Dame un tesla y veré tus partes blandas

Mi avión sobrevuela mar, marismas y campos verdes. Finalmente aterriza casi sobre el mar. ¿Dónde demonios está aquí la tierra firme? Rápidamente recojo mi mochila de la cinta transportadora y me dirijo hacia la terminal de tren del aeropuerto de Schiphol. Sólo 15 minutos me restan para desembarcar en la Centraal Station de Ámsterdam, y en 35 minutos más –sin tener en cuenta el transbordo- alcanzo mi ciudad de destino a orillas del Rin, Utrecht.

Tras estas líneas viajeras te estarás preguntando ¿qué hago en Utrecht si la ciudad espectacular es Ámsterdam? Pues allí me dirigía para asistir al curso de 5 días de la ESTRO (de la siglas en inglés, European Society for Radiotherapy & Oncology) titulado “Advanced Imaging for Physicists” en octubre del 2010. El curso fue uno de los más duros que he realizado, pues día a día el profesorado nos ponía “deberes” que debatíamos en grupo, hubo una valoración de conocimientos al finalizar además de un test online para realizar a la vuelta… puff! Eso que encima cuesta un ojo de la cara sólo la inscripción. Como es habitual en estos cursos europeos, se realiza una visita –o varias- a algún centro. En nuestro caso nos iban a mostrar la línea de investigación que abandera la University Medical Central (UMC) de Utrecht, la cual consistía en conseguir usar las imágenes de resonancia magnética (MRI, de las siglas en inglés Magnetic Resonance Imaging) como guía en los tratamientos de radioterapia (IGRT, de las siglas en inglés Image Guided RadioTherapy).

Bueno, llegados aquí hay que explicar qué es la IGRT, que consiste en el uso de toma frecuente de imágenes durante un tratamiento de radioterapia para mejorar la precisión y exactitud en la administración del mismo. Por aquellos años la IGRT basada en sistemas de kilovoltaje (kV) y megavoltaje (MV) era frecuente en España, pero yo ni había oído hablar de poder acoplar una resonancia magnética a un acelerador de electrones (ALE). Pero, ¿qué es esto? En la visita nos explicaron que la investigación de la UMC estaban involucradas las empresas Elekta, en lo concerniente a los ALE, y Philips en las RMI. Había dos proyectos, el primero estaba estudiando la posibilidad de meter un ALE dentro de una RMI, y el otro justo lo contrario. No nos dejaron tomar fotos, así que sólo te puedo mostrar una foto distendida del curso (foto 1), pero no de los prototipos que nos enseñaros (¡lástima!).

Ahora, cuatro años después, ya se han empezado a tratar pacientes con imagen guiada por MRI (MRIgRT), pero ha sido otro grupo de investigación al otro lado del charco el que se ha adelantado a los holandeses. El 5 de febrero del 2014 [1] (¡sólo hace 3 meses!) la empresa ViewRay [2] anunciaba que eran los primeros en el mundo en empezar a tratar pacientes con RMIgRT. La institución es el Siteman Cancer Center del Barnes-Jewish Hospital and Washington University School of Medicine ubicada en St. Louis (Missouri, EE.UU.). Además de tener la aprobación de la FDA [3] un año antes para el uso de dicha técnica.

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Fig. 1: En un coffee-break junto a Lulzime Daci (centro) y Paco Candela (izquierda)

Pero, ¿qué línea de investigación anteriormente citada fue la ganadora? ¿Te atreves a apostar? Bueno, finalmente la técnica se ha decantado por instalar un ALE -con una sola energía de 6 MV- alrededor de una MRI.
Voy a tratar de ilustrarte la parte técnica, pero para no perder la costumbre te invito a visualizar el vídeo de abajo publicado en el canal de YouTube de ViewRay, que en tan sólo 3 minutos explica cualitativamente el arte.

¡Ay, perdón! ¡Que me olvido de los holandeses! Hace sólo unos días, para ser más precisos el 5 de abril del 2014 [4], anunciaban a bombo y platillos el inicio de la instalación de su primera unidad de MRIgRT en el UMC Utrecht, a la cual le seguirán otras tantas –pero aún no está corroborado, esto es sólo un spoiler, jejeje- como tantos componentes del consorcio de investigación, a saber: the University of Texas MD Anderson Cancer Center (Houston, Texas, EE.UU.), the Netherlands Cancer Institute-Antoni van Leeuwenhoek Hospital (Ámsterdam, Holanda), Sunnybrook Health Sciences Centre (Toronto, Ontario, Canadá) y the Froedtert & Medical College of Wisconsin Cancer Center (Milwaukee, Wisconsin, EE.UU.). Pero a fecha de publicación de este post sólo se están tratando pacientes en St. Louis, el resto aún esperamos verlos arrancar.

Seguro que te estarás preguntando cuál es la ventaja de usar imágenes de RMI frente a los sistemas basados en RX (o también en MV). Ésta radica en la mejor calidad para localizar estructuras en anatomías de partes blandas (como pelvis y abdomen), así como tumores pulmonares (que suelen ser muy móviles). Por tanto se consigue mejorar la adaptación del tratamiento para cada paciente, ya que la visión de la respuesta del tumor es excelente.

Para muestra mira la figura 2: a la izquierda una imagen de una pelvis masculina adquirida por tomografía computarizada (CT) y en la otra por RMI, más o menos de la misma zona, aunque son de distinto paciente. Al igual que con los sistemas “convencionales” de IGRT con RX, la RMIgRT también es capaz de seguir el movimiento del tumor durante la administración del tratamiento y alertar si se superan ciertos límites establecidos.

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Fig. 2. Comparación entre una imagen de una pelvis con CT (izquierda) y con RMI (derecha)

No me quiero liar más y paso ahora a explicarte en qué consiste técnicamente la MRIgRT. El esquema básico se muestra en la fig. 3, lo cual requiere un ALE y una MRI integrados tal que operan simultánea e independientemente. Fíjate en que el orificio cilíndrico de la RMI debe ser cerrado (entre otros motivos para asegurar un campo magnético uniforme), pero a su vez debe disponer de una ventana por la cual dejar paso al haz de 6 MV proveniente del cabezal del ALE, por tanto, nada fácil.

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Fig. 3. Esquema técnico de una unidad de tratamiento de RMIgRT. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

El montaje de la fig. 3 presenta varios hándicaps técnicos, que te los enumero para su posterior discusión y explicarte cómo fueron resueltos

  1. ¿Cómo se resuelve el más que probable acoplamiento magnético entre la MRI y el ALE?
  2. ¿Cómo se consigue la transmisión del haz de fotones del ALE a través del aparataje de la MRI? ¿En qué estado dosimétrico queda ese haz?
  3. Debido a la presencia del campo magnético la trayectoria de los electrones (que tienen carga eléctrica negativa) se ve alterada, produciéndose el efecto retorno de electrones (ERE) que provoca un aumento de la dosis depositada en las interfases tejido-agua. ¿Cómo se resuelve esto?

Explicar todo esto en profundidad requiere conocimientos de electromagnetismo, física nuclear y electrónica, pero como el objetivo de este blog es divulgativo, voy a procurar que sea inteligible a todos los niveles.

Vamos con el primer punto. Para que no interfiera el campo magnético con el haz de electrones acelerados se blinda éste del exterior del anillo de la RMI mediante unas bobinas especiales que contrarrestan el campo magnético (bobinas de compensación, fig. 4). Finalmente el valor del campo magnético alrededor del filamento (donde se producen los electrones por efecto termoiónico) resulta ser inferior a 1 mT (fig. 5), incluso para valores de campos magnéticos de 3 T. Por tanto no representa ningún conflicto significativo.

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Fig. 4. Disposición electrónica de las bobinas (coils) para blindar el ALE del campo magnético (B) producido por la RMI. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

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Fig. 5. Valores medidos del campo magnético (en mT) fuera del anillo de la RMI. Se aprecia un valor inferior a 1 mT en el filamento. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

En segundo lugar, la transmisión del haz a través del sistema MRI provoca un dispersión indeseable del haz de fotones. Para ello se ha ingeniado dos secciones con bobinas que corrigen este problema. La primera son unas bobinas de gradiente alojadas dentro de 8 cm de epoxi y 4 cm de cobre. La segunda es de unos pocos mm de cobre con bobinas de radiofrecuencia. Finalmente se consigue un alto gradiente muy homogéneo (fig. 6). La dispersión añadida es inferior a la producida por una cuña convencional, aunque se esperar reducirla en un futuro próximo.

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Fig. 6. Corrección de la dispersión del haz de fotones a través de la RMI. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

Finalmente queda la más compleja, que es la dosis extra depositada cuando el haz atraviesa una interfase tejido-aire debido a la presencia de un campo magnético en toda la zona de tratamiento. La diferencia entre la existencia, o no, de un campo magnético en la trayectoria de una haz de electrones se resume en la fig. 7.

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Fig. 7. Desviación de un haz de electrones de su trayectoria inicial debido a la presencia de un campo magnético. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

En un haz de fotones, los electrones producidos en las interacciones sucesivas se verán afectados, teniendo lugar un retorno de los mismos hacia el medio (ERE), que sin la presencia del campo magnético escaparían del medio. Por tanto el ERE crea una dosis heterogénea alrededor de las cavidades de aire, que dependerá del número de haces y de su orientación respecto al campo magnético (fig. 8). La manera actual de compensarlo es usar una disposición de haces que neutralicen dicho efecto, como son los haces opuestos, y más sofisticadamente con una técnica de arcoterapia (fig. 9).

 

Fig. 8: Descripción del efecto ERE en una interfase agua-aire-agua. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

Fig. 8: Descripción del efecto ERE en una interfase agua-aire-agua. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

Fig. 9: Simulación Monte Carlo (algoritmo Geant4) para la dosis depositada en una anatomía con interfase tejido-agua con un tratamiento diseñado con haces opuestos. Se aprecian pocas diferencias entre la presencia, o no, de un campo magnético. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

Fig. 9: Simulación Monte Carlo (algoritmo Geant4) para la dosis depositada en una anatomía con interfase tejido-agua con un tratamiento diseñado con haces opuestos. Se aprecian pocas diferencias entre la presencia, o no, de un campo magnético. Cortesía de Jan Lagendijk (UMC Utrecht)

Para saber más, explora estos enlaces y referencias

Notas:

1. http://www.viewray.com/press-releases/viewray-announces-world-s-first-patients-treated-using-mri-guided-radiation-therapy
2. Visita la web corporativa: http://www.viewray.com. Una diferencia importante es que esta técnica irradia con haces de fuentes de 60-Co y no con un ALE, lo cual lo hace bastante ligero. Ver: http://medicalphysicsweb.org/cws/article/research/56179
3. Federal Food and Drug Administration
4. http://www.newscenter.philips.com/main/standard/news/press/2014/20140406-dutch-medical-center-begins-installation-of-worlds-first-high-field-mri-guided-radiation-therapy-system.wpd#.U1zfaPl_t8E

3 Respuestas a “Dame un tesla y veré tus partes blandas

  1. Muy buen post, Xavi. Interesante solución técnica. Se lleva mucho tiempo hablando de combinar un ALE y una RM, más de 10 años, desde que empezaron a estudiarse los efectos que los campos magnéticos tendrían en las distribuciones de dosis. Hoy es una realidad. Decía H.Ford, “tanto si piensas que puedes como si piensas que no puedes, estarás en lo cierto”.

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