Estudio del ruido y análisis de la incertidumbre en dosimetría con película radiocrómica

Resumen

La película radiocrómica es un dosímetro de uso común en los departamentos y servicios de Física Médica de todo el mundo, que se emplea para, entre otras aplicaciones, la medida distribuciones de dosis absorbida bidimensionales con una alta resolución espacial y la estimación de dosis en condiciones fuera de referencia donde la elección de un dosímetro fiable no es una tarea simple. La exposición de la película radiocrómica a la radiación ionizante tiene como consecuencia su oscurecimiento debido a la polimerización de las fibras que componen el material de la capa activa. Este oscurecimiento es dependiente de la dosis absorbida y permite emplear la película radiocrómica para la medida de dicha dosis. La dosimetría con película radiocrómica se realiza empleando un dispositivo de lectura que permite obtener una imagen digital de la película irradiada y cuantificar la transmisión de la luz a través de la misma. Los dispositivos más ampliamente usados y aceptados en el campo de la Física Médica son los escáneres de color de sobremesa que, debido a su poco impacto económico y a su versatilidad, constituyen una solución robusta y eficaz para el propósito de la dosimetría con película radiocrómica. La manipulación de la película radiocrómica se debe realizar tomando una serie de precauciones que incluyen, entre otras, el correcto almacenaje de las películas para evitar el impacto de las condiciones ambientales, el uso de guantes para evitar impresionar huellas dactilares en las películas y el control del intervalo de tiempo transcurrido entre la irradiación de la película y su lectura para evitar inexactitudes en la estimación de la dosis. Antes del uso de la película radiocrómica como dosímetro, se debe realizar una calibración del lote de películas para obtener las curvas sensitómetricas que relacionan las lecturas de la película con las dosis de irradiación. Posteriormente, la dosimetría con película radiocrómica es un proceso que involucra tres pasos: la irradiación de la película; su lectura, que da como resultado una matriz de datos que puede visualizarse como una imagen digital, y la conversión a dosis de los valores leídos en la película, para la que se emplean las curvas de calibración del lote y alguno de los varios algoritmos de conversión en uso. Estos algoritmos se dividen fundamentalmente en dos tipos: los que emplean solo uno de los canales de color del escáner (algoritmos monocanal), y los que combinan la respuesta de dos o tres de estos canales para el cálculo de la dosis (algoritmos multicanal). Esta tesis doctoral, presentada bajo el formato de compendio de publicaciones, se ha dedicado al estudio y descripción de las fuentes de ruido presentes en la dosimetría con película radiocrómica, así como, al análisis y cálculo con técnicas Monte-Carlo de la incertidumbre presente en este tipo de dosimetría. En las investigaciones llevadas a cabo, como es habitual en este campo, se parte del análisis de las respuestas leídas en escáneres digitales de películas radiocrómicas irradiadas. Por otro lado, se propone y prueba la validez de nuevos métodos matemáticos y enfoques que, hasta donde nuestro conocimiento alcanza, no han sido previamente aplicados en este campo, como son la descomposición multirresolución mediante procesado wavelet, el análisis de incertidumbre mediante métodos Monte-Carlo y la aplicación de la metodología para medida del ruido descrita en la norma ISO-15739. Además, durante el desarrollo de esta tesis se ha hecho especial hincapié en las aplicaciones prácticas de la dosimetría con película radiocrómica. Así pues, se proponen mejoras en las verificaciones de los planes de tratamiento de Oncología Radioterápica y se presentan nuevas pruebas destinadas al comisionamiento y medida de las características dosimétricas de los colimadores multiláminas de los aceleradores lineales. El primer capítulo de esta tesis está dedicado a la dosimetría con película radiocrómica y sus fundamentos. En la introducción se describen las características y ventajas de esta película como dosímetro, así como sus múltiples ámbitos de aplicación en el campo de la Física Médica y otras particularidades de índole práctico que deben tenerse en cuenta a la hora de su empleo como dosímetro. A continuación, se hace un repaso de los fundamentos de dosimetría con película radiocrómica, incidiendo en los procesos físicos que gobiernan e influyen en su oscurecimiento y su lectura con el escáner; describiendo la metodología general seguida para la lectura, manipulación, irradiación y calibración, y, finalmente, detallando los algortimos comúnmente empleados para la conversión de la imagen digital leída a mapa de dosis. Por último, se detallan los objetivos de esta tesis doctoral. El análisis de la incertidumbre se lleva a cabo en su mayor parte en los dos siguientes capítulos. En particular, en el segundo capítulo se presentan las investigaciones sobre la caracterización estadística de las respuestas leídas con escáneres digitales de películas radiocrómicas irradiadas y el efecto de esta caracterización en la simplificación de los algoritmos multicanal. Posteriormente, en el tercer capítulo se presenta un nuevo modelo multi-etapa para el cálculo Monte-Carlo de incertidumbres en dosimetría con película radiocrómica con algoritmos mono y multicanal. Este nuevo enfoque de cálculo de incertidumbres hace uso extensivo de la caracterización estadística del capítulo anterior, es más, las dependencias estadísticas entre las diferentes respuestas de los canales de lectura explican algunos de los resultados más importantes del análisis de incertidumbre. El estudio del ruido se lleva a cabo principalmente en los capítulos cuarto y quinto. En concreto, en el capítulo cuarto se presentan las fuentes del ruido en dosimetría con película radiocrómica y se estudia la propagación del ruido presente en la imagen digital a los mapas de dosis a través del uso de diferentes tipos de algoritmos. Además, se muestra la influencia de este ruido en la incertidumbre de las estimaciones dosimétricas. En el capítulo quinto se muestra una aplicación de la mitigación del ruido temporal del digitalizador a la dosimetría con película radiocrómica y su impacto en la verificación de planes de tratamiento. En el sexto capítulo se emplea la película radiocrómica para la caracterización dosimétrica de los colimadores multilámina y micro-multilámina. Así pues, se describen pruebas para medir y comisionar el efecto \textit{tongue and groove} tanto con película radiocrómica como con cámara de ionización. Además, gracias a la alta resolución de la película radiocrómica y a los resultados de los capítulos previos sobre el ruido en la dosimetría con película radiocrómica, se diseñaron pruebas que permitieron apreciar detalles milimétricos de la deposición de dosis espacial. Finalmente, en el séptimo capítulo se muestran las conclusiones de las investigaciones realizadas y se detallan las nuevas investigaciones en curso relacionadas con las líneas de investigación de esta tesis doctoral.