglés) constante e igual a 1.1 con respecto a la radioterapia con rayos X. Sin
embargo, hay cada vez más evidencia de una RBE variable y dependiente del lineal energy transfer (LET) del haz de
protones, que, a su vez, depende de la posición relativa a lo largo de la traza del haz. Además, la RBE depende del
efecto considerado y de las propiedades biológicas de las células o tejidos considerados, así como del esquema de
fraccionamiento de dosis. La microdosimetría es la teoría que estudia los patrones de deposición de energía por
haces de radiación en volúmenes de tamaño microscópico. Determinando la concentración local de energía
impartida en estas dimensiones, es posible calcular el LET y otras magnitudes que caracterizan la calidad del haz. El
estudio de las distribuciones de energía impartidas a esta escala puede llevar a una mejor comprensión de la RBE de
los haces de protones y a una potencial aplicación clínica.
Esta tesis es una colección de siete estudios en esta dirección. Como un todo, pretende establecer la conexión entre
la descripción elemental de las interacciones entre protones y materia en términos de microdosimetría y su
aplicación clínica. En este sentido, el artículo I estudia las magnitudes microdosimétricas básicas y sus dependencias,
y se centra en cómo producir resultados microdosimétricos correctos usando simulaciones Monte Carlo (MC). El
artículo II emplea esta metodología para generar distribuciones monoenergéticas de protones de energía cinética
de hasta 100 MeV. Estas distribuciones se emplean para generar modelos analíticos de los cuales las magnitudes
microdosimétricas de haces de protones polienergéticos pueden ser derivadas en lugar de emplear simulaciones MC
para cada caso individual. En el artículo III, los resultados de estos modelos analíticos para haces monoenergéticos
se comparan con medidas tomadas con microdosímetros de silicio expuestos a haces de protones monoenergéticos.
Para calcular distribuciones espaciales de magnitudes microdosimétricas con el formalismo del artículo II, se necesita
determinar el espectro del haz, o más precisamente la fluencia espectral, en cada punto. El artículo IV proporciona
un formalismo independiente para calcular fluencias espectrales en haces de protones como función de la
profundidad y la posición lateral respecto al eje del haz en agua líquida. Este formalismo, junto a los modelos
microdosimétricos del artículo II, permite la determinación tridimensional de magnitudes microdosimétricas.
El artículo V ilustra la combinación de los formalismos de los artículos II y IV para producir cálculos de distribuciones
de dosis en un sistema de planificación de tratamientos. Estos resultados se comparan con simulaciones MC
independientes y cálculos analíticos clínicamente validados, mostrando resultados consistentes. Así, se proporciona
una validación parcial de los modelos microdosimétricos presentados en el artículo II. A partir de estos dos
formalismos también es posible obtener cálculos microdosimétricos de la dose-mean lineal energy (yD) y el doseaveraged
restricted LET, lo que se muestra en el artículo VI. Además, las relaciones de la teoría de microdosimetría
entre LET y lineal energy se reevalúan, y se propone y testea una nueva ecuación para calcular restricted LET.
Finalmente, en el artículo VII, se usa el Microdosimetric Kinetic Model (MKM) para calcular distribuciones de RBE
basadas en las magnitudes físicas obtenidas en los artículos previos. Se evalúa igualmente un nuevo método para la
determinación del tamaño del dominio relevante para diferentes líneas celulares de acuerdo con el MKM.
Aunque el desarrollo de esta tesis se refiere específicamente a haces terapéuticos de protones, cálculos similares
para otras partículas son posibles siguiendo procedimientos y formalismos análogos, lo cual representa una de las
líneas de investigación más interesantes a partir de este trabajo. | es |
dc.description.abstract | Proton radiotherapy as a treatment for cancer is increasingly used worldwide. The main current clinical indications
for proton therapy are based on the physical properties of proton beams, assuming a constant relative biological
effectiveness (RBE) of 1.1 with respect to x-ray radiotherapy. However, there is growing evidence of variable RBE
depending on the linear energy transfer (LET) of the proton beam, that, in turns, depends on the relative position
along the proton track. Additionally, RBE depends on the considered endpoint and the biological properties of
different cells and tissues as well as on the dose fractionation scheme. Microdosimetry is a theory that studies the
patterns of energy deposition in microscopic sized volumes. By determining the local concentration of the energy imparted at such dimensions, it is possible to obtain LET and other quantities characterizing the quality of the beam
from this theory. Eventually, the study of the distributions of energy imparted at this scale may lead to a better
understanding of the variable RBE for proton beams, allowing for potential clinical application.
This thesis is a collection of seven studies in that direction. As a whole, they are intended to make the connection
between elementary description of proton-matter interaction in microdosimetric terms and its clinical application.
In this sense, paper I studies the basics of microdosimetric quantities and their dependencies, and focuses on how
to produce correct microdosimetric results from Monte Carlo (MC) simulations. Paper II uses the methodology
explained in Paper I to generate monoenergetic distributions for protons of energies up to 100 MeV. These
distributions are used to create analytical models to derive microdosimetric quantities in polyenergetic beams
instead performing dedicated MC simulations for each individual case. In paper III, the results produced by these
analytical models for monoenergetic beams are compared to actual measurements with silicon-based
microdosimeters exposed to monoenergetic proton beams. In order to calculate spatial distributions of
microdosimetric quantities with the formalism and functions developed in paper II, the determination of the beam
spectra at each point, or spectral fluence, is required. Paper IV provides an independent formalism to calculate
spectral fluences in clinical proton beams as a function of depth and lateral position in water. This formalism, in
conjunction with the microdosimetry models proposed in paper II, allows for determination of 3D distributions of
microdosimetric quantities.
Paper V illustrates the combination of formalisms from papers II and IV to produce calculation of dose distributions
in a treatment planning system (TPS). These results are compared to independent MC simulations with the code
MCsquare and analytical calculations clinically validated from a commercial TPS, showing consistent results. This
provided a partial validation of the microdosimetric models presented in paper II. Microdosimetric calculations of
dose-mean lineal energy (yD), and both unrestricted and restricted dose-averaged LET can also be obtained from the
combination of the formalisms presented in papers II and IV, as shown in paper VI. Additionally, relations between
LET and lineal energy in microdosimetry are revisited, and a new equation to calculate restricted LET is proposed
and tested against the previously established one. Finally, in paper VII, the Microdosimetric Kinetic Model (MKM) is
used to calculate RBE distributions based on the physical quantities derived in previous chapters. A method for the
determination of the ideal site dimension for different cell lines is proposed and its impact on the RBE results is
assessed.
Although the formulations here shown are specifically referred to protons, microdosimetric computations for other
heavier particles may follow the same procedures and formalisms, which represents one of the most interesting
directions of further development from this work. | es |
dc.format | application/pdf | es |
dc.format.extent | 189 | es |
dc.language.iso | eng | es |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | * |
dc.title | Microdosimetry applied to proton radiotherapy | es |
dc.type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | es |
dcterms.identifier | https://ror.org/03yxnpp24 | |
dc.type.version | info:eu-repo/semantics/publishedVersion | es |
dc.rights.accessRights | info:eu-repo/semantics/openAccess | es |
dc.contributor.affiliation | Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear | es |
dc.date.embargoEndDate | 2022-09-21 | |
dc.publication.endPage | 176 | es |
dc.description.awardwinning | Premio Extraordinario de Doctorado US | |