¿Las radiografías sirven para algo más que para vernos por dentro? El uso de las películas radiocrómicas como detectores de radiación.

Uno de los problemas fundamentales a los que nos enfrentamos los físicos en el campo de la radioterapia es, sin duda, la medida precisa de la dosis, de forma que se pueda garantizar que las prescripciones de los tratamientos coinciden con la cantidad de energía que recibe realmente el paciente.

Desde hace años se ha tratado de establecer procedimientos detallados que permitan la determinación de la dosis en el medio irradiado, a partir de la carga que se genera en el pequeño volumen de aire de una cámara de ionización. Esto se ha plasmado en los distintos protocolos de calibración, como el que está actualmente recomendado por la Sociedad Española de Física Médica, el TRS-398 de la IAEA.

No obstante, la validez de estos protocolos acaba cuando no se dan las condiciones que aseguran el equilibrio electrónico en el punto de medida. Y la cosa se complica aún más cuando nuestro interés va más allá de conocer la dosis en un punto y pretendemos conocer la distribución de dosis en un plano. Evidentemente, lo habitual es que, en estos casos, no nos encontremos frente a un simple haz abierto, sino que se trate de un campo constituido por una serie de pequeños haces, solapados o no, y diseñados de acuerdo al objetivo que se persigue con el tratamiento.

Esta situación es la que se plantea cuando queremos verificar la solución que nos propone el equipo con el que se diseñan los tratamientos radioterápicos (lo que llamamos sistema de planificación), cuando los requerimientos de la prescripción son muy exigentes y dicha solución es compleja.

Y puede que algún lector se pregunte: ¿por qué tendríamos que verificar el resultado de un equipo que, en principio, está diseñado para realizar esa función? La respuesta, que aún a día de hoy sigue generando polémica es que, a pesar de que los algoritmos de cálculo que emplean los sistemas de planificación son bastante exactos para situaciones estándar en la radioterapia convencional, no hay que olvidar que usan funciones analíticas parametrizadas para haces de radiación también convencionales. Y por tanto puede suceder que, sometidos a diferentes situaciones muy alejadas de las condiciones para las que se ajustó el sistema, el resultado no coincida con la realidad. O dicho de otra forma, que la dosis que se libera realmente al paciente no se ajuste fielmente a la predicción del planificador de tratamientos.

Afortunadamente, lo habitual es que la concordancia entre los sistemas de planificación y de verificación sea bastante buena pero, pensemos que, para el caso en que no lo fuese, la distribución de dosis real en el paciente no sería acorde con los objetivos que se persiguen con la prescripción, de manera que el resultado podría ser totalmente indeseable, bien por subirradiación del tumor o por sobreexposición de órganos de riesgo. Y, lo que es más penoso, ni siquiera sabríamos a que se deberían exactamente las complicaciones clínicas que podrían derivarse de esta discrepancia, ya que no contaríamos con la información de la distribución real de dosis que se liberó en el tratamiento.

Es por ello por lo que, aún cuando podemos encontrar distintos grados de complejidad y exactitud, la conveniencia de la verificación de los tratamientos complejos en radioterapia está bastante aceptada.

Es evidente que, para obtener la distribución de dosis en un plano, necesitamos un detector que nos proporcione información bidimensional. Pero además de esto, debería tener una serie de características que le permitiese afrontar con garantías el complicado proceso al que lo vamos a someter. Entre éstas características, es fundamental que tenga buena resolución espacial, que sea isótropo, que no dependa de la energía y que tenga buena estabilidad y uniformidad.

Entre los detectores que, en mayor o menor grado las cumplen y que se emplean habitualmente en radioterapia, están las películas radiocrómicas y radiográficas, las matrices de diodos o de cámaras de ionización y los dispositivos de imagen portal. ¿Y por qué tantos? Pues porque, como más de uno se habrá imaginado, no hay ninguno perfecto, ni siquiera que responda razonablemente bien a las todas las características deseables para este tipo de detectores.

    Comparativa de las características de los detectores 2D normalmente utilizados en Física Médica

Comparativa de las características de los detectores 2D normalmente utilizados en Física Médica

Creo que es importante hacer mención aquí que a estas características físicas, habría que añadir la posibilidad de lectura directa. Esta opción no se da en las películas, ya que hay que proceder a su revelado, escaneado y análisis, para poder realizar la comparación con la matriz de dosis procedente del planificador.

Centrándonos ya en la dosimetría de películas radiocrómicas, el sistema de detección no sería la placa exclusivamente. Al igual que ocurre con la dosimetría con cámara de ionización, en la que el detector es la propia cámara más el electrómetro asociado, en el caso de la dosimetría fotográfica el equipo de detección lo constituye la película y el escáner que se emplea para su lectura. Y si nos ponemos estrictos, habría que añadir también el programa que analiza la imagen obtenida. El proceso completo de este tipo de dosimetría incluye la irradiación de la película, su revelado, la lectura mediante el escáner, la conversión del valor de píxel a dosis, el procesado y, finalmente, el análisis.

Estas películas, constituidas por un material activo de polímero sintético recubierto por poliéster, se auto-revelan, a diferencia de las radiográficas convencionales que necesitan un proceso químico. Además, pueden manipularse sin necesidad de usar el cuarto oscuro y se pueden recortar y sumergir sin problemas, a la vez que no perturban significativamente la medida por tener un número atómico efectivo similar al del agua. Asimismo, otra característica importante de este tipo de películas es su relativa independencia energética (<10% en el rango kV-MV) y su independencia de la calidad del haz, lo que hace que se puedan usar con relativa precisión en haces de electrones e incluso de protones, al menos en condiciones de bajo LET, es decir, fuera del pico de Bragg.

No obstante, su uso como detector no está exento de problemas ya que son sensibles a la orientación en la que se realiza el escaneo, tienen una coloración post-irradiación, ruido intrínseco, una uniformidad mejorable (tanto en la propia película como en el escáner), la propia estabilidad del escáner y efectos película-lector como anisotropía, polaridad y lo que se conocía no hace mucho como “light scattering”, que no es más que una respuesta no uniforme con la dosis en función de la posición. Hay que señalar que los inconvenientes que son achacables al escáner podrían ser esperables en cierto modo, ya que se emplean equipos convencionales de sobremesa, sin ninguna particularidad específica que los haga especialmente apropiados para dosimetría más allá la capacidad de poder adquirir imágenes en modo de transmisión.

A pesar de todas estas desventajas, la película presenta una resolución espacial muy superior al de las matrices de detectores lo que, unido a su menor precio, a permitir análisis dosimétricos en cualquier plano del tratamiento (axial, sagital o coronal) y a la posibilidad de estudiar varios planos simultáneamente, hace que su uso esté bastante extendido, ya que todos sus inconvenientes, o la mayoría de ellos, se pueden solventar si se establece un protocolo de medida adecuado. Por ejemplo, la coloración post-irradiación puede tenerse en cuenta si se analizan las películas un tiempo fijo y determinado después de su exposición, el efecto indeseable del ruido puede reducirse empleando filtros adecuados de media y mediana, la falta de uniformidad lateral, aplicando matrices de corrección tridimensionales función de las dos dimensiones del plano de escaneo y de la dosis, etc.

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Figura 1: Perfil de un campo 1×1 cm2 en una película radiocrómica escaneada con una resolución de 150 dpi sin filtrar (arriba) y aplicando un filtro media y mediana (abajo)

Pero, sin lugar a dudas, todos los mecanismos de corrección que se empleen para minimizar las características no deseables de las películas radiocrómicas como detector de radiación, son inútiles si no se realiza un adecuado proceso de calibración. De forma simplificada, se trata de asignar a cada valor de píxel, un valor de dosis, para lo cual se construye una curva administrando dosis conocidas y leyendo el valor de píxel correspondiente, tratando de reducir al mínimo los problemas asociados tanto a la película como al lector. Entre los primeros hay que tener en cuenta que la sensibilidad puede variar de un lote a otro de películas, e incluso entre películas del mismo lote. Afortunadamente, existe una linealidad entre calibraciones si trabajamos en términos de densidad óptica (OD), la cual puede obtenerse de forma directa a partir del valor de píxel (PV) a través de la expresión

OD = 1000 log (PV0/PV)

De esta forma, la curva de calibración para una película determinada puede obtenerse a partir de una curva previa conociendo dos puntos de la misma o, dicho de otro modo

ODnetA = k ODnetB

En la literatura se pueden encontrar diversos protocolos de calibración que, básicamente, consisten en irradiar recortes rectangulares de película (para poder considerar el efecto de la orientación) a dosis conocidas que cubran el rango que esperamos encontrar, escaneados siempre en la misma zona del lector (para minimizar el problema del la falta de uniformidad lateral) en modo transmisión y en un formato que permita aprovechar la resolución que proporcionan los 48 bits de la imagen (16 bits por canal). Aunque el canal que presenta mejor relación señal ruido en el rango de dosis que se utiliza normalmente en radioterapia (0 – 3 Gy) es el rojo, también puede obtenerse información de los canales verde y azul, encaminada a mejorar la uniformidad de la lectura de la placa, lo que se conoce como método de corrección multicanal1.

A cada una de las imágenes procedentes de estos recortes se les asigna un valor de pixel promedio, después de haber aplicado un filtro de mediana (para reducir el ruido impulsional) y un filtro de media (para reducir el ruido gaussiano), donde el orden del filtro debe ser un compromiso entre ruido y resolución, habitualmente de 3×3 ó 5×5. Finalmente, este valor de píxel se pasa a densidad óptica y, una vez que se asigna un valor de dosis a cada uno de los recortes, se ajusta el conjunto de puntos a una función de la OD.

Cuando queremos verificar la adecuación del tratamiento teórico propuesto por el sistema de planificación, el método empleado normalmente consiste en repetir el cálculo del mismo tratamiento sustituyendo el estudio CT del paciente por el de un maniquí y compararlo con las medidas registradas en el detector elegido, que previamente se ha colocado en la posición deseada (figura 2).

Una vez que tengamos una matriz de dosis correspondiente al tratamiento real liberado por la unidad de irradiación sobre el maniquí, se lleva a cabo su comparación con la matriz correspondiente al tratamiento teórico para evaluar su grado de concordancia. De este modo se verifica la bondad del cálculo propuesto y, por tanto, si procede llevar a cabo el tratamiento.

Es fácil imaginar que, en la comparación de dos matrices de resolución elevada, cualquier pequeña discrepancia, bien sea debida a diferencias en el cálculo, a errores en la colocación del detector o a desviaciones menores en la dosis suministrada por la unidad de irradiación, harían que los tratamientos no fueran idénticos y, por tanto, es necesario establecer un método que permita una comparación más flexible, en la que podamos fijar las tolerancias permitidas.

Figura 2.- Maniquí conteniendo placas radiocrómicas en uno o varios planos

Figura 2.- Maniquí conteniendo placas radiocrómicas en uno o varios planos

Un físico americano llamado Daniel Low propuso un método tan sencillo como “el huevo de Colón” que permitió que el artículo2 en que lo describía fuese uno de los más citados de los últimos diez o quince años en el campo de la Física Médica. En este trabajo introdujo el llamado índice gamma que consiste, de forma simplificada, en que si dos puntos correlacionados en cada una de las dos matrices no presentan valores de dosis dentro de la tolerancia permitida, se busca alguno que lo cumpla alrededor del punto correspondiente a la segunda matriz, una distancia igual a la admitida. Si se encuentra, el punto problema pasa el criterio y se da por válido. Es evidente que la adecuación del tratamiento será tanto mejor cuanto mayor sea el porcentaje de puntos que lo cumplen.

A pesar de su sencillez y eficacia, el método de Low tiene un punto débil: ¿qué pasa si una gran mayoría de los puntos pasa el criterio pero hay un pequeño porcentaje que no lo cumple? Uno siempre podría visualizar la zona discordante y tratar de establecer la correspondencia entre el maniquí y el paciente. En el caso que las discrepancias aparecieran en áreas de poca relevancia clínica, no habría mayor problema. Pero ¿qué ocurre si las diferencias se encuentran en una zona que, por su situación, pudiera ser especialmente crítica? Para estos casos, el método del índice gamma no tiene respuesta, ya que la extrapolación de los puntos de una matriz a otra se hace de una forma aproximada y subjetiva. Pero a pesar de esta limitación intrínseca, el método propuesto por Low ha supuesto una manera elegante y objetiva de evaluar el grado de adecuación de un tratamiento a la previsión teórica proporcionada por el sistema de planificación.

Así pues, las películas radiocrómicas, unidas a otros elementos como el escáner que realiza su lectura y los programas asociados que permiten su evaluación, pueden usarse en aquellos casos en los que, por su complejidad, se considere necesario llevar a cabo una verificación individualizada del tratamiento. Al igual que el resto de detectores utilizados para obtener distribuciones de dosis en dos dimensiones, presenta ventajas e inconvenientes que se han descrito anteriormente y que el usuario potencial debe evaluar antes de decidirse por uno u otro. Pero, no obstante, en la actualidad representan un método ampliamente utilizado en los protocolos de control de calidad de un gran número de departamentos de Física Médica.

Sin embargo y pese a que el uso que se da a las películas que se emplean en dosimetría se aleja bastante de la finalidad inicial, que es la representación de una imagen, siempre podemos recuperar su utilidad originaria, en caso de aburrimiento.

Figura 3.- Imagen obtenida con modulación de fluencias de fotones (izquierda) y hadrones (derecha) en el GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) de Darmstadt.

Figura 3.- Imagen obtenida con modulación de fluencias de fotones (izquierda) y hadrones (derecha) en el GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) de Darmstadt.

Referencias.-

1Micke A, Lewis DF, Yu X. Multichannel film dosimetry with nonuniformity correction. Med Phys 2011; 38: 2523-2534.

2Low D.A., Harms W.B., Mutic S., Purdy J.A. A technique for the quantitative evaluation of dose distributions, Med. Phys. 1998; 25(5): 656-661.

7 Respuestas a “¿Las radiografías sirven para algo más que para vernos por dentro? El uso de las películas radiocrómicas como detectores de radiación.

  1. Magnífica exposición de Rafael que me trae buenísimos recuerdos de la puesta en marcha de las películas radiocrómicas para verificaciones en IMRT en nuestro Servicio.

    Ahora trabajamos con matrices de diodos y dosimetría Portal, pero creo que trabajar un tiempo con radiocrómicas debería ser casi obligatorio para una correcta formación como Radiofísico ya que en el camino se aprende física de polímeros, programación, física de la imagen, dosimetría…

    Enhorabuena por el post.

    • Gracias Agustín. Estoy totalmente de acuerdo contigo. Ese ritual de la dosimetría con películas, que casi convierte de forma temporal los servicios de Física Médica en sesiones de magia en el colegio Hogwarts, es una experiencia más que recomendable.

  2. Muy buen post, Rafa, hace justicia en el blog a este instrumento de medida que es un clásico, tanto en su versión “tradicional”, con película radiográfica, como en la más moderna basada en polímeros. Supongo que todos la conocéis, pero quiero mencionar la página http://www.radiochromic.com de Natxo Méndez, todo un ejemplo de herramienta colaborativa y trabajo generoso. Es realmente una aplicación muy buena, y la actitud de los creadores (no sé si es solo Natxo) es de total disposición.

    • Gracias Manolo. Para mí ha sido todo un reto abordar un tema tan específico tratando de darle una forma más o menos didáctica e inteligible. Pido disculpas por ese olvido imperdonable de no citar el trabajo de Nacho Méndez, que espero que se solucione próximamente en DCF.

  3. Muy bueno, Rafa. Didáctico y ameno, para los no iniciados y también para los que ya trabajan con películas radiocrómicas, nos has dado una explicación y justificación de su uso muy acertado y completo.
    Efectivamente, tenemos pendiente la presentación del trabajo de Natxo, que será pronto y que podrá ser una continuación de tu post.

  4. Aprovecho para lanzar una pregunta que, como ya comentas, es fuente de debate y controversia. ¿Cuáles son los tratamientos en los que nos podríamos encontrar con “sorpresas” tras hacer una verificación con placas radiocrómicas u otro detector bidimensional? Sé que vosotros tenéis mucha experiencia en tratamientos de IMRT y que en el año 2007 (cuando asistí a la primera edición de vuestro curso de IMRT en Sevilla, que ha sido sin dudarlo el mejor curso al que he asistido) defendías que había que hacer verificaciones en todos los tratamientos de IMRT. ¿Sigues teniendo la misma opinión?

    • Gracias por tus comentarios Naia. Respecto a tu pregunta, no se puede asegurar cuál será el tratamiento que puede depararnos “sorpresas”, pero una idea útil podría ser que a mayor complejidad, mayor probabilidad de desacuerdo entre el cálculo teórico de planificador y la dosis liberada realmente. La dificultad de medir factores de campo para haces pequeños y el hecho de que una irradiación dinámica forzosamente se discretiza en el planificador son elementos importantes que hay que considerar a la vista de la solución propuesta.
      La experiencia va determinando cuándo y cómo reducir el nivel de exhaustividad de las verificaciones, pero la escalada de dosis y el hipofraccionamiento obligan a mantener siempre alta la guardia .

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