MX2010008470A - Aparato y metodo para efectuar radioterapia guiada por imagenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de un agente de contraste. - Google Patents

Abstract

La presente invención se relaciona con un aparato y método para realizar tratamientos de radioterapia ó radiocirugía usando haces de rayos-X de kilovoltaje; uno de los problema con la aplicación clínica de este tratamiento consiste en que la dosis absorbida impartida en un punto dentro del sujeto a irradiar depende de la concentración local del agente de contraste en ese punto, el no cuantificar de manera adecuada la presencia del agente de contraste en cada punto del tumor o malformación a irradiar resulta en una degradación significativa en la calidad del tratamiento; el método y aparto de la presente invención resuelven este y otros problemas. El Método consiste de las siguientes etapas: a) Determinación de la geometría del paciente y la concentración de un agente de contraste en cada punto del mismo, b) Planeación del tratamiento y c) Irradiación del tumor o malformación; el aparato incluye un sistema para la obtención de imágenes tridimensionales del paciente, una pluralidad de fuentes generadoras de rayos-X, un sistema para automáticamente posicionar tales fuentes generadoras de rayos-X de tal manera que la radiación producida es dirigida hacia el sitio a irradiar en el paciente, y un sistema de control por computadora.

Description

APARATO Y METODO PARA EFECTUAR RADIOTERAPIA GUIADA POR IMÁGENES CON HACES DE RAYOS-X DE KILOVOLTAJE EN PRESENCIA DE UN AGENTE DE CONTRASTE CAMPO DE LA INVENCION La presente invención pertenece al campo de la Radioterapia y Radiocirugia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN.

La presente invención se relaciona con un aparato y método para realizar tratamientos de radioterapia ó radiocirugia usando haces de rayos-X de kilovoltaje, esto es, aquellos en los que el espectro de energía está en el rango de 20keV a 500keV. El término de radioterapia guiada por imágenes es usado para referirse a la combinación de un . sistema de adquisición de imágenes y a un equipo generador de radiación ionizante (rayos-X, electrones, protones, neutrones y otros) usados para impartir dosis de radiación a alguna estructura la cual puede ser, pero no está limitada a, un tumor o una malformación arterio-venosa ( AV) . El sistema de adquisición de imágenes, a través de la obtención de una serie de imágenes radiológicas, se encarga de "guiar" la manera en que el haz de radiación ionizante es dirigido hacia el volumen a tratar de tal manera que los haces son apuntados hacia el tumor o MAV tratando de irradiar lo menos posible los tejidos y estructuras sanas que lo rodean. El sistema de' adquisición de imágenes puede consistir' de un Tomógrafo Axial Computarizado (CAT) , un escáner de Resonancia Nuclear Magnética (RNM) , un sistema de Tomografía Computarizadas de Haz Abierto (TCHA) , o proyecciones estereográficas obtenidas con un sistema convencional de radiografía digital.

La tecnología disponible para el tratamiento de tumores o AVs empleando radiaciones ionizantes ha evolucionado pasando desde los aparatos de rayos-X de kilovoltaje, las fuentes de Cesio o Cobalto (con energías de 0.662MeV y 1.25 eV respectivamente), hasta los modernos aceleradores lineales controlados por computadora capaces de producir haces de radiación con energías pico de hasta 25MeV para rayos-X y de hasta 20MeV para electrones. El motivo de buscar altas energías para el tratamiento de tumores no superficiales en Radioterapia está relacionado con la física de las interacciones de radiación con la materia: el haz de mayor energía tiene no solamente un mayor poder de penetración (mayor dosis absorbida a profundidad comparado con haces de baja energía), sino que la dosis absorbida en puntos cercanos a la superficie del objeto irradiado es menor a medida que la energía del haz aumenta. Por ejemplo, cuando se compara un haz de rayos-X con energía máxima espectral de 15MeV contra un haz de rayos-X con energía máxima espectral de 150keV, la dosis de radiación a una profundidad de 10cm, típica por ejemplo en tumores de próstata, es de 80% del máximo para el haz de 15MeV y de solamente 35% del máximo para el haz de 150keV. Huelga decir, sin embargo, que a medida que la energía del haz de radiación utilizado aumenta, también aumenta el costo económico no solamente del aparato que genera la radiación, sino también el de las instalaciones necesarias para albergarlo debido a la cantidad de blindaje requerido para confinar la radiación emitida a la sala de tratamiento. Los haces de rayos-X de kilovoltaje, por otro lado, pueden ser producidos a una fracción del costo de producción de haces de rayos-X de megavoltaje, las instalaciones para albergarlos requieren de mucho menor blindaje y el equipo generador es compacto y de mantenimiento simple. Sin embargo, debido a la poca penetración de este tipo de radiación, su uso se ha limitado al tratamiento de tumores superficiales, es decir, aquellos localizados a no más de 2cm de profundidad en el paciente. Para tumores localizados a mayor profundidad, usar rayos-X de kilovoltaje resulta en la irradiación excesiva del tejido sano que se encuentra localizado en la trayectoria del haz antes de llegar al tumor.

El problema es el siguiente: debido a la poca penetración de los haces de rayos-X de energía en el rango entre 20keV- 500keV, muy poca radiación llega al tumor, y la que llega es absorbida ineficientemente debido a la naturaleza aleatoria de la interacción de la radiación con la materia. A principios de los años ochenta, de Mello y colaboradores reportaron que el uso de agentes iodinados (compuestos a base de Iodo) incorporados en tumores experimentales, aquellos ¦ implantados en animales para su estudio en el laboratorio, mostraban una mejor respuesta cuando eran irradiados con rayos-X de kilovoltaje en comparación con tumores sin incorporación del agente iodinado (Mello R S et.al. Phys . Med. Biol. Vol. 10 pp. 75-78, 1983) Los compuestos a base de Iodo o Gadolinio absorben de manera preferente los rayos-X en este rango de energía, debido principalmente al efecto fotoeléctrico por lo que se usan de manera rutinaria en Radiología de Diagnóstico para resaltar la visualización de órganos. De esta aplicación en particular se desprende el nombre de "agente de contraste".

Es importante resaltar que este efecto ocurre solamente para la combinación de agente de contraste y rayos-X de kilovoltaje con energías en el rango de 40keV-150keV ya que en estas energías el principal mecanismo de interacción de los rayos-X con la materia es a través del efecto fotoeléctrico, y no para haces con energías en el rango de megavoltaje, los cuales interactúan principalmente a través de otros mecanismos (efecto Compton y producción de pares) . Este aumento en la absorción de los rayos-X causado por la incorporación del agente de contraste en el tumor es el responsable de la mejor respuesta del tumor a la radiación observada por de Mello y colaboradores. En 1994 se reportó el primer intento de aplicación clínica de esta modalidad de tratamiento: Rose y colaboradores usaron un escáner de Tomografía Computarizada, con un espectro de rayos-X con energía pico en el orden de 150keV, para efectuar tratamientos de tumores cerebrales usando un agente de contraste a base de Iodo (Rose J H et. al. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. Vol. 30 pp. 24-25, 1994) . El tratamiento se administró en conjunto con radioterapia convencional usando haces de megavoltaje, y se escogieron tumores cerebrales debido a que las profundidades de localización del tumor no exceden en general los 5cm. Solamente una pequeña fracción de la dosis total se impartió con el escáner de Tomografía Axial. La concentración de agente de contraste reportada en el tumor fue de lOmg de Iodo por gramo de tejido (10mg-I/g), sin embargo, esta es solamente una estimación por parte de los investigadores que llevaron a cabo el estudio y no una medición cuantitativa.

Recientemente, se reportó que agentes de contraste experimentales hechos a base de nanoparticulas de oro disueltas en solución salina producen un efecto similar al reportado por de Mello y colaboradores, con la ventaja de que en principio las nanoparticulas metálicas, con diámetro en el orden de 2nm, se acumulan de manera preferencial en el tumor (Hainfeld J F et. al. Phys . Med. Biol. Vol . 49 pp. N309-N315, 2004). Recientemente se ha demostrado que, usando técnicas de irradiación rotacionales, es posible irradiar tumores a profundidades de 10-12cm usando los agentes de contraste clínicamente disponibles, a base de Iodo ó Gadolinio (Garnica-Garza H M Technol. Cáncer Res. Treat. Vol. 9 pp. 271-278, 2010), y también agentes de contraste experimentales como son los basados en nanoparticulas metálicas, particularmente de Oro y Bismuto (Garnica-Garza H M Phys. Med. Biol. Vol. 54 pp . 5411-5425, 2009) .

Se ha .demostrado también que si bien los tratamientos son aceptables desde el punto de vista de la dosis de radiación recibida por el tumor, ciertas estructuras óseas reciben dosis demasiado altas. Además, debido a que las estructuras óseas que rodean al tumor atenúan de manera muy pronunciada los rayos-X que se dirigen hacia el tumor, la dosis absorbida resultante en el tumor es muy poco uniforme. También se ha demostrado que los haces de radiación deben de ser filtrados de manera significativa para remover los rayos-X de muy baja energía, los cuales interactúan a muy corta distancia de la superficie, elevando la dosis absorbida en piel lo cual representa una seria limitación a la aplicación clínica de esta modalidad de tratamiento. La necesidad de filtrar los haces de rayos-X usados es un problema para la posible aplicación · clínica de esta técnica de tratamiento, ya que al filtrar de manera significativa un haz de rayos-X se reduce la cantidad de radiación que llega al tumor, resultando en tiempos más largos de tratamiento, lo que representa una seria desventaja. Otro de los problema con la aplicación clínica de esta nueva modalidad de tratamiento se desprende del hecho de que la dosis absorbida impartida a un punto dentro del sujeto a irradiar depende -de la concentración local del agente de contraste en ese punto, y el no cuantificar de manera adecuada la presencia del agente de contraste . en cada punto del tumor o malformación a irradiar resulta en una degradación significativa en la calidad del tratamiento (Garnica-Garza H M Phys . Med. Biol. Vol. 54 pp . 5411-5425, 2009) .

En el estado de la técnica existen varias solicitudes y patentes que se refieren a equipos y métodos para la realización de radioterapia, a continuación se citan algunas de estas: Número de solicitud: 9807896.

Tiene como titulo: Sistema de terapia y tratamiento quirúrgico por medio de radiaciones, y métodos de uso del mismo.

El resumen que se publica de esta invención se proporciona a continuación : Un sistema de radiocirugía y radioterapia para proveer una imagen de diagnóstico y localización del objetivo a través del mapeo tridimensional del paciente en tercera dimensión con medios tales como el escudriñador TC o IRM, colocación del paciente en una mesa con movimiento de cuatro grados de libertad, y se provee una unidad de terapia esterotáctica de cobalto 60 que incorpora múltiples fuentes para irradiar un objetivo; también se proveen métodos de radiocirugia y radioterapia que utilizan el sistema; una configuración en la combinación de la fuente de radiación, las características de rotación de 360 grados de la unidad de terapia y el movimiento de la mesa permitirá irradiar cualquier tamaño y forma de objetivo a niveles terapéuticos mientras se reduce la exposición de radiación a tejido sano circundante; también se provee un capturador de rayos de radiación que captura más del 80 por ciento y preferentemente más del 90 por ciento de la radiación de las fuentes de radiación.

Número de solicitud: PA/a/2006/003787 Tiene como titulo: Sistema, método y aparato de planificación para terapia de radiación conforme.

El resumen que se publica de esta invención se proporciona a continuación : Se describen un sistema y los métodos asociados para determinar un arreglo de haz de radiación óptimo. El sistema incluye un aparato de planificación por computadora que incluye una computadora de optimización del plan de tratamiento, que tiene una memoria y un dispositivo de entrada en comunicación con la computadora de optimización del plan de tratamiento, para proporcionar acceso al usuario, para controlar las funciones del software de optimización del plan. Un dispositivo de obtención de imágenes está en comunicación con la computadora de optimización del plan de tratamiento, a través de una red de comunicaciones, para proporcionar una parte de imagen del volumen tumoral objetivo y ei volumen de la estructura no objetivo. El software de optimización del plan obtiene computacionalmente y luego optimiza un arreglo de haz de radiación propuesto, iterativamente basado en los constreñimientos para formar un arreglo optimizado de haz de radiación. Un dispositivo de administración de terapia con radiación, conforme, en comunicación con la computadora de optimización del plan de tratamiento, a través de la red de comunicaciones, aplica luego el arreglo optimizado de haz de radiación al paciente. Número de solicitud: WO 2007/133932 Tiene como titulo: Registro deformable de imágenes para la radioterapia dirigida por imágenes.

El resumen qüe se publica de esta invención se proporciona a continuación: Se describe un sistema y método para desarrollar planes de radioterapia y un sistema y método para desarrollar un plan de radioterapia, para ser usado en tratamientos de radioterapia. Un plan de radioterapia se desarrolla usando un registro de imágenes médicas. El registro se basa en la identificación de las señales localizadas dentro de las estructuras internas del cuerpo.

Patente No. US 7,603,164 B2.

Tiene como titulo: Sistema compuesto para radioterapia.

El resumen que se publica de esta invención se proporciona a continuación: Un sistema compuesto para la radioterapia incluye un escáner CT para comprobar la posición de una porción afectada de un paciente que se irradiará, un aparato de irradiación para disponer, con base en la información posicional de la porción afectada comprobada por el escáner CT, del paciente en una posición especifica en la cual la porción afectada esta alineada a una posición de irradiación, y la ejecución de la irradiación a la porción afectada, una cama común usada para el escáner CT y el aparato de irradiación, en un estado en que el paciente esta acostado en la cama común y medios de movimiento para mover al paciente desde el escáner CT a una posición especifica del aparato de la irradiación. Los medios de movimientos mueven al paciente en la cama común a una posición especifica al causar ya sea un movimiento lineal del escáner CT y del aparato de irradiación, movimiento linear del escáner CT y el movimiento curvo del aparato de irradiación, el movimiento curvo del escáner y del aparato de irradiación y movimiento linear del escáner CT, movimiento lineal del escáner CT y de la cama común, y movimiento lineal del escáner CT y movimiento curvo del cama común. Con este sistema compuesto, al momento de la radioterapia para el tumor o similar, la porción afectada se puede irradiar en un estado en que la posición de la porción afectada alineada por un escáner CT se mantiene con precisión. Como resultado, es posible incrementar significativamente el control de la exactitud de la posición de la porción afectada en radioterapia y por lo tanto incrementar significativamente el efecto de la radioterapia.

Patente No. US 5,207,223.

Tiene como titulo: Aparato para y método de desarrollo de cirugía estereotáxi'ca .

El resumen que se publica de esta invención se proporciona a continuación: Un método y un aparato se disponen para selectivamente irradiar una blanco dentro de un paciente. Se proporciona un trazado de 3 dimensiones del trazado de una región que rodea el blanco. Un aparato de emisión emite un haz colimado. Haces de diagnóstico a un ángulo conocido diferente de cero de uno otro pasan a través de la región de trazado. Estos producen imágenes de proyecciones dentro de la región de trazado. Representaciones electrónicas de las imágenes se comparan con los datos de referencia, de tal modo que se localiza el blanco. Las posiciones relativas del aparato de emisión y del organismo vivo se ajustan de manera que el haz colimado esté enfocado en la región del blanco. La comparación se repite a intervalos de tiempo pequeños, y cuando la comparación asi lo indica, el paso de ajuste se repite, según se necesita, y de manera que el haz colimado permanezca enfocado en la región de la blanco.

Las patentes y solicitudes cuyos resúmenes se describieron anteriormente, no anteceden a la invención de la presente solicitud por lo que enseguida se expresa.

En la patente US 7,603,164 se acoplan un acelerador lineal (aparato gue produce rayos-X con energías desde '4MeV hasta 20MeV) con un escáner de tomografía computarizada (TAC) , para tomar imágenes de la geometría del paciente y saber hacia donde apuntar el acelerador lineal. En este sentido, ambos son sistemas de radioterapia guiados por imágenes. Un problema importante con esta patente es que el uso del escáner TAC y el acelerador no se da de manera simultánea, ya que por lo voluminoso de ambos aparatos es imposible realizar la toma de la imagen durante la irradiación del paciente, de tal manera que primero se toma la imagen, se mueve el escáner y se coloca el acelerador procediendo entonces a irradiar el tumor. En la presente invención, debido a que los equipos de rayos-X con energía en el rango de kilovoltaje (necesarios para usarse en combinación con un agente de contraste) son compactos (pesan ~50kg comparados con las 2 ó 3 toneladas de un acelerdor lineal) y debido al diseño que se utiliza, la toma de las imágenes se puede realizar en tiempo real durante la irradiación del tumor, lo cual es una gran ventaja, ya que se ha demostrado que los tumores se mueven . durante la irradiación de los mismos (debido por ejemplo a los movimientos de respiración del paciente, los latidos del corazón, etc.) de tal manera que se puede seguir en tiempo real el movimiento del tumor y hacer las correcciones necesarias, también en tiempo real, para apuntar los haces de rayos-X al tumor en su posición actual y no donde estaba hace 3 ó 4 minutos. El uso de una pluralidad de fuentes de rayos-X para irradiar el tumor también es una diferencia importante, ya que en la patente US 7, 603, 164 solamente se emplea un acelerador lineal (es decir una fuente) para irradiar el tumor .

En la patente US 5,207,223 se usa un acelerador lineal y dos tubos de rayos-X de diagnóstico, colocados a cierto ángulo uno con respecto al otro, para determinar la posición del tumor o malformación durante el tratamiento y así efectuar procedimientos de radioterapia guiada por imágenes. Un problema con este aparato es que los equipos de rayos-X de diagnóstico usados solo proporcionan imágenes bi— dimensionales del sitio a irradiar, por lo que si bien es posible determinar movimientos laterales, con respecto al plano de las imágenes, del tumor, es imposible determinar movimientos en la dirección de incidencia del haz de rayos-X. Otra limitante de este aparato es que solamente emplea una fuente de radiación' colimada para producir haces circulares de diámetro variable, no contando con la posibilidad de producir campos con otras formas geométricas. En la presente invención se utilizan una pluralidad de fuentes de tratamiento con la capacidad de producir campos con forma geométrica variada además de ser capaz de monitorear la posición del tumor o malformación en tres dimensiones..

En la solicitud de patente WO 2007/133932 se revela un método para efectuar planeaciones radioterapéuticas usando imágenes radiológicas tomadas antes y durante el tratamiento con radiaciones. El método emplea marcadores internos, los cuales pueden ser estructuras óseas dentro del paciente o pequeñas esferas de oro quirúrgicamente insertadas en el tumor, para determinar cómo se deforman los órganos y tejidos de un paciente durante la aplicación de la radiación debido a los movimientos fisiológicos de dicho paciente. El método descrito en dicha solicitud utiliza una serie de imágenes de tomografia computarizada, tomadas a diferentes instantes en el tiempo, y las emplea para efectuar una planificación radioterapéutica . Un problema con este método es que asume que el mismo patrón de deformación de las estructuras internas del paciente ocurre tanto en el momento en que se tomaron las imágenes de tomografia asi como durante la aplicación del tratamiento de radiación al paciente, lo cual no es necesariamente el caso, ya que los movimientos fisiológicos son variables. Más aún, no se describe ninguna técnica para monitorear el movimiento y deformación de las estructuras internas en tiempo real durante el tratamiento. En la solicitud de patente número 9807896 se presenta un aparato para radioterapia y radiocirugia el cual utiliza una pluralidad de fuentes en conjunto con un escáner de tomografía computarizada o resonancia nuclear magnética para identificar el sitio a irradiar. El escáner de tomografía (TAC) o resonancia nuclear magnética (RNM) se encuentran colocados en sitios opuestos y separados. El sistema incluye una mesa de soporte para el paciente la cual puede girar hasta 180° la cual está colocada entre el escáner de tomografía o resonancia nuclear y el aparato que contiene las fuentes de radiación, de tal manera que mediante el giro de la mesa de soporte del paciente es posible colocar a dicho paciente en el escáner para identificar la geometría del sitio a irradiar y posteriormente, mediante un giro opuesto de la mesa de soporte, colocarlo en la posición en la cual se va a irradiar. Un problema con esto es que no es posible utilizar el escáner TAC o RNM de manera simultánea con la aplicación de la radiación en el tumor o malformación, es decir, primero se debe de obtener las imágenes de la geometría del sitio a tratar con el escáner TAC o RNM y posteriormente se procede a aplicar la radiación. Como se ha mencionado anteriormente, esto no es lo más conveniente ya que el tumor o malformación puede moverse durante la aplicación de la radiación. Otro problema con la invención descrita es que Ja pluralidad de fuentes de radiación apuntan hacia un mismo punto focal, y además están contenidas en un solo mecanismo, es decir, carecen de movimiento independiente unas' de las otras, por lo que todas deben de ser apuntadas al mismo punto y desde la misma orientación. Como se describirá en detalle más adelante, el aparato y método descritos en la presente invención difieren marcadamente de la solicitud de patente que acabamos de describir, ya que, primeramente, con el aparato objeto de la presente invención si es posible efectuar el monit'oreo en tiempo real de la posición del tumor o malformación en tiempo real durante la aplicación de la radiación. Además, la pluralidad de fuentes que forman parte de la presente invención son capaces de irradiar el tumor o malformación desde una pluralidad de posiciones no necesariamente contenidas en un plano además de irradiar más de una región en el tumor o. malformación de manera simultánea, lo cual no es el caso en la solicitud de patente descrita anteriormente, y lo cual otorga una flexibilidad a la hora de irradiar el tumor o malformación que el aparato de la solicitud de patente descrita no posee.

La solicitud de patente número PA/a/2006/003787 presenta un método y sistema de cómputo asociado para efectuar planificaciones de tratamientos de radioterapia utilizando algoritmos de optimización. Una planificación de tratamientos de radioterapia consiste básicamente en ' simular por computadora los efectos que distintos parámetros pertinentes al campo de radiación empleado (energía del haz de radiación, tipo de colimación, ángulo , de incidencia del haz de radiación sobre el paciente, entre otros) tienen sobre las distribuciones de dosis absorbida que resultan en el volumen del paciente a tratar. Un problema con la invención presentada en dicha solicitud de patente, es que el sistema está diseñado para producir planificaciones de tratamientos usando radiación de altas energías provenientes de un acelerador lineal o unidad de cobalto 60, los cuales interactúan con la materia de manera diferente a los haces de radiación de baja energía, particularmente en cuanto a cómo son absorbidos por estructuras de alta densidad como por ejemplo las estructuras óseas. En este sentido, la optimización de una planificación radioterapéutica efectuada para un haz de radiación de alta energía no es utilizable para un haz de baja energía.

De lo anterior se desprende que para implementar clínicamente una técnica de tratamiento de tumores o malformaciones usando haces de kilovoltaje ,en combinación con agentes de contraste es necesario un método y un aparato los cuales en conjunto proporcionen un sistema completo de Radioterapia y/o Radiocirugía capaz de resolver todas y cada una de las limitaciones y problemas enunciados anteriormente. En resumen, para ' resolver todos estos problemas, una implementación clínica de esta modalidad de tratamiento requiere de un sistema de radioterapia y/o radiocirugía con las siguientes características: 1. - El sistema deberá de permitir la obtención de ' imágenes anatómicas tridimensionales durante la aplicación de la radiación al paciente, con el fin de monitorear no solamente la posición del tumor o malformación sino también la de las estructuras óseas que pudieran rodear a este. Si bien ya existen sistemas de radioterapia los cuales obtienen imágenes del paciente con el propósito de monitorear la posición del tumor, solamente lo hacen inmediatamente antes o después de aplicar la radiación y no durante la aplicación de dicha radiación. 2. - El sistema deberá de permitir cuantificar espacialmente la presencia del agente de contraste en el sujeto a irradiar. Por cuantificación espacial deberá de entenderse que el sistema proporciona la distribución tridimensional del agente de contraste dentro del paciente. Esta cuantificación del agente de contraste deberá de efectuarse en tiempo real durante la aplicación de la radiación al paciente. 3. - En base a la distribución del agente de contraste dentro del sujeto a irradiar, el sistema deberá de ser capaz de determinar la combinación de haces de radiación cuya aplicación al sujeto irradiado resulte en una distribución de dosis absorbida que cumpla con los criterios de tratamiento señalados por el Médico Radio-oncólogo. 4. - El sistema deberá de ser capaz de producir haces de rayos-X con una pluralidad de espectros de energía de tal manera que proporcione una mayor flexibilidad a l'a hora de seleccionar los haces de radiación. 5. - El sistema deberá de ser capaz de producir tiempos de tratamiento razonables, es decir, en el orden de 2 ó 3 minutos. 6. - Para reducir al máximo la dosis a superficie y poder ser capaz de reducir la atenuación del haz de radiación debido a las estructuras óseas, el sistema deberá de ser poseer la flexibilidad necesaria para permitir que los haces de radiación puedan ser apuntados al tumor desde una pluralidad de sitios no necesariamente contenidos en un solo plano alrededor del sujeto a irradiar.

Es por lo tanto un objeto de la presente invención, el proporcionar un Sistema para la obtención de imágenes anatómicas tridimensionales durante la aplicación de la radiación a un paciente con el fin de monitorear no solamente la posición de un tumor o malformación sino también la de las estructuras óseas que pudieran rodear a este.

Otro objeto de la invención consiste en proporcionar un Sistema para cuantificar espacialmente la presencia de un agente de contraste en el sujeto a irradiar. Proporcionando la distribución tridimensional del agente de contraste dentro del paciente.

Aun otro objeto de la presente invención es el de proporcionar un Sistema que con base a la distribución del agente de contraste dentro del sujeto a irradiar, el sistema determina la combinación de haces de radiación cuya aplicación al sujeto irradiado resulte en una distribución de dosis absorbida que cumpla con los criterios de tratamiento señalados por el Médico Radio-oncólogo .

Otro objeto de la presente invención es el suministrar un Sistema que produce haces de rayos-X con una pluralidad de espectros de energía de tal manera que proporcione una mayor flexibilidad cuando se requiere seleccionar los haces de radiación.

Aun otro objeto de la presente invención es el de proporcionar un Sistema que produzca tiempos de tratamiento razonables, es decir, en el orden de 2 ó 3 minutos.

Todavía otro objeto de la presente invención es el de proporcionar un Sistema que reduce al máximo la dosis a superficie y es capaz de reducir la atenuación del haz de radiación debido a las estructuras óseas.

Finalmente otro objeto de la presente invención es el de proporcionar un Sistema que posee la flexibilidad necesaria para permitir que los haces de radiación puedan ser apuntados al tumor desde una pluralidad de sitios no necesariamente contenidos en un solo plano alrededor del sujeto a irradiar.

En lo que sigue se detallará el método y el aparato de la presente invención para efectuar Radioterapia y/ó Radiocirugía con haces de rayos-X de kilovoltaje, en presencia de agentes de contraste incorporados en el sujeto a irradiar, los cuales n conjunto permiten resolver todos y cada uno de los problemas asociados con este tratamiento, enunciados anteriormente.

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La Figura 1A muestra un esquema del aparato de la presente invención, incluyendo el sistema de adquisición de imágenes 3D y tres sistemas generadores de rayos-X montados en brazos mecánicos. Es importante resaltar que se muestran tres sistemas de rayos-X por motivos de claridad de la Figura y no como una limitante de la invención, ya que es posible utilizar un número diferente de sistemas generadores de rayos-X.

La Figura IB muestra una perspectiva diferente del aparato de esta invención, donde se muestra otro generador de rayos-X.

La Figura 2 muestra en detalle la configuración y los grados de libertad de movimiento de uno de los sistemas generadores de rayos-X montado en uñó de los brazos mecánicos.

La Figura 3 muestra un ejemplo de irradiación de un paciente usando la técnica y aparatos de la presente invención.

La Figura 4.1 muestra una curva de calibración para obtener la concentración del medio de contraste como función de la escala de señal proporcionada por el sistema de adquisición de imágenes 3D.

La figura 4.2 se refiere a una imagen de cada elemento en el cual se depositan las soluciones de agente de contraste.

La Figura 5.1 muestra un espectro de rayos-X y el efecto que un filtro de cobre tiene sobre dicho espectro.

La figura 5.2 se refiere a un espectro de rayos-X y el efecto que un filtro de aluminio tiene sobre dicho espectro.

La figura 6 muestra espectros de rayos-X a diferentes profundidades en un medio irradiado por dicho espectro.

La Figura 7 muestra un diagrama gue ilustra la interacción de los diferentes procesos a efectuar durante el tratamiento de un tumor o malformación con el aparato y método objeto de la presente invención.

La Figura 8 muestra un diagrama de flujo que ilustra la técnica para efectuar el tratamiento de Radioterapia y/ó Radiocirugia motivo de la presente invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION La presente invención proporciona un aparato para radioterapia y/o radiocirugia que incluye un sistema para la obtención de imágenes tridimensionales del paciente (1), una pluralidad de fuentes generadoras de rayos-X (3), un sistema para automáticamente posicionar tales fuentes generadoras de rayos-X de tal manera que la radiación producida es dirigida hacia el sitio a irradiar en el paciente, y un sistema de control por computadora (8) . Para propósito de claridad, se describe la presente invención mediante un ejemplo sin que esto signifique o señale limitantes del aparato y técnica revelados .

El objetivo central de la Radioterapia y/ó Radiocirugia es maximizar la dosis de radiación impartida al tumor y al mismo tiempo minimizar la dosis de radiación recibida por las estructuras y tejidos sanos que rodean a éste. Para lograr esto en Radioterapia convencional, se requiere de las siguientes condiciones: a) Determinar mediante el uso de imágenes radiológicas la geometría del paciente, esto es, la posición del tumor o malformación con respecto a la superficie y también con respecto a otras estructuras y tejidos de interés. b) Planeación del tratamiento. En base a la geometría del paciente, se determinan la energía, número y ángulos de incidencia sobre el tumor de los haces de radiación que produzcan la distribución de dosis absorbida que mejor se ajusta a los criterios establecidos por el Médico Radio-Oncólogo. Este proceso se realiza generalmente con la ayuda de un ordenador especializado. c) Adicionalmente, en Radioterapia guiada por imágenes se utilizan imágenes radiológicas tomadas durante la aplicación de la radiación al paciente para monitorear la posición del tumor o malformación, las cuales pueden moverse debido a la actividad fisiológica inherente del paciente, como son la respiración o los latidos del corazón.

Como se mencionó anteriormente, la cantidad de radiación absorbida por un punto dado de un medio que contiene cierta concentración de un agente de contraste depende de la magnitud de dicha concentración. Por lo tanto, es de anticiparse que en radioterapia con rayos-X de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste será necesario contar con un método que permita determinar la cantidad de agente de contraste presente en cada punto dentro de la zona irradiada. En base a esto, la descripción detallada de la invención cubrirá los siguientes tres aspectos del tratamiento mediante la aplicación de radiaciones ionizantes de un tumor o malformación, siendo éstos: I . Determinación de la geometría del paciente y la concentración del agente de contraste en cada punto del mismo.

I . Planeación del tratamiento.

I . Irradiación del tumor o malformación.

Es importante resaltar que debido a la naturaleza del método y aparato de la presente invención estos tres procesos no se efectúan necesariamente en el orden mostrado anteriormente, ya que en el método revelado es posible efectuar correcciones al tratamiento en tiempo real durante el desarrollo de dicho tratamiento. Debe de resultar entonces entendible que el hecho de que la presente invención se describa en un orden en particular no implica limitante alguna de dicha invención.

DETERMINACIÓN DE LA CONCENTRACIÓN DE AGENTE DE CONTRASTE EN EL PACIENTE.

Como se ilustra en la Figura 1A, el sistema de adquisición de imágenes 3D (1) es utilizado para obtener una imagen tridimensional de una porción del paciente a tratar; este paso se muestra en el primer bloque de la primera columna de la figura 8. Esta imagen proporciona la información de la geometría del sitio a irradiar, entendiéndose por geometría como la localización del tumor con respecto a la superficie del paciente así como la distancia de dicho tumor con respecto a tejidos y estructuras sanas que lo rodean.

Esta imagen es usada por la computadora del sistema de planeación (7) para establecer la posición de cada uno de las estructuras de interés con respecto a un marco' de referencia que para propósitos de ilustración puede tomarse como con respecto al cuarto de tratamiento, en el entendido de que existen otras posibilidades.

Un propósito adicional de esta imagen es el de servir de referencia para determinar la cantidad de agente de contraste presente en cada uno de los órganos y tejidos de interés una vez que el agente de contraste es administrado al paciente. De acuerdo al diagrama de interacción de la Figura 7 y siguiendo el diagrama de flujo de la Figura 8, el siguiente paso es la administración del agente de contraste al paciente, este paso se muestra en el segundo bloque de la primera columna de la figura 8. Como ejemplo, el agente de contraste puede ser, aunque sin estar limitado a, Iodo, Gadolinio, o agentes formados por nanoparticulas metálicas. Como se ha mencionado anteriormente, la dosis absorbida de radiación en un punto dado del volumen irradiado depende de la concentración de agente de contraste en ese punto en particular, asi como de la concentración en puntos vecinos del mismo, y por lo tanto, es necesario determinar este parámetro.

Una vez que el agente de contraste se encuentra circulando en el paciente, lo cual puede determinarse por ejemplo, mediante una imagen de Tomografia Computarizada obtenida en modo de exploración, se procede a tomar una segunda imagen de Tomografia Computarizada con los mismos parámetros (potencial pico, amperaje-tiempo y grosor de corte) que la imagen de referencia descrita previamente, esta etapa corresponde al tercer bloque de la primera linea de la figura 8.

Para determinar el contenido de agente de contraste en cada punto dentro del paciente, se utiliza una curva de calibración (50) mostrada en la Figura 4.1. Esta curva de calibración en general se obtiene de manera previa utilizando concentraciones conocidas de agente de contraste embebidas en maniquíes antropomórficos , (estructura con dimensiones y materiales similares a los encontrados en el cuerpo humano) los cuales son pasados a través del escáner de Tomografía Computarizada para obtener imágenes de cada elemento en el cual se depositan las soluciones de agente de contraste, un ejemplo de dicha imagen se muestra en la figura 4.2. Graficando la señal de cada pixel contra el grado de concentración de agente de contraste se obtiene la curva de calibración (50) de la Figura 4.1. Esta etapa corresponde al sexto bloque de la primera linea de la figura 7.

Una vez que se cuenta con las ' dos imágenes de tomografía, ambas imágenes son digitalmente alineadas usando, a manera de ejemplo, estructuras óseas del paciente o marcadores colocados en la superficie del paciente. Esto corresponde al cuarto bloque de la primera columna del diagrama de la figura 8. A continuación, digitalmente se resta la imagen de referencia de la imagen obtenida con el agente de contraste, lo cual da una imagen residual debida a la presencia del agente de contraste en el paciente, este paso se muestra en el bloque 5 de la primera columna de la figura 8. Utilizando entonces la curva de calibración (50) , a cada píxel de la imagen residual se le asigna una concentración de agente de contraste de acuerdo al valor de la señal presente en dicho píxel. Este procedimiento proporciona lo que llamaremos una imagen de concentraciones de agente de contraste. La imagen de referencia en conjunto con la imagen de concentraciones son utilizadas para efectuar lo que en Radioterapia y/ó Radiocirugía se conoce como planeacion de tratamientos.

PLANEACION DEL TRATAMIENTO El proceso de planeacion de tratamientos consiste básicamente en seleccionar un conjunto de parámetros (número de haces de radiación, ángulos de incidencia en el tumor, energía del haz, entre otros) de tal manera que la distribución de dosis impartida al tumor cumpla con los criterios establecidos por el Médico que prescribió el_ tratamiento, los cuales típicamente especifican un mínimo de dosis impartida al tumor y un máximo permisible de dosis impartida a las estructuras y tejidos sanos que rodean al tumor. A diferencia de la Radioterapia y/ó Radiocirugía usando haces de radiación con espectro de energías en el rango de megavoltaje, debido a la poca potencia de penetración de los rayos-X con energías en el rango de kilovoltaje el proceso de seleccionar los ángulos de incidencia para cada uno de los haces a utilizar es crítico. Para satisfacer los requisitos 4, 5 y 6 descritos anteriormente, la presente invención considera dos tipos de haces de radiación disponibles de manera simultánea durante el tratamiento del tumor, o malformación: Un haz de radiación producido por una fuente de rayos-X de kilovoltaje (5) , que es un equipo compacto con un peso de aproximadamente 50 kg, con capacidad para rotar en un plano alrededor del paciente, tal como se muestra en la Figura la. Esta fuente cuenta con un colimador que le permite producir campos de radiación que se ajustan a la forma geométrica del tumor vista desde el punto de emisión de los rayos-X. Este haz de radiación tiene la capacidad de producir diferentes espectros de energía mediante la variación de, por ejemplo, la energía máxima de los electrones que golpean el blanco metálico y producen los rayos-X a través del efecto conocido como bremsstrahlung, o mediante el uso de filtros metálicos de diferentes materiales y grosores colocados en la ventana de salida del generador de rayos-X Una pluralidad de haces de radiación circulares producidos por fuentes de rayos-X de kilovoltaje y cuyo, diámetro es variable entre 0.5cm y 2.0cm. Esta pluralidad de haces de radiación pueden ser apuntados hacia el tumor o malformación a tratar desde una variedad de puntos los cuales no necesariamente se encuentran confinados en un plano, tal y como se muestra en las Figuras la, Ib y 3. Esta pluralidad de haces de radiación tiene la capacidad de producir- diferentes espectros de energía mediante la variación de, por ejemplo, la energía máxima de los electrones que golpean el blanco metálico y producen los rayos-X a través del efecto conocido como bremsstrahlung, o mediante el uso de filtros metálicos de diferentes materiales y grosores colocados en la ventana de salida del generador de rayos-X Estos dos tipos de haces de radiación podrán ser usados de manera simultánea o por separado, según convenga para los fines de tratamiento. La necesidad 4, la producción de una pluralidad de espectros de energía, se resuelve con el uso de una pluralidad de fuentes de rayos-X, ya que cada una de las fuentes puede poseer un filtro metálico diferente a la de las otras fuentes con lo que se produce una variedad de espectros, como se ilustra en las Figuras 5.1 y 5.2. El uso de varias fuentes- de radiación también satisface el requerimiento 5 ya que entre más fuentes estén disponibles en un instante dado para irradiar un tumor o malformación más corto será el tiempo de tratamiento. Por último, la necesidad 6, disminuir la dosis a superficie y evitar al máximo posible las estructuras óseas se resuelve mediante el uso de los haces de rayos-X de diámetro variable dirigidos al tumor desde una pluralidad de sitios no necesariamente contenidos en un mismo plano. Para determinar los parámetros a emplear de cada uno de los haces a emplear en el tratamiento, energía del haz, posición de disparo y colimación, usamos el diagrama de flujo de la Figura 8: i. El primer paso, correspondiente al primer bloque de la segunda columna de la Figura 8, consiste en determinar la colimación apropiada para la fuente de rayos-X que gira en un plano alrededor del paciente. Para determinar esta colimación, se hace uso de la imagen de referencia en la cual, previa determinación por parte del Médico Radio-oncólogo, se han delineado las estructuras de interés, en particular el tumor o malformación así como los órganos y tejidos sanos adyacentes a éste. A manera de ejemplo y no como limitación, es posible que el Médico decida que la colimación debe de efectuarse de tal manera que se irradie el tumor o malformación evitando cierta estructura adyacente la cual es necesario proteger. ii. La determinación de los puntos de disparo para la pluralidad de haces de diámetro variable se efectúa -de manera computarizada bajo los siguientes dos criterios: a. Para reducir la dosis de radiación a piel no se permite que los haces se traslapen o intersecten en la superficie del sujeto a irradiar b. El punto de disparo escogido debe de ser tal que minimiza la distancia radiológica desde la superficie del paciente hasta el sitio del tumor' o malformación a irradiar. La distancia radiológica se define como el producto de la distancia geométrica y la densidad del material atravesado: Donde s se refiere a la distancia radiológica, d a la distancia geométrica y p es la densidad del material atravesado. Se usa un sumatoria ya que el medio puede contener diferentes tipos de materiales: Este criterio de minimizar la distancia radiológica atravesada por los haces de diámetro variable asegura que se eviten las estructuras óseas ya que el hueso tiene mucho mayor densidad que el tejido blando y además se evitan las zonas donde pudiera haber agente de contraste fuera del tumor o malformación, ya que la densidad del agente de contraste es también mayor que la del tejido blando, satisfaciendo asi el requerimiento 6 descrito anteriormente Usando las imágenes de referencia y de contraste se procede a efectuar el cálculo de s para cada uno de los haces a utilizar, determinando la posición de disparo para cada uno de éstos de acuerdo a los dos criterios anteriores, este paso corresponde al segundo bloque de la segunda columna de la figura 8. Nótese que el número de haces a usar no tiene que ser necesariamente igual al número de fuentes de radiación ya que el aparato de la presente invención permite la manipulación de esta fuentes de tal manera que es posible usar una fuente para efectuar la irradiación del tumor o malformación desde un sin número de posiciones de disparo. El número de haces a usar estará determinado por la distribución de dosis absorbida prescrita por el Médico Radio-oncólogo .

Para determinar la energía apropiada para cada uno de los haces de radiación debemos de tener en cuenta que existe un rango de energías que maximizan la diferencia en la absorción de los rayos-X por parte del agente de contraste con respecto al tejido sano, de tal manera que el proceso de selección consiste en un método que maximice el número de rayos-X que llegan al tumor cuya energía se encuentra^ dentro del rango que maximiza la diferencia en absorción. Se parte del siguiente hecho: para cada una de las fuentes de rayos-X se conoce el espectro de energía de los rayos-X producidos por dicha fuente como función de la energía máxima de los electrones que inciden en el blanco así como de los distintos filtros metálicos a ser utilizados. Esta información puede obtenerse de manera expedita mediante, por citar un ejemplo, la simulación Monte Cario de la fuente de radiación. Las Figuras 5.1 y 5.2 muestran, a manera de ejemplo, el espectro de rayos-X producido por un tubo de rayos-X y el efecto que distintos filtros tienen sobre este espectro, calculados mediante simulación Monte Cario. También mediante simulación Monte Cario es posible conocer cómo se comporta el espectro de energía de los rayos-X a medida que éstos viajan a través de un medio, en este caso el cuerpo de un paciente. La Figura 6 muestra como un ejemplo los dos espectros de energía de rayos-X de las Figuras 5.1 y 5.2 a una profundidad 10 cm en un medio compuesto por agua, seleccionado aquí solamente para propósitos de ilustración y no como una limitante ya que se pueden efectuar cálculos en cualquier otro medio, obtenidos mediante simulación Monte Cario. En base a esta información, para una fuente dada de rayos-X y su espectro inicial, es decir, aquel que incide sobre la superficie del paciente, es posible tabular una serie de espectros como función de la profundidad en un medio y determinar características tales como la energía promedio como función de la profundidad o el número de rayos-X con energía en un cierto rango de interés también como función de la profundidad, por dar un par de ejemplos. Una vez tabulada, esta información puede ser accesada por, a manera de ejemplo, un algoritmo computacional .

Respecto a la simulación Monte Cario aplicada ai transporte de radiación se tiene que la interacción de la radiación con la materia se da de manera probabilística, donde para cada tipo de interacción se conoce su probabilidad de ocurrencia como función del tipo de radiación, de su energía, así como del medio en donde ocurre la interacción. Los métodos Monte Cario del transporte de radiación usan números aleatorios para modelar de manera precisa cómo es que la radiación penetra a través de un medio en particular, mediante el muestreo de las diversas probabilidades de interacción. El medio donde ocurre el transporte de la radiación puede ser cualquiera, por ejemplo, un paciente con malformaciones tumorales. En radioterapia, los métodos Monte Cario se usan para calcular la dosis de radiación que recibiría un paciente al ser tratado con radiaciones ionizantes. Si bien existen otros métodos para calcular la dosis de radiación en un paciente, los métodos Monte Cario son los más exactos y representan la referencia contra la cual otros métodos son comparados.

El procedimiento para determinar la energía más conveniente para cada uno de los haces de radiación a usar en el tratamiento, que corresponde al paso del tercer bloque de la segunda columna de la figura 8, es entonces el siguiente: a. Para cada fuente de rayos-X se obtiene una tabla de valores que indican el número de rayos-X que se encuentran dentro del rango de energías de interés como función de la energía máxima del haz de electrones que inciden sobre el blanco y la filtración disponible como se explicó anteriormente. Nótese que esta tabla de valores puede ser calculada una sola vez y guardada para uso posterior y no es necesario efectuar los cálculos cada vez que se va a efectuar un tratamiento b. Para cada combinación de energía máxima de 'los electrones que inciden sobre el blanco y filtración metálica de cada una de las fuentes de rayos-X disponibles, se obtiene una tabla de valores que indican el número de rayos-X que se encuentran en el rango de energías deseado como función de la profundidad en un medio de interés. Nótese que esta tabla de valores puede ser calculada una sola vez y guardada para uso posterior y no es necesario efectuar los cálculos cada vez que se va a efectuar un tratamiento c. Una vez que se ha determinado la distancia radiológica que cada uno de los haces de diámetro variable recorre desde la superficie hasta el sitio del tumor o malformación, se procede entonces obtener, usando la tabla descrita en el inciso b anterior, la combinación de energía máxima de los electrones que inciden en el blanco y el filtrado necesario para obtener el máximo¦ número posible de rayos-X con energías en el rango de interés. iii. El paso siguiente es computar la dosis de radiación producida por cada uno de los haces de radiación a utilizar en el tratamiento¿ este paso corresponde al cuarto bloque de la segunda columna de la figura 8. Esto puede efectuarse mediante algoritmos analíticos basados en las características de la interacción de la radiación con la materia o mediante métodos Monte Cario del transporte de radiación. iv. El paso siguiente es determinar los tiempos de irradiación para cada uno de los haces a usar en el tratamiento del tumor o malformación, este paso corresponde al bloque quinto de la segunda columna de la figura 8. Por tiempo de irradiación se entiende el tiempo necesario durante el cual cada uno de los haces a usar estará emitiendo rayos-X desde la posición de disparo asignada de acuerdo a los criterios descritos anteriormente. Esto puede lograrse mediante el uso de algoritmos de optimización tales como el de Cimmino, por citar un ejemplo, u otros algoritmos de uso común en la literatura.

Esto completa la planeación del tratamiento. El proceso de planeación de tratamiento arroja los siguientes datos los cuales serán utilizados por el aparato objeto de la presente invención para efectuar la irradiación del tumor o malformación: i. Para la fuente de rayos-X rotacional en un plano alrededor del paciente: en cada punto de la rotación alrededor del paciente la planeación arrojará una tabla electrónica como la que se muestra a continuación: Tabla 1 Angulo Tiempo Espectro Colimación Filtración Rayos-X 0 o i Energía Datos de Tipo de máxima colimación filtro 360° TN Energía Datos de Tipo de Máxima colimación filtro ii. Para los haces de radiación circulares: para cada uno de los haces a emplear la planeación arrojará una tabla electrónica como la que se muestra a continuación. Las posiciones y direcciones de disparo son establecidas con respecto a un marco de referencia arbitrario que puede definirse, a manera de ejemplo, con respecto a las coordenadas del sistema de adquisición de imágenes: Tabla 2 Posición de Tiempo Dirección Espectro de Colimación Filtración disparo de disparo Rayos-X (??,?^??) Tx (U^Vj^W Energía Diámetro Tipo de Máxima filtro (X2,Y2,Z2) (U2,V2,W2) (??,??,?,,) T„ 0 (UM,VS,WN) Energía Diámetro Tipo de Máxima filtro El siguiente paso es la administración del tratamiento al paciente, donde el aparato objeto de la presente invención utiliza los datos arrojados por el sistema de planeación para efectuar el tratamiento.

IRRADIACIÓN DEL PACIENTE CON EL APARATO OBJETO DE LA PRESENTE INVENCION.

El aparato objeto de la invención se describe a continuación. Consiste de los siguientes componentes, como se muestra en la Figuras 1A, IB, 2 y 3, los cuales permiten efectuar irradiaciones como las que se han descrito en el proceso de planeación de tratamientos: Computadora de control (8) la cual coordina y dirige la interacción entre los distintos procesos y actividades que forman parte del tratamiento, tal y como se ilustra en el diagrama de la Figura 7, y que consisten de la obtención y registro de las imágenes radiológicas tridimensionales, la planeación del tratamiento, la irradiación del tumor en base al tratamiento planeado, asi como el registro y comparación de las imágenes radiológicas obtenidas durante el tratamiento.

Sistema de adquisición de imágenes (1) que se muestra en la Figura 1A, pudiendo estas ser del tipo Tomografia Axial Computarizada, Resonancia Nuclear Magnética ó Tomografia de Haz Abierto. Preferentemente, el sistema de adquisición de imágenes tridimensionales es un Tomógrafo Axial Computarizado, y éste se tomará como referencia en . la descripción que sigue.

Sistema de soporte (6) para el paciente con capacidad para moverse tanto horizontal como verticalmente y permitir asi el posicionado del paciente de acuerdo a lo establecido durante la planeacion de tratamiento.

Tubo de rayos-X (5) el cual gira en un plano alrededor del paciente, como se muestra en las Figuras 1A y 3. Preferentemente, este tubo de rayos-X es adicional al tubo de rayos-X usado por el tomógrafo para adquirir las imágenes tridimensionales. Es entendible que esto no necesariamente debe de ser asi, y el docto en esta materia entenderá que el mismo tubo de rayos-X puede ser utilizado para ambos propósitos.

Sistema de colimación (9) para el tubo de rayos-X del punto anterior que permita definir haces de radiación que se ajusten a la forma geométrica del tumor o malformación. Este sistema de colimación puede consistir, ' por ejemplo, de un colimador multi-hojas.

Una pluralidad de fuentes de rayos-X, como mínimo dos, dispuestas en una configuración como se muestra en la Figuras 1A, IB y 3, donde cada una de dichas fuentes es identificada por el número (3). Esta pluralidad de fuentes de rayos-X están equipadas con un colimador tubular (4) que produce haces de radiación circulares con un diámetro en el rango de 0.5cm a 2cm. Nótese en la Figura IB que al menos una de estas fuentes de rayos-X (3) está colocada en la parte posterior del aparato aquí revelado, de tal manera que, en conjunto, dichas fuentes son capaces de irradiar al paciente desde una pluralidad de direcciones.

Una pluralidad de brazos mecánicos (103) cuyos grados de libertad de movimiento se muestran en detalle en la Figura 2. Para cada una de las fuentes de rayos-X (3) , descritas en el punto anterior 4) existe un brazo mecánico (103). Dicha pluralidad de brazos mecánicos permiten el posicionado de los tubos de rayos-X del punto 4) anterior en una serie de posiciones no necesariamente contenidas en un solo plano, de acuerdo a los requerimientos resultantes de la planeacion del tratamiento descrita anteriormente. Esto se logra según la numeración indicada en la figura 2, mediante los mecanismos de rotación (102) y (104) . Además, nótese que todo el conjunto de brazo mecánico (103) y tubo de rayos-X (105) pueden ser trasladados de manera circular a través de la trayectoria acanalada (101) la cual forma parte del soporte (100) . En esta misma figura 3, se muestran los haces de radiación (110) .

EL sistema contiene además un grupo de sensores colocados en los tubos de rayos-X que están montados en los brazos mecánicos para monitórear la posición del paciente y evitar colisiones (no mostrados) . Estos sensores pueden ser ópticos o a base de transductores piezoeléctricos (ultrasonido) .

El proceso a seguir en la irradiación del paciente es el siguiente, y se ilustra con la ayuda del diagrama de flujo de la Figura 8 : Los datos arrojados por el sistema de planeacion (7) son transferidos a la computadora central (8) que sirve de control del aparato objeto de la presente invención, este paso corresponde al sexto bloque de la segunda columna de la figura 8. Los datos incluyen: La tabla de datos correspondiente a la fuente de rayos-X rotacional (5) descritos en la Tabla 1.

Los datos correspondiente a la pluralidad de fuentes de rayos-X con colimación circular, descritos en la Tabla 2.

El primer paso es posicionar al paciente (200) usando el sistema de referencia establecido al momento de obtener las imágenes radiológicas. Para esto, el soporte (6) es operado de tal manera que permite colocar al paciente en el sitio adecuado. Este paso corresponde al primer bloque de la tercera columna de la figura 8.

La computadora de control (8) se encarga entonces de posicionar cada uno de los haces de radiación a participar en el tratamiento de acuerdo a lo establecido en las dos tablas de datos descritas anteriormente. Este paso corresponde al segundo bloque de la tercera columna de la figura 8.

Una vez que el paciente (200) ha sido posicionado, y una vez que cada uno de las fuentes de rayos-X ha sido colocada en la posición inicial, se procede a irradiar al paciente de acuerdo al esquema obtenido durante la planeación del tratamiento. Esto corresponde a los dos bloques en la tercera posición de la tercera columna de la figura 8.

Durante la aplicación de la radiación al paciente, pueden existir movimientos, generalmente involuntarios, que provocan que el tumor quede fuera del campo de tratamiento. Esto es un problema serio en radioterapia, ya que entonces el tumor no recibe la dosis prescrita por el médico. Para evitar esto, es necesario verificar de manera periódica que el tumor está en el sitio correcto, de tal manera que el tratamiento planeado tenga una alta probabilidad de ser exitoso. Además, como en este caso la dosis absorbida en un punto dado depende de la cantidad de agente de contraste presente en dicho punto, es necesario determinar la concentración del agente de contraste a medida que transcurre el tratamiento, de tal manera que el plan de tratamiento pueda ser modificado si la concentración del agente de contraste en un punto dado cambia de manera significativa. Para resolver este problema, la presente invención, a través del sistema de adquisición de imágenes radiológicas tridimensionales, es capaz de monitorear en tiempo real la posición del tumor. Esto corresponde al cuarto bloque de la tercera columna del diagrama mostrado en la figura 8. Dos alternativas son posibles: La verificación de la posición del tumor se efectúa de manera automática durante la irradiación del paciente al transcurrir cierto tiempo, seleccionado por el operador del equipo antes de iniciar el tratamiento, desde la última verificación. Por verificación automática se entiende el hecho .de que el aparato objeto de la presente invención, sin intervención alguna por parte del operador, efectúa los pasos necesarios para obtener la imagen radiológica tridimensional, lá transfiere a la computadora de control central donde es comparada con la imagen previa para determinar la posición del blanco con respecto al marco de referencia así como para determinar la distribución del agente de cqntraste.

De manera alternativa, el operador del equipo puede decidir, si así lo considera médicamente conveniente, solicitar al aparato objeto de la presente invención, mediante el envío de un comando a la computadora de control central, que efectúe la verificación de la posición del tumor y la distribución del agente de contraste mediante la obtención de una imagen radiológica tridimensional. En ambos casos, los pasos a seguir una vez que se decide que es necesaria una nueva imagen 3D del paciente están indicados por el conector circular 1 en el cuarto bloque de la tercera columna del diagrama de la figura 8.

Siguiendo con el diagrama de flujo de la Figura 8, la nueva imagen de verificación obtenida es transferida a la computadora de planeación y registro de imágenes (7), donde es comparada con imágenes previas para decidir si el tumor se encuentra en la posición adecuada, siendo ésta la posición para la cual se efectuó la planeación del tratamiento, o si la concentración del agente de contraste ha cambiado de manera significativa. Esto corresponde nuevamente a los bloques 3 al 8 de la primera columna del diagrama de la figura 8.

Si se determina que la posición del tumor es la adecuada se continúa con la irradiación del paciente. Esto corresponde al conector circular 4 del diagrama de la figura 8.

Si se determina que el tumor no se encuentra en la posición para la cual se desarrolló la planeación del tratamiento ó que la concentración del agente de contraste ha cambiado de manera significativa, se procede a recalcular la dosis absorbida para cada uno de los haces de radiación que todavía no han sido aplicados al paciente. Esto corresponde al conector circular 5 del diagrama de la figura 8.

Se continúa con el tratamiento hasta que sea necesaria otra verificación de la posición del tumor o concentración del agente de contraste en el tumor. Esto corresponde al conector circular 3 del diagrama de flujo de la figura 8.

Una vez que cada uno de los haces de radiación determinados por el plan de tratamiento han impartido la dosis de radiación necesaria para cumplir con _ los objetivos del tratamiento señalados por el Médico, se termina el tratamiento. Esto corresponde al quinto bloque de la tercera columna en el diagrama de la figura 8.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1.- Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, caracterizado porque consiste de las siguientes, etapas: a) Determinación de la geometría del paciente y la concentración del agente de contraste en cada punto del mismo, b) Planeación del tratamiento y c) Irradiación del tumor o malformación, en donde a) comprende: el obtener una imagen tridimensional de una porción del paciente a tratar mediante un sistema de adquisición de imágenes 3D, que sirve en parte como imagen de referencia; administración del agente de contraste al paciente; tomar una segunda imagen de Tomografía Computarizada con los mismos parámetros que la imagen de referencia descrita previamente, restar la imagen de referencia de la imagen obtenida con el agente de contraste para obtener una imagen residual debida a la presencia del agente de contraste en el paciente, mediante una curva de calibración, a cada pixel de la imagen residual se le asigna una concentración de agente de contraste de acuerdo al valor de la señal presente en dicho pixel; utilizar la imagen de referencia en conjunto con la imagen de concentraciones para efectuar la planeación del tratamiento; b) comprende: seleccionar el número de haces de radiación, ángulos de incidencia en el tumor y energía del haz, para cumplir con un mínimo de dosis impartida al tumor y un máximo permisible de dosis impartida a las estructuras y tejidos sanos que rodean al tumor, utilizar dos tipos de haces de radiación disponibles de manera simultánea durante el tratamiento del tumor o malformación, un haz de radiación producido por una fuente de rayos-X de kilovoltaje con capacidad para rotar en un plano alrededor del paciente y una pluralidad de haces de radiación circulares producidos por fuentes de rayos-X de kilovoltaje, utilizando estos dos tipos de haces de radiación de manera simultánea o por separado, según convenga para los fines de tratamiento; determinar los parámetros a emplear de cada uno de los haces a usar en el tratamiento, i) colimación, ii) determinación de los puntos de disparo, iii) determinar la energía conveniente para cada haz de radiación iv) computar la dosis de radiación, y v) determinar tiempos de radiación; c) comprende: posicionar al paciente usando el sistema de referencia establecido al momento de obtener las imágenes radiológicas; posicionar cada uno de los haces de radiación a participar en el tratamiento; irradiación con haz rotacional; irradiación con haces circulares; verificar de manera periódica que el tumor está en el sitio correcto; determinar la concentración del agente de contraste a medida que transcurre el tratamiento; monitorear en tiempo real la posición del tumor; transferir la imagen de verificación obtenida a la computadora de planeación y registro de imágenes, comparar ésta con imágenes previas para decidir si el tumor se encuentra en la posición adecuada; continuar la irradiación si la posición del tumor es la adecuada; recalcular la dosis absorbida para cada uno de los haces de radiación que todavía no han sido aplicados al paciente si se determina que el tumor no se encuentra en la posición para la cual se desarrolló la planeación del tratamiento ó que la concentración del agente de contraste ha cambiado de manera significativa; continuar con el tratamiento hasta que sea necesaria otra verificación de la posición del tumor o concentración del agente de contraste en el tumor; terminar el tratamiento una vez que cada uno de los haces de radiación determinados por el plan de tratamiento han impartido la dosis de radiación necesaria para cumplir con los objetivos del tratamiento señalados por el Médico.

2.- Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la curva de calibración se obtiene de manera previa utilizando concentraciones conocidas de un agente de contraste embebidas en maniquíes antropomórficos, los cuales son pasados a través de un escáner de Tomografía Computarizada para obtener imágenes de cada elemento en el cual se depositan las soluciones de agente de contraste; graficar la señal de cada píxel contra el grado de concentración de agente de contraste para obtener la curva de calibración .

3. - Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la determinación de los puntos de disparo para la pluralidad de haces de diámetro variable se efectúa de manera computarizada utilizando los siguientes dos criterios: a. Para reducir la dosis de radiación a piel no se permite que los haces se traslapen o intersecten en la superficie del sujeto a irradiar b. El punto de disparo escogido debe de ser tal que minimiza la distancia radiológica desde la superficie del paciente hasta el sitio del tumor o malformación a irradiar.

4. - Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la determinación de la energía, más conveniente para cada uno de los haces de radiación a usar en el tratamiento sigue las siguientes etapas: a. Para cada fuente de rayos-X se obtiene una tabla de valores que indican el número de rayos-X que se encuentran dentro del rango de energías de interés como función de la energía máxima del haz de electrones que inciden sobre el blanco y la filtración disponible; b. Obtener para cada combinación de energía máxima de los electrones que inciden sobre el blanco y filtración metálica de cada una de las fuentes de rayos-X disponibles, una tabla de valores que indican el número de rayos-X que se encuentran en el rango de energías deseado como función de la profundidad en un medio de interés; c. Una vez que se ha determinado la distancia radiológica que cada uno de los haces de diámetro variable recorre desde la superficie hasta el sitio del tumor o malformación, se procede a obtener, usando la tabla descrita en el inciso b anterior, la combinación de energía máxima de los electrones que inciden en el blanco y el filtrado necesario para obtener el máximo número posible de rayos-X con energías en el rango de interés.

5.- Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el paso de computar la dosis de radiación producida por cada uno de los haces de radiación a utilizar en el tratamiento, se efectúa mediante algoritmos analíticos basados en las características de la interacción de la radiación con la materia o mediante métodos Monte Cario del transporte de radiación.

6.- Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el proceso de planeacion de tratamiento produce los siguientes datos los cuales son utilizados por el aparato de la reivindicación 1 para efectuar la irradiación del tumor o malformación: i. Para la fuente de rayos-X rotacional en un plano alrededor del paciente: en cada punto de la rotación alrededor del paciente la planeacion produce una tabla electrónica con valores de ángulo, tiempo, espectro de rayos X, energía máxima, datos de colimación, tipo de filtro; ii. para los haces de radiación circulares: para cada uno de los haces que se emplean la planeacion produce una tabla electrónica con valores de: posición de disparo, dirección de disparo, las cuales se establecen con respecto a un marco de referencia arbitrario, espectro de rayos X, energía máxima, datos de colimación y datos de filtración.

7.- Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el proceso de irradiación del paciente comprende transferir los datos producidos por el sistema de planeacion a la computadora central que sirve de control del aparato de la reivindicación 1, los datos incluyen los que se producen de acuerdo a la reivindicación 8.

8.- Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el proceso de irradiación del paciente comprende: operar el soporte para colocar al paciente en el sitio adecuado, posteriormente mediante la computadora de control posicionar cada uno de los haces de radiación a participar en el tratamiento de acuerdo a lo establecido en las dos tablas de datos según la reivindicación 8.

9. - Método para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el proceso de irradiación del paciente comprende verificar la posición del tumor de manera automática durante la irradiación del paciente al transcurrir cierto tiempo desde la última verificación o de manera alternativa, mediante la computadora . de control central, efectuar la verificación de la posición del tumor a través de la obtención de una imagen radiológica tridimensional.

10. - Aparato para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, caracterizado porque consiste de: un sistema para la obtención de imágenes tridimensionales de un paciente; una pluralidad de fuentes generadoras de rayos-X, que consisten de un tubo de rayos-X el cual gira en un plano alrededor del paciente, una pluralidad de fuentes de rayos-X, como mínimo dos, dispuestas una en un plano anterior al del primer tubo de rayos-x y otras en un plano posterior al del primer tubo de rayos-x, en donde al menos una de estas fuentes está colocada en la parte posterior del aparato, de tal manera que, en conjunto, dichas fuentes son capaces de irradiar al paciente desde una pluralidad de direcciones; un colimador tubular, con el cual están equipadas la pluralidad de fuentes de rayos-X para definir haces de radiación que se ajusten a la forma geométrica del tumor o malformación; una pluralidad de brazos mecánicos para cada una de las fuentes de rayos-X, los cuales sitúan los tubos de rayos-X en una serie de posiciones en uno o mas planos, mediante mecanismos de rotación todo el conjunto de brazo mecánico y tubo de rayos-X se trasladan de manera circular a través de una trayectoria acanalada que forma, parte de un soporte; un grupo de sensores colocados en los tubos de rayos-X que están montados en los brazos mecánicos para monitorear la posición del paciente y evitar colisiones; un sistema de control por computadora la cual coordina y dirige la interacción entre los distintos procesos y actividades que forman parte del tratamiento, que consisten de la obtención y registro de las imágenes radiológicas tridimensionales, la planeación del tratamiento, la irradiación del tumor en base al tratamiento planeado, asi como el registro y comparación de las imágenes radiológicas obtenidas durante el tratamiento y un sistema de soporte para el paciente con capacidad para moverse tanto horizontal como verticalmente y permitir así el posicionado del paciente de acuerdo a lo establecido durante la planeación de tratamiento.

11.- Aparato para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el sistema para la obtención de imágenes tridimensionales obtiene entre otras una imagen tridimensional de una porción del paciente a tratar, esta imagen proporciona la información de la geometría del sitio a irradiar, asimismo es utilizada por la computadora para establecer la posición de cada uno de las estructuras de interés con respecto a un marco de referencia y sirve de referencia para determinar la cantidad de agente de contraste presente en cada uno de los órganos y tejidos de interés una vez que el agente de contraste es administrado al paciente.

12. - Aparato para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el sistema para la obtención de imágenes tridimensionales es del tipo Tomografia Axial Computarizada, Resonancia Nuclear Magnética ó Tomografia de Haz Abierto. Preferentemente, el sistema de adquisición de imágenes tridimensionales es un Tomógrafo Axial Computarizado .

13. - Aparato para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque las fuentes generadoras de rayos X, producen un haz de radiación que tiene la capacidad de producir diferentes espectros de energía y una pluralidad de haces de radiación circulares con un dímetro en el rango de 0.5cm a 2cm, esta pluralidad de haces de radiación tiene la capacidad de producir diferentes espectros de energía; estos dos tipos de haces de radiación pueden ser usados de manera simultánea' o por separado, según convenga para los fines de tratamiento.

14. - Aparato para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el colimador tubular produce haces de radiación circulares con un dimetro en el rango de 0.5cm a 2cm., esta pluralidad de haces de radiación produce diferentes espectros de energía mediante la variación de, la energía máxima de los electrones que golpean el blanco metálico y producen los rayos-X o mediante el uso de filtros metálicos de diferentes materiales y grosores colocados en la ventana de salida del generador de rayos-X.

15.- Aparato para efectuar radioterapia guiada por imágenes con haces de rayos-x de kilovoltaje en presencia de agentes de contraste, de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque el colimador de la fuente de rayos X produce campos de radiación que se ajustan a la forma geométrica del tumor, vista desde el punto de emisión de los rayos-X, el haz de radiación produce diferentes espectros de energía mediante la variación de la energía máxima de los electrones que golpean- el blanco metálico o mediante el uso de filtros metálicos de diferentes materiales y grosores colocados en la ventana de salida del generador de rayos-X.