Modelización y análisis del cabezal de una máquina de protonterapia mediante el método Monte-Carlo

Abstract

[ES] La radioterapia es uno de los tratamientos fundamentales para la inmensa mayoría de enfermedades oncológicas contribuyendo en el 40% de las curaciones de pacientes de cáncer. Es debido a su importancia, que ha experimentado un gran desarrollo tecnológico en busca de una mayor eficacia, desarrollando nuevas técnicas y tecnologías, concretamente, se está extendiendo el uso de una tecnología radioterápica distinta a la radioterapia con fotones convencional conocida como protonterapia. La protonterapia es un tipo de radioterapia que utiliza protones de alta energía para irradiar tejidos tumorales con el fin de provocar la muerte de las células malignas y así perseguir la cura de la enfermedad. La ventaja del uso de protones radica en cómo éstos interaccionan con la materia, una forma distinta a la de los fotones y que es ventajosa para ciertos tumores. Los protones son producidos, acelerados y concentrados en forma de haz y antes de irradiar al paciente dicho haz debe ser de la energía y sección adecuadas para obtener el resultado deseado del tratamiento. La máquina precisa pues de un componente que cumpla esta función; y este es el cabezal. El presente trabajo realiza un estudio de la arquitectura y funcionamiento del cabezal de una máquina de protonterapia que irradia una cuba de agua simulando ésta a un paciente. Para elaborar la geometría del cabezal se utiliza el programa Abaqus y la simulación de las partículas se calcula mediante el método numérico Monte Carlo con el programa MCNP6, instalado en el cluster del Departamento de Ingeniería Química y Nuclear, bajo sistema operativo Linux. Finalmente se analizan los resultados con la ayuda del programa ParaView y otros.

[CAT] La radioteràpia és un dels tractaments fonamentals per a la immensa majoria de malalties oncològiques contribuint en el 40% de les curacions de pacients de càncer. És degut a la seua importància, que ha experimentat un gran desenvolupament tecnològic a la recerca d'una major eficàcia, desenvolupant noves tècniques i tecnologies, concretament, s'està estenent l'ús d'una tecnologia radioteràpica diferent a la radioteràpia amb fotons convencional coneguda com protonterapia. La protonterapia és un tipus de radioteràpia que utilitza protons d'alta energia per a irradiar teixits tumorals amb la finalitat de provocar la mort de les cèl·lules malignes i així perseguir la cura de la malaltia. L'avantatge de l'ús de protons radica en com aquests interaccionen amb la matèria, una forma diferent a la dels fotons i que és avantatjosa per a uns certs tumors. Els protons són produïts, accelerats i concentrats en forma de feix i abans d'irradiar al pacient aquest feix ha de ser de l'energia i secció adequades per a obtindre el resultat desitjat del tractament. La màquina precisa entonces d'un component que complisca aquesta funció; i aquest és el capçal. El present treball realitza un estudi de l'arquitectura i funcionament del capçal d'una màquina de protonterapia que irradia una cuba d'aigua simulant aquesta a un pacient. Per a elaborar la geometria del capçal s'utilitza el programa Abaqus i la simulació de les partícules es calcula mitjançant el mètode numèric Monte Carlo amb el programa MCNP6, instal·lat en el cluster del Departament d'Enginyeria Química i Nuclear, sota sistema operatiu Linux. Finalment s'analitzen els resultats amb l'ajuda del programa ParaView i altres.

[EN] Radiation therapy is one of the fundamental treatments for the vast majority of oncological diseases, contributing to 40% of cancer patient recoveries. Due to its importance, it has undergone significant technological development in search of greater effectiveness, leading to the development of new techniques and technologies. Specifically, the use of a different radiotherapeutic technology known as proton therapy is being expanded. Proton therapy is a type of radiation therapy that utilizes high-energy protons to irradiate tumour tissues in order to induce the death of malignant cells and pursue the cure of the disease. The advantage of using protons lies in how they interact with matter, which differs from photons and is advantageous for certain tumours. Protons are produced, accelerated, and focused into a beam, and before irradiating the patient, the energy and appropriate beam section must be achieved to obtain the desired treatment outcome. The machine thus requires a component that fulfils this function, and that is the nozzle. This study examines the architecture and operation of the nozzle of a proton therapy machine that irradiates a water tank, simulating a patient. The nozzle's geometry is developed using the Abaqus program, and particle simulation is calculated using the Monte Carlo numerical method with the MCNP6 program, installed in the cluster of the Department of Chemical and Nuclear Engineering, under the Linux operating system. Finally, the results are analyzed with the help a software called ParaView and others.