Sin filtro… puro sabor

Hace unos años la compañía Varian Medical System presentaba su nuevo acelerador, el Varian Truebeam. El nombre (que viene a significar “hazverdadero”, así, todo junto) hacía referencia al hecho de que esta nueva máquina podía suministrar haces de radiación de fotones que no utilizan un filtro aplanador y por tanto inciden sobre el paciente tal y como han sido producidos. También Elekta ha introducido esta opción en los aceleradores que fabrica. Este nuevo equipo aporta otras muchas novedades y ventajas técnicas, que si bien estaban presentes en modelos anteriores han sido en este modelo mejoradas, como por ejemplo la capacidad de hacer arcoterapia volumétrica, su colimador multilámina de alta resolución espacial y alta velocidad y su integración de sistemas de imagen de mayor calidad y rapidez para el guiado del tratamiento. El equipo se ha convertido en el buque insignia de la marca y, siendo Varian el principal vendedor mundial de aceleradores, no es de extrañar que vaya poco a poco conquistando un buen número de centros de radioterapia, aunque todavía quede un tiempo para que sea un estándar. La unidad, por supuesto, no solo suministra haces no filtrados. Mantiene, como no podía ser de otra forma, la disponibilidad de haces “convencionales” (filtrados). Lo contrario hubiera sido un atrevimiento por parte del fabricante, pues habría significado una brusca ruptura con el pasado, difícil de asumir por los profesionales después de decenios de experiencia con haces “planos”. Pero sin entrar en polémicas, intentaré sencillamente glosar (en su sentido de esclarecer y no de malinterpretar con alguna siniestra intención) las razones por las que, a mi parecer, estos haces sin filtro han sido implementados en esta unidad. E intentaré responder a la pregunta ¿por qué producir un haz sin filtrar? más allá de la respuesta trivial “porque podemos” (que encierra más verdad de la que aparenta).

Acelerador Varian Truebeam  del IMOMA (Asturias)

Acelerador Varian Truebeam del IMOMA (Asturias)

¿Por qué hasta ahora los haces se filtraban?

La producción de fotones en un acelerador de electrones se basa en el fenómeno conocido como frenado radiativo. Al interaccionar con los campos eléctricos de los átomos de un medio los electrones sufren cambios de dirección y como consecuencia de esa aceleración pierden parte de su energía en forma de radiación electromagnética. El rendimiento de este proceso aumenta cuanto mayor es el número atómico del medio en el que ocurre el frenado. En los aceleradores, una lámina refrigerada de oro o tugsteno, que llamamos blanco (target en inglés), es la encargada de frenar el haz electrónico (empleamos metales para permitir la conducción de los electrones que se detienen y evitar así que la carga se acumule). El proceso de frenado es altamente direccional, es decir, se emiten muchos más fotones en la dirección del haz de electrones incidente que en cualquier otra, de forma que el haz que se produce es mucho más intenso en su centro que en su periferia.  Un haz así no será, en principio, adecuado para tratar los volúmenes anatómicos implicados pues sería muy difícil compensar esa falta de uniformidad incluso empleando muchos haces. Así que será necesario aplanar esos haces para que irradien la anatomía de forma uniforme (ver figura). Para ello la solución convencional consiste en colocar un filtro aplanador, que no es sino un cono de metal considerablemente grueso (más grueso cuanto mayor la energía del haz) de forma que absorbe más fotones en el centro que en la periferia, dando como resultado un haz igualmente intenso en toda su extensión.

Un haz sin filtrar no es adecuado para tratar los volúmenes grandes.

Un haz sin filtrar no es adecuado para tratar los volúmenes grandes.

Filtros aplanadores

Filtros aplanadores

¿Cuales son los inconvenientes de esta solución? Principalmente dos. El primero, que gran parte de los fotones son absorbidos en ese filtro (esa era la intención, claro), pero esto tendrá como efecto colateral que la cantidad de radiación que podemos hacer llegar al paciente se reduce considerablemente, lo que alarga los tiempos de tratamiento, con la incertidumbre de posicionado que eso implica. Tan importante se consideró en un tiempo este problema que se diseñaron aceleradores sin filtro aplanador, sustituyendo este por un haz de electrones barrido que generaba una intensidad uniforme de fotones. Esa solución, técnicamente muy compleja, se abandonó hace ya muchos años (salvo en unos pocos modelos que pueden considerarse hoy verdaderas “rarezas” pues difícilmente encontrará el lector uno en un hospital). Un segundo problema es el hecho de que al estar el haz que se genera en el blanco formado por fotones de diferente energía dentro de un intervalo continuo que va desde cero hasta una energía máxima, aquellos fotones de energía menor se verán más atenuados y esta diferencia será mayor allí donde el filtro es mas grueso. Es decir, que el haz contendrá menos fotones de baja energía en el centro que en la periferia, lo que significa que la región periférica del haz es menos penetrante que la región central, por lo que esa planitud se modifica con la profundidad, obligando a un compromiso entre la planitud inicial y la que necesitaremos en profundidad (ver figura 2). Lo peor es que tener en cuenta estas diferencias en los cáculos de planificación resulta complicado y requiere ciertas aproximaciones que pueden evitarse si el haz tiene la misma energía por doquier.

sin filtro... puro sabor (1)

El haz justamente plano a la entrada (izquierda) se deforma al profundizar por ser menos energético en la periferia que en el centro. Es ligeramente subóptimo a media profundidad y completamente subóptimo a profundidades mayores. En cambio, un haz “sobre-aplanado” (derecha) es ligeramente subóptimo en la entrada  pero produce perfiles óptimos a media profundidad y ligeramente subóptimos a mayor profundidad.

¿Y que ha cambiado para que optemos hoy por eliminar el filtro aplanador?

Lo que ha cambiado es la aparición del colimador multilámina (MLC). Si lo pensamos, la planitud del haz no es tampoco tan deseable como nos parecía hace algunos años. Los volúmenes anatómicos que pretendemos irradiar no tienen formas tan simples y el cuerpo humano está lleno de fuentes de inhomogeneidad: diferencias de densidad, superficies de entrada no planas, etc. El MLC se diseñó para poder obtener, a partir de los haces aplanados del acelerador convencional, haces de intensidad modulada optimizados para adaptarse a la forma de los tumores. Esto se consigue descomponiendo cada campo de radiación en múltiples segmentos que se superponen dando como resultado un haz con regiones de diferente intensidad. Para construir esos segmentos, con forma arbitrarias, elegidas de acuerdo a las necesidades terapéuticas, era casi imprescindible disponer de un colimador que fuera capaz de conformar segmentos de cualquier forma. Obviamente, la modulación de intensidad fue completamente inviable hasta la aparición de potentes ordenadores capaces de realizar los cálculos requeridos en un tiempo razonable.

Un lector suspicaz puede pensar que la realidad es que si se optó inicialmente por la solución de haces aplanados fue, sencillamente, por que un haz plano facilitaba mucho los cálculos necesarios para preparar el tratamiento, que hasta hace poco más de un par de décadas aun realizabamos a mano, y en gran medida esa suspicacia estará justificada.

En un campo de intensidad modulada la fluencia puede adaptarse a los requerimientos de la anatomía y la patología

En un campo de intensidad modulada la fluencia puede adaptarse a los requerimientos de la anatomía y la patología

Ahora bien, si podemos utilizar un MLC para modular la intensidad de un haz plano, podríamos también utilizarlo para modular un haz apicado (como el generado en ausencia de filtro) y aplanarlo o darle la modulación de intensidad requerida. Cabe pensar que en general esta forma de proceder optimizará el rendimiento de la unidad ¿para que aplanar un haz con un filtro si luego vamos a modularlo en intensidad para terminar obteniendo un haz no plano? ¿no será mejor partir directamente de un haz no filtrado para obtener la modulación final? En el peor de los casos, aquellos en los que el haz óptimo fuera el haz perfectamente plano, la solución de aplanarlo mediante modulación con MLC no tendrá, en general, un rendimiento peor que la del uso de filtro, y evitaremos esos problemas relacionados con la diferente energía centro-periferia. Para campos muy pequeños, la diferencia de planitud introducida por la ausencia de filtro no significará un gran problema, y obtendremos una gran ventaja al disponer de una mayor cantidad de fotones. Los tratamientos se acortan, y, aunque esto podría tener repercusiones negativas relacionadas con el efecto que pequeños movimientos fisiológicos tendrán en la distribución final de dosis (interplay effects), estos parecen compensarse a lo largo del tratamiento y las distintas sesiones, y no parece ser un problema cuando usamos muchas fracciones pequeñas o pocas o incluso una sola fracción de dosis muy altas, que son las dos situaciones comunes. Cuanto mayor es el campo, mayor la falta de planitud y la diferencia de intensidad entre la región central y la periferia y más trabajo deberá hacer el MLC para conseguir una intensidad plana o modulada de forma óptima. Así que el haz sin filtro pierde en estas situaciones mucho de su interés. La cuestión es determinar, con tanto acierto como nos sea posible, cuales son los tratamientos claramente beneficiados por la ausencia de filtro. No es fácil, y hoy día responder esa pregunta sigue siendo en gran parte una cuestión de ensayo comparativo entre planes.

Coda humorística

Siempre que pienso en este asunto me acuerdo de una anécdota que me contó un buen amigo. Hace unos años en su pueblo, discutían en el pleno del ayuntamiento sobre el cese de las corridas de toros en las fiestas del patrón, algo que algunas asociaciones habían solicitado. Defensores y detractores esgrimían sesudos argumentos a favor y en contra de “la fiesta”: la cultura, el arte, la tradición…, se oponían al amor por los animales, el dolor del toro, la violencia, … y así hasta que el alcalde, defensor de la continuidad, tomó la palabra para aleccionar a su pueblo, alzados el cuerpo y la voz, con el siguiente discurso memorable:  “paisanos, algunos aquí preguntan ¿por qué hacer corridas de toros?… (silencio dramático) … y yo digo… (otro silencio) ¡¡¡¡¡¿por qué noooo?!!!!!”. En ese momento, los partidarios del alcalde rompieron en una ovación tan sonora y excitada que aquel debate terminó de forma súbita. El alcalde no hacía más que poner sobre la mesa un hecho incontestable, realizar corridas era posible, legal y posible. Tal vez sea una asociación no justificada, de hecho no es más que una broma, pero estoy convencido de que mucha gente considera que para  responder a la pregunta “¿por qué quitar el filtro?” no hay muchos más argumentos que ese sencillo “¿por qué no?”. Si ese era tu caso, querido lector, espero que la lectura de este post te ayude a cambiar de opinión.

 

Toro-elPuerto (1)

4 Respuestas a “Sin filtro… puro sabor

  1. Y yo tengo una duda, si este equipo es en teoría más sencillo que otro con filtro aplanador (ahora no debe cumplir la estrictas restricciones de éstos últimos) ¿qué justifica su incremento de precio? Nos basamos en que el último modelo es un 30% más caro que el anterior y listo ¿no?

  2. ¿en qué sentido es más sencillo este equipo?, de hecho, como comento, “contiene” un equipo “de los otros”, con dos energías filtradas y tres sin filtro, y cinco de electrones, aparte del resto de “gadgets” mejorados en imagen, colimación, mecánica y software. Y da muchas más prestaciones en general. En una economía de mercado, el coste de producción es una parte, y no la más importante, del precio final de un producto. Son las prestaciones lo que cuenta. Pero en cualquier caso, sin atender al progresivo abaratamiento de la producción por el aumento del rendimiento de los procesos productivos (y este abaratamiento repercute principalmente, y sobre todo en un primer momento, en beneficio del productor, como es razonable), no creo que este modelo sea más barato de producir que lo que sería el modelo equivalente de la generación anterior. Puedes estar seguro de que hoy es más barato disponer de uno de estos equipos que lo que fue disponer de un betatrón en los años 60. Mucho más barato. Y con prestaciones incomparables.

  3. Hola de nuevo Manolo. Parece que tu post sea una continuación de la fructífera discusión (https://desayunoconfotones.org/2014/02/04/la-ultima-guaracha-tecnologica/) que tuvimos hace unas semanas
    Y con la misma sana intención que entonces, me gustaría hacer varios comentarios/aclaraciones. Aunque sé de sobra que sabes que no es así, se podría concluir de tu trabajo que los planificadores no tienen en cuenta adecuadamente la variación energética que introduce el filtro aplanador. No obstante, si exceptuamos las situaciones en que se pierde el equilibrio electrónico –que también afectarían al caso en que el espectro energético de los fotones fuese más estrecho- los algoritmos de convolución/superposición de cono colapsado que utilizan la mayor parte de los sistemas comerciales en la actualidad, consiguen resultados comparables a los valores reales, bien obtenidos a partir de medidas experimentales o a partir de simulaciones Monte Carlo, con desviaciones del orden del 1%. Y esto es a fin de cuentas lo que se pretende.
    Es cierto que el ajuste de los parámetros de las funciones analíticas que reproducen el comportamiento del acelerador se hace más atendiendo a que consigan un buen acuerdo con las curvas empíricas que a consideraciones físicas pero, en este caso, en aras de la rapidez y la precisión, el fin justifica los medios.
    Por otro lado, en algún momento del post haces una afirmación en el sentido de que conseguir un haz plano a partir de la modulación no puede ser peor que conseguirlo a partir de un filtro. Eso sería cierto cuando el área que haya que homogeneizar sea pequeña. En caso contrario, se necesitaría un mayor número de unidades de monitor alargando innecesariamente el tratamiento y añadiendo radiación parásita.
    Otro aspecto que me gustaría comentar es que, aunque queda fuera de toda duda que Varian fabrica unos aceleradores excelentes, Elekta también ofrece la posibilidad de tratar sin filtro aplanador. No soy usuario ni de esta marca, ni de Varian pero, si se menciona una casa comercial a la que se atribuye una determinada innovación técnica, se debería asimismo suministrar información acerca de los potenciales competidores si se pretende mantener la imparcialidad de este blog.
    Y, para acabar, me parece acertadísima la anécdota que nos cuentas. Si tienes la posibilidad de disponer de filtro aplanador y puedes permitirte económicamente también la opción de poder aprovechar las ventajas que ofrece tratar sin él, ¿por qué no?
    Un fuerte abrazo.

    • Bienvenidos sean los comentarios que ayudan a aclarar y puntualizar todo lo que en el blog se dice. De eso se trata.
      Respecto a la planificación, siento haber transmitido esa idea y si ha sido así no ha sido mi intención, pues yo mismo digo que esa variación espectral es tenida en cuenta en los planificadores, aunque complica los cálculos y obliga a asumir “ciertas aproximaciones” lo cual me parece que no está muy alejado de lo que tú mismo dices.
      Respecto a lo de que aplanar el haz a partir del movimiento del MLC sea a lo sumo igual de costoso que aplanarlo con un filtro, no creo que ande muy desencaminado, creo que la confusión puede venir si hablamos de unidades monitor. Yo no he hablado de unidades monitor, dado que compararlas en uno y otro caso resulta complicado, pues la modulación se realiza en cada caso antes o después de la cámara monitora encargada de contabilizar esas unidades. Yo hablo de rendimiento, es decir, de la cantidad de electrones que el acelerador necesita acelerar para producir el haz plano en uno u otro caso, y este rendimiento será muy parecido en ambos casos (salvo pequeñas diferencias acarreadas por las capacidades mecánicas del MLC). Otro asunto es el del tamaño de campo, que también menciono explícitamente, aclarando que en general, el uso de haces sin filtro será indicado, especialmente, para haces no demasiado grandes (signifique esto lo que signifique, que está por aclarar).

      Tampoco he dicho que Varian sea el único fabricante que dispone de estos haces. Sí puede dar la sensación, aunque tampoco está dicho explicitamente, de que fue el primero. Aunque no lo digo en el post, reconozco que tal idea estaba en mi mente. No sé si estoy equivocado en eso, si es así bastará con que algún lector lo aclare para que el post se modifique a fin de eliminar cualquier confusión posible.

      Por lo demás creo que tu comentario me da la oportunidad de aclarar esos aspectos dudosos de mi escrito (que por lo pronto modificaré para aclarar que también Elekta cuenta con esa opción), por lo que te agradezco tu ayuda.

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