Diseño y desarrollo de un simulador del movimiento de un tumor en el pulmón durante el ciclo respiratorio para la mejora del tratamiento mediante técnicas de radioterapia

Abstract

El cáncer es la segunda principal causa de muerte a nivel mundial, siendo el de pulmón el más común y uno de los más agresivos. El cáncer de pulmón posee un elevado índice de mortalidad, siendo la principal causa de muerte por tumores en Europa. Para su tratamiento, existen diversas técnicas, entre las que la radioterapia destaca por ser una de las menos invasivas para el paciente.

En el tratamiento del cáncer de pulmón mediante radioterapia encontramos que uno de los inconvenientes es que el tumor se mueve continuamente con el ciclo respiratorio del paciente. Esto provoca que, para poder irradiar en todo momento sobre el objetivo, el tratamiento debe aplicarse en una zona de mayor tamaño, afectando así una parte de tejido pulmonar sano.

En estos casos, es posible reducir los efectos secundarios de la radioterapia realizando un seguimiento del tumor y planificando el tratamiento para que los márgenes de error sean más pequeños. En este trabajo, se presenta un dispositivo que simula el movimiento del tumor durante el ciclo respiratorio. De esta forma, antes de llevar a cabo el tratamiento, los radiólogos podrán conocer el área realmente afectada y el recorrido del tumor. Asimismo, será posible planificar el tratamiento y medir las dosis de radiación que el paciente recibirá para que el tratamiento sea menos nocivo, ya que se podrá minimizar la zona a irradiar.

Según la bibliografía, los tumores siguen una trayectoria semejante a un ciclo de histéresis durante la respiración de los pacientes. Este ciclo del sistema respiratorio humano ha sido estudiado para obtener su ecuación característica. El nuevo prototipo ha sido diseñado y simulado utilizando el software de modelado 3D Siemens Unigraphics NX, para posteriormente fabricarlo mediante técnicas de impresión 3D. El control del mismo se ha llevado a cabo mediante un microcontrolador Arduino con el objetivo de diseñar un prototipo robusto y preciso en su funcionamiento, que ayude a la planificación individualizada del tratamiento de radioterapia.

Cancer is one of the main causes of death worldwide, being lung cancer one of the most common and aggressive ones. Lung cancer have a high rate of mortality, being the principal cause of death because of tumours in Europe. There are several techniques for the treatment of lung cancer, among which radiotherapy is one of the most effective and less invasive for patients.

However, radiotherapy techniques for treatment of lung cancer, has associated difficulties due to the movement of the target tumour with the respiratory cycle of the patient. That is why radiation should be applied on a bigger area in order to ensure that the tumour is being irradiated, even though it affects healthy lung tissue.

It is possible to reduce radiotherapy side effects by effectively tracking tumours and reducing target margins. In this project, it is presented a device that follows the movement of a lung tumour that can be used by radiologist to know the affected area and tumour trajectory. Furthermore, it will be possible to plan the treatment and measure the radiation doses that patient receives in order to make it less harmful, reducing the radiated zone.

According to bibliography references, tumours follow a path similar to a hysteresis loop during the respiration of patients. For this purpose, this loop of human breathing was studied to obtain its characteristic equation. The new device was designed using the 3D modelling software Siemens Unigraphics NX. Then, it was produced through 3D printing techniques. The control of the new model was executed using an Arduino microcontroller in order to achieve a sturdier and more precise prototype that helps during the planning of the radiotherapy treatment.

El càncer es la segon principal causa de mort a nivell mundial, sent el de pulmó el més comú i un dels més agressius. El càncer de pulmó té un elevat índex de mortalitat, sent la principal causa de mort per tumors a Europa. Per al tractament, existeixen diverses tècniques, entre les quals destaca la radioteràpia per ser una de les menys invasives per al pacient. En el tractament del càncer de pulmó mitjançant radioteràpia, trobem que un dels inconvenients és que el tumor es mou de manera contínua amb el cicle respiratori del pacient. Aquest efecte provoca que, per a poder irradiar en tot moment l’objectiu, el tractament deu aplicar-se en una zona major de la necessària, veient-se afectada una part de teixit pulmonar sà. En aquests casos, es possible reduir els efectes secundaris de la radioteràpia realitzant un seguiment del tumor i planificant el tractament per a que els marges d’error siguen mes xicotets. En aquest treball, es presenta el disseny d’un dispositiu que simula el moviment del tumor durant el cicle respiratori. D’aquesta forma, abans de portar a terme el tractament, els radiòlegs podran conèixer l’àrea afectada i el recorregut del tumor. Així mateix, serà possible planificar el tractament i mesurar les dosis de radiació que el pacient rebrà per a que el tractament siga menys nociu, ja que es podrà minimitzar la zona irradiada. Segons la bibliografia, els tumors segueixen una trajectòria semblant a un cicle d’histèresis durant la respiració del pacients. Aquest cicle del sistema respiratori humà, ha sigut estudiat per a l’obtenció de la seua equació característica. El nou prototip ha sigut dissenyat i simulat utilitzant el software de modelat 3D Siemens Unigraphics NX, per a posteriorment, fabricar-lo mitjançant tècniques d’impressió 3D. El control del mateix s’ha portat a terme amb un microcontrolador Arduino amb l’objectiu de dissenyar un prototip robust i precís en el seu funcionament, que ajude a la planificació individualitzada del tractament de radioteràpia.