Detección y localización acústica del pico de Bragg para monitorización en hadronterapia

Abstract

[ES] En la última década, la terapia con haces de partículas pesadas (hadrones) ha sido una de las líneas de investigación con mayores estudios y avances en medicina nuclear. El número de centros de terapia con haces de partículas pesadas y los resultados en tratamiento especializado en tumores en la infancia cuando la cirugía no es el método más seguro, revelan una mejora sustancial frente a la radiación clásica con electrones y fotones. Así, el uso de protones como uno de los principales candidatos en hadronterapia, plantea retos importantes en la monitorización y localización de la deposición de energía durante la sesión de radiación en el paciente, pues implica procesos complejos de simulación y localización de las partículas al final de su recorrido. El objetivo de esta tesis es, por tanto, evaluar el conjunto de herramientas necesarias para estudiar los procesos de generación del haz, de su comportamiento en el medio, y la localización de este por medio de tecnologías basadas en métodos analíticos, numéricos y experimentales sobre el efecto termoacústico. Para ello se plantean cuatro capítulos que describen cada uno de los métodos que intervienen en el objetivo de localización y un capítulo final que resume un caso específico en la detección y localización del pico de Bragg.

El capítulo I presenta un análisis del estado del arte sobre las estadísticas mundiales de la enfermedad del cáncer, de su implicación en la sociedad, de los métodos actuales de diagnóstico, tratamiento y monitorización que desvelan la necesidad de estudiar nuevas técnicas en terapia de hadrones. Se presenta, además, la hadronterapia desde un punto de vista tecnológico, donde se definen los sistemas de generación, emisión y posicionamiento del haz. El capítulo II enmarca los aspectos físicos que describen los procesos que dan lugar al modelo analítico del pico de Bragg, de su implicación en los modelos termoacústicos y una comparativa de resultados experimentales con simulaciones basadas en la discretización del modelo analítico y modelos Monte Carlo. Así, el capítulo III define el efecto piezoeléctrico y su implicación en la optimización de cerámicas piezoeléctricas. Para ello, esta tesis basa los resultados en el comportamiento del coeficiente de acoplamiento electromecánico para modos de vibración en baja frecuencia. Esto permite delimitar los resultados en términos de la geometría del material PZT. Siguiendo el camino de la optimización, se muestran medidas experimentales y simuladas sobre el comportamiento en sensibilidad de diferentes dispositivos piezoeléctricos. La parte conceptual y experimentación se completan con el capítulo IV. En este, las herramientas para el tratamiento de las señales acústicas estudiadas en los capítulos anteriores son presentadas y aplicadas a señales experimentales. Se define, además, los métodos de localización basados en métodos numéricos de resolución de ecuaciones diferenciales, así como la aplicabilidad de estos en experimentación y simulación con el fin de comparar resultados de posicionamiento y coste computacional. Finalmente, el capítulo V se muestra como el resultado de los métodos, herramientas y procesos descritos en los anteriores capítulos. Se presenta un caso específico para el cual, se ha llevado a cabo simulaciones Monte Carlo y FEM con la finalidad de presentan una alternativa válida a la detección y localización del pico de Bragg en el tejido cerebral teniendo en cuenta aspectos de generación y propagación de señal en las capas que componen el medio antes de llegar a la superficie del sensor piezoeléctrico. Este marco teórico y experimental unifica diferentes procesos con la única finalidad de presentar herramientas que permitan el progreso de la ciencia en medicina nuclear aplicada al tratamiento del cáncer.

[CA] En les últimes dècades, la teràpia amb feixos de partícules pesades (hadrones) ha sigut una de les línies d'investigació amb majors estudis i avanços en medicina nuclear. El número de centres de teràpia amb feixos de partícules pesades i els resultats en tractament especialitzat en tumors infantils quan la cirurgia no és el mètode mes segur, revelen una majoria substancial front a la radiació clàssica amb electrons i fotons. L'ús de protons com un dels principals candidats en hadronterapia, planteja reptes importants en la monitorització i localització de la deposició d' energia durant la sessió de radiació en el pacient, ja que implica processo complexos de simulació i localització de deposició de les partícules al final del seu recorregut. L'objectiu d'aquesta tesi és avaluar el conjunt de ferramentes necessàries per a estudiar els processos de generació del feix, del seu comportament al medi i la localització d'aquest mitjançant tecnologies basades en mètodes analítics, numèrics i experimentals sobre l'efecte termoacustic. Per això, es plantejant quatre capítols que descriuen cadascun dels mètodes que intervenen en l'objectiu de localització i un capítol final que resumeix un cas específic en la detecció i localització del pic de Bragg. A capítol I es presenta un anàlisi de l'estat de 'art sobre les estadístiques mundials d'infermetat del càncer, de la seua implicació en la societat, dels mètodes actuals de diagnòstic, tractament i monitorització que mostren la necessitat d'estudiar noves tècniques en teràpia d'hadrons. A més, es presenta l'adronterapia des d'un punt de vista tecnològic, on es defineixen els sistemes de generació, emissió i posicionament del feix. El capítol II emmarca els aspectes físics que descriuen els processos que duen al model analític del pic de Bragg, de la seua implicació en els models termoacústic i iuan comparativa de resultats experimentals amb simulacions basades en la desratització del model analític i models Monte Carlo. Així dones, el capítol III defineix l'efecte piezoelèctric i la seua implicació en la optimització de ceràmiques piezoelèctriques. Per això, aquesta tesi basa els resultats en el comportament del coeficient d'acoblament electromecànic per a modes de vibració en baixa freqüència. Açò permet delimitar els resultat en termes de la geometria del material PZT. Seguint el camí de l'optimització, es mostren les mesures experimentals i simulades sobre el comportament en sensibilitat de diferents dispositius piezoelèctrics. La part conceptual i experimentació es completen al capítol IV. En aquest, les ferramentes per al tractament dels senyals acústics estudiats als capítols anteriors són representats i aplicats a senyals experimentals. Es defineixen, a més els mètodes de localització basats en mètodes numèrics de resolució d'equacions diferencial, això com l'aplicabilitat d'aquests en experimentació i simulació amb la finalitat de comparar resultats de posicionament i cost computacional. Finalment, el capítol V es mostra com a resultat dels mètodes, ferramentes i processos descrits als anteriors capítols. Es presenta un ca específic per al qual s'han dut a terme simulacions Monte Carlo i FEM amb la finalitat de presentar una alternativa vàlida a la detecció i propagació de senyal a les capes que componen el medi abans d'arribar a la superfície del sensor piezoelèctric. Aquest marc teòric i experimental unifica diferent processos amb la única finalitat de presentar ferramentes que permeten el progrés de la ciència en medicina nuclear aplicada al tractament del càncer.

[EN] In the last decade, heavy particle beam therapy (hadrons) has been one of the main lines of research with the most studies and advances in nuclear medicine. The number of heavy particle beam therapy centres and the results of specialized treatment for childhood tumours when surgery is not the safest method, reveal a substantial improvement over classical radiation with electrons and photos. Thus, the use of protons as one of the main candidates in hadrontherapy, poses significant challenges in monitoring and locating energy deposition during the radiation session in the patient, as it involves complex simulation processes and the localization of the particles at the end of their way. The aim of this thesis is, to evaluate the set of tools necessary to study the bem generation processes, their behaviour in the medium, and its localization by means of analytical, numerical and experimental methods on the thermoacoustic effect. To do this, four chapters are presented. Each one of these, describes methods involved in the localization objective and a final chapter that summarized a specific case in the detection and localization od the Bragg Peak.

Chapter I presents a state-of-the-art analysis of global cancer disease statistics, their involvement in society, current diagnostic, treatment and monitoring methods that reveal the need to study new technologies in hadrontherapy. It is presented from a technology point of view, where the beam generation, emission and positioning system are defined. Chapter II frames the physical aspects that describe the processes that give rise to the analytical model of the Bragg Peak, its involvements in thermoacoustic models and a comparison of experimental results with simulations based on the discretization of the analytical model and Monte Carlo models. Thus, Chapter III defines the piezoelectric effect and its implication in the optimization of piezoelectric ceramics. For this, this thesis bases the results on the behaviour of the electromechanical coupling coefficient for low frequency vibration modes. This allows the results to be delimited in terms of the geometry of the PZT material. Following the optimization path, simulated and experimental measurements on the sensitivity behaviour of different piezoelectric device are shown. The conceptual part and experimentation are completed with Chapter IV. In this, the tools for the treatment of acoustic signal studied in the previous chapters are presented and applied to experimental signals. In addition, the localization methods based on numerical methods of solving differential equations are defined, as well as the applicability of these in experimentation and simulation in order to compare positioning results and computational cost. Finally, Chapter V is shown as the result of the method, tools and processes shown described in the previous chapters. A specific case is presented for which Monte Carlo and FEM simulations have been carried out in order to present a valid alternative to the detection and localization of the Brag Peak in brain tissue taking into account aspects of signal generation and propagation in the layers that make up the medium before reaching the surface of the piezoelectric sensor. This theorical and experimental framework unifies different processes with the sole propose of presenting tools that allow the progress of science in nuclear medicine applied to cancer treatment.