Simulación Monte Carlo de radioterapia de dosis bajas con haces de kilo voltaje, para tratar neumonía inducida por Covid 19

Abstract

El objetivo de este trabajo de investigación fue realizar simulaciones Monte Carlo de Radioterapia de dosis bajas (LDRT) con haces de kilo voltaje administrando dosis de 0.3, 0.5 y 1.0 Gy a los pulmones, para determinar la idoneidad dosimétrica y contar con un método alternativo de tratamiento de pacientes con neumonía por COVID-19, para ello se utilizará un maniquí antropomórfico matemático, imágenes de tomografía computarizada de un paciente infectado con COVID – 19 y espectros de rayos X producidos por los sistemas de diagnóstico por imágenes con diferentes HVL (capa hemirreductora). Para los cálculos de las distribuciones de dosis absorbida se usó el MC mediante el código PENELOPE v2014 (Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons). Se simularon 2 escenarios. En el escenario 1 se utilizó el maniquí matemático, con una proyección postero-anterior en la región torácica, un tamaño de campo de 25 × 25 cm2 para cubrir los dos pulmones, una distancia fuente superficie (SSD) de 50 cm y una calidad del haz de rayos X de 100 kVp y HVL de 3.5 mm de Al. Para el escenario 2 se utilizó las imágenes de TC y parámetros típicos de un sistema de diagnóstico por rayos X BV Pulsera (Arco en C), los tamaños de campo y SSD para exposiciones AP y PA son de 18.6 cm de diámetro y 60 cm, para exposiciones laterales (izquierdo y derecho) son de 15.5 cm de diámetro y 50 cm respectivamente. se simularon distribuciones de dosis para distintas configuraciones de tratamiento: AP, PA, AP/PA, LTI/LTD, LTI/LTD/AP, LTI/LTD/PA y LTI/LTD/AP/AP, para una calidad del haz de rayos X de 100 kVp y HVL de 5.96 mm de Al. Para el escenario 1, los resultados muestran que el 95% y 97% de los volúmenes pulmonares derecho e izquierdo respectivamente, están cubiertos por la línea de isodosis del 15%. Para las prescripciones de 0.3, 0.5 y 1.0 Gy, la dosis absorbida máxima en la piel sobrepasan el umbral de dosis de eritema transitorio de 2.0 Gy en 44%, 140% y 380%, y la dosis absorbida máxima en el corazón también sobrepasa el umbral de dosis de 0.5 Gy en 6%, 76% y 252%. Las dosis absorbidas máximas en los otros órganos críticos están por debajo de los umbrales de dosis. Para el escenario 2, para un esquema de tratamiento de 4 campos y una dosis de prescripción de 0.3 Gy en los pulmones, solo habría detrimento en el corazón excediendo el valor umbral de dosis en 28%, la dosis absorbida máxima en otros órganos críticos no excede los umbrales de dosis para algún detrimento. Teniendo el 95% y 97% de los volúmenes pulmonares derecho e izquierdo cubiertos por la línea de isodosis del 50%. Los resultados de este estudio indican que un fluoroscopio de brazo en C, debería ser capaz de administrar un tratamiento LDRT de 0.3 Gy dosimétricamente eficaz a un paciente infectado por COVID-19, para un esquema de tratamiento de 4 campos.

The objective of this research work was to perform Monte Carlo simulations of Low Dose Radiotherapy (LDRT) with kilovoltage beams administering doses of 0.3, 0.5 and 1.0 Gy to the lungs, to determine the dosimetric suitability and to have an alternative method of treatment of patients with COVID-19 pneumonia, for which a mathematical anthropomorphic mannequin will be used, computed tomography images of a patient infected with COVID-19 and X-ray spectra produced by diagnostic imaging systems with different HVL (Half value layer). For the calculations of the absorbed dose distributions, the MC was used through the PENELOPE v2014 code (Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons). Two scenarios were simulated, in scenario 1 the mathematical dummy was used, with a postero-anterior projection in the thoracic region, a field size of 25 × 25 cm2 to cover the two lungs, a source surface distance (SSD) of 50 cm and an X-ray beam quality of 100 kVp and HVL of 3.5 mm Al. For scenario 2, CT images and typical parameters of an X-ray diagnostic system BV Pulsera (C-arc) were used, the Field and SSD sizes for AP and PA exposures are 18.6 cm diameter and 60 cm, for lateral (left and right) exposures they are 15.5 cm diameter and 50 cm. dose distributions were simulated for different treatment configurations: AP, PA, AP/PA, LTI/LTD, LTI/LTD/AP, LTI/LTD/PA and LTI/LTD/AP/AP, for a quality of the beam of rays X of 100 kVp and HVL of 5.96 mm of Al. For scenario 1, the results show that 95% and 97% of the right and left lung volumes, respectively, are covered by the 15% isodose line. For the 0.3, 0.5, and 1.0 Gy prescriptions, the maximum absorbed dose to the skin exceeds the transient erythema dose threshold of 2.0 Gy by 44%, 140%, and 380%, and the maximum absorbed dose to the heart also exceeds the transient erythema dose threshold. dose threshold of 0.5 Gy in 6%, 76% and 252%. The maximum absorbed doses in the other critical organs are below the dose thresholds. For scenario 2, for a 4-field treatment schedule and a prescription dose of 0.3 Gy to the lungs, there would only be detriment to the heart exceeding the dose threshold value by 28%, the maximum absorbed dose to other critical organs not exceeds dose thresholds for some detriment. Having 95% and 97% of the right and left lung volumes covered by the 50% isodose line. The results of this study indicate that a C-arm fluoroscope should be able to deliver a dosimetrically effective 0.3 Gy LDRT treatment to a COVID-19 infected patient for a 4- field treatment schedule.