APRÈN. Portal de la producció docent del professorat de la UPC

The following document presents a Master's Thesis based on preliminary studies for the development of cell-laden hydrogels and their biological characterisation. The aim of this hydrogels elaboration is the peripheral nerve regeneration, in this case mainly related to the regeneration of the sense of touch. The results obtained through the experimentation of cells encapsulation would serve to know which are the best conditions and the preferable environments where cells can live and reproduce. It would definitely set a step forward for the in vivo studies and the real regeneration of the peripheral nerves. In first place, there is a preface, where the main reasons to develop this project and the importance that hydrogels have in the current investigation for tissue regeneration are explained. In second place, the objectives of this project and its scope are defined. Then, an introduction and description of the materials being used in the experiments is done. The developed hydrogels are chitosan based with a phosphate salt as gelling agent. The cells being used for the encapsulation are Schwann cells, which are the cells in the peripheral nervous system, residing at sensory nerve endings. Next, the summarisation of the executed experiments can be found. The first point made is the description of the obtaining process of hydrogels and the characterisation of the selected ones for doing the cell encapsulation, while the second point made is the description of the experimentation with cells, its complications and results. The hydrogels finally obtained will be used in further investigations and this project will give an idea from where to focus the attention in the future and on how to continue with the experimentation. The hydrogels characterisation and the experiments done at the Politecnico di Torino brought to light the best hydrogel in terms of gelation time, stability and pH are the CS 95/100 2.5% w/v R=4 with β-GP and the CS 95/100 2% w/v R=4.5 with G1-P. The experimentation with cells developed in San Luigi Hospital, in Orbassano, Torino, were based in the study of the behaviour of cells to these two hydrogels and its components. The results showed that the hydrogel CS 95/100 2.5% w/v R=4 with β-GP presents a better response in the experiments of cells encapsulation and cells on the top, for the concentrations defined. On the contrary, the hydrogel CS 95/100 2% w/v R=4.5 with G1-P presents better cells behaviour when working with lower concentrations of salt. Further investigations will be performed to define the optimal hydrogel composition.

En la última década, gracias a los avances tecnológicos, la dosis impartida a los pacientes sometidos a radioterapia externa ha ido aumentando progresivamente, consiguiéndose gracias a ello unas tasas de control tumoral cada vez mayores. Sin embargo, la piel es un órgano de riesgo que siempre se encuentra en la trayectoria del haz de radiación y por ello diversos estudios ya han descrito situaciones de sobreexposición de la piel en estas condiciones. La profundidad de referencia de la piel corresponde a 70 micrómetros, por lo que para la medida de la dosis que recibe deben emplearse detectores adecuados. En este proyecto se pretende determinar los factores de corrección que deben ser aplicados para la medida de dosis en piel mediante dosímetros TL de tipo ultrafino (5-10 mg/cm2) de diversos tipos, comparando su respuesta con la dosis medida por una cámara de extrapolación, considerada el instrumento de referencia para medida de la dosis en piel, pero que no puede ser empleado en rutina. El proyecto incluye las etapas de caracterización con microscopio electrónico de los detectores, su calibración e irradiación en el “Hospital de la Santa Creu i Sant Pau” para el estudio de parámetros de influencia en la medida de la dosis en piel, así como el uso de la mencionada cámara de extrapolación. Finalmente, también se han determinado los factores de corrección de otro tipo de detectores: cámaras de ionización plano-paralelas y centelleo.

Cancer is one of the leading causes of death around the world and the number of patients is expected to increase in the next years. Most of the cancer patients are treated with radiotherapy for at least a part of their treatment. The success of a radiation therapy treatment lies on its correct planning and the accurate prediction of dose distribution in the patient. These dose distributions are generated using treatment planning systems. Analytical algorithms are commonly used despite more accurate results can be achieved using Monte Carlo based algorithms due to the long calculation times required by them. In 2013 a new Monte Carlo based algorithm, PRIMO, was developed. In this program, based on PENELOPE, several variance reduction techniques have been included in order to speed up the calculations as well as a graphical user interface has been designed to make it user friendly. This work will help to validate the simulation code PRIMO. The validation of a treatment planning algorithm involves many different tests, among them, a basic validation of computed doses compared to measurements in water, as well as the verification of its dosimetric accuracy in complex situations. The aim of this work is to investigate the performance of the PRIMO code, in particular to study its dosimetric accuracy in complex situations such as the presence of materials different than water (lung and bone) and when computing the dose within the first millimeters of the patient. This aim was translated into a set of computational experiments performed on simple geometrical phantoms as well as on computerized tomography images. Results showed that the algorithm allows to obtain accurate results in water phantoms, as well as in regions susceptible to errors like the build up region and regions with material heterogeneities.

During a radiotherapy treatment, skin of the patient is always exposed to the radiation; as a consequence late effects can be appear. Therefore, dose values in this region may be of interest for clinical evaluation and investigation of those undesirable effects. However, surface dose is not intuitive and is difficult to measure and calculate; the parameters, which modify it are not always the same and each one are dependent to the others. The aim of this project is to quantify absorbed dose in the build-up region and near to the skin approximately between 0 mm - 1 mm using two methods. One of them, an analytical calculation using Monte Carlo simulations; and the other an experimental approach using an extrapolation chamber. Monte Carlo simulations are performed with the PENELOPE package of subroutines for 6MV and 15MV photon beams. Experimental setup consists in the use of an extrapolation chamber (PTW model 23392), considered the most suitable instrument to measure absorbed dose in the build-up region, but its not commonly available in the hospitals because its use is not practical. The chamber was adapted for its use in clinical environments in a previous work, then for this work the measurement process is easier and results with high level of accuracy can be obtained. In this way, EC (extrapolation chamber) measurements served as the gold standard in our study to validate the Monte Carlo simulations and also with results reported by previous studies. As a result, we found that simulation outcomes are in good agreement with experimental data.

El proyecto realizado quiere caracterizar los haces de rayos X del laboratorio de calibración de mamografía del INTE, para poder cumplir con la normativa IEC 61267 para laboratorios de calibración de equipos de rayos X para radiodiagnóstico y de esta forma poder iniciar su trabajo como laboratorio de calibración acreditado. Se ha realizado tomas de datos experimentales en el laboratorio a lo largo del proyecto para poder llevar a cabo la caracterización de los haces de rayos X según la calidad RQR-M de la norma IEC 61267. En el proyecto se ha verificado que se cumplen los requisitos de la norma para la tensión del haz y la capa de hemirreducción. Se ha realizado un mantenimiento previo y unas comprobaciones eléctricas del mamógrafo antes de realizar dichas medidas, asegurándonos que el laboratorio cumple con los requisitos de la norma IEC 61267. Finalmente, mediante los equipos patrón del Laboratorio se ha determinado el valor de referencia del kerma en aire y la tensión del tubo y, a modo de ejemplo, se ha efectuado la calibración de un equipo de la misma categoría que los equipos que serán objeto de calibración en el laboratorio una vez acreditado.

En la sociedad actual de los países desarrollados existe un notable incremento en el uso de la radioterapia para el tratamiento de tumores, ya sea con un objetivo paliativo o curativo; la maquinaria empleada es cada día más precisa en la determinación de los volúmenes a irradiar y a la vez permite irradiar con niveles de intensidad más elevados; esto presenta ventajas e inconvenientes. La necesidad del conocimiento de la dosis impartida en piel debido al aumento de toxicidad en los tratamientos con técnicas de modulación de intensidad (IMRT) es el motor inicial del proyecto. Cuando se irradia en un tratamiento de radioterapia externa la piel siempre recibe radiación: tanto si la piel es el volumen a irradiar como si es el órgano en riesgo debe conocerse con la máxima exactitud el nivel de dosis, ya sea para correlacionar la posible toxicidad a la dosis administrada durante el tratamiento como para garantizar la correcta irradiación del paciente. Los avances producidos en la actualidad en el diseño de linacs permiten aumentar el nivel de dosis a impartir sin comprometer la afectación de los órganos en riesgo; en la técnica de modulación de intensidad (IMRT) el nivel de dosis en piel se puede incrementar notablemente respecto a técnicas convencionales, más aún si se hace uso de inmovilizadores. Los niveles de radiación se conocen con el uso de detectores. Para conocer el nivel de radiación en la capa basal o zona de build-up, situada a una profundidad de 7mg/cm2 de la superficie de la piel, se debería introducir el detector dentro del paciente, cosa inviable. Se han de plantear otros métodos que permitan conocer estos valores con el máximo de precisión para optimizar el tratamiento y sus efectos adversos. Actualmente los sistemas de planificación utilizados en el tratamiento permiten una fusión de imágenes adquiridas previamente al tratamiento, que mejoran la determinación de la zona a irradiar pero no resuelven con suficiente precisión la zona de build-up; un estudio realizado por el Task Group 53 de la Asociación Americana de Físicos Médicos con detectores habituales en el ámbito clínico han determinado diferencias del 20% y del 50% entre el valor planificado y el medido experimentalmente dependiendo del tipo de haz. El instrumento de referencia para medir el nivel de dosis donde no existe equilibrio electrónico es la cámara de extrapolación, en este proyecto se ha utilizado el modelo 23392 de la casa PTW para determinar los factores de corrección necesarios para conocer el nivel de dosis en piel durante los tratamientos de radioterapia con una precisión inferior al 2-3%. La cámara de extrapolación que se ha utilizado en este proyecto ha estado en desuso durante algunos años; por ello en la primera fase se ha realizado el proceso de ajuste midiendo con una fuente calibrada de partículas beta en el Institut de Tècniques Energètiques de la UPC; dado que la finalidad es poder utilizar la cámara en un hospital para calibrar el haz de los equipos utilizados en tratamientos de radioterapia, paralelamente al ajuste se ha diseñado y construido un soporte para la cámara que ha permitido situarla en una posición vertical (el montaje original sólo permitía situarla en posición horizontal). Garantizado el funcionamiento de la cámara y sabiendo configurarla correctamente, se han realizado las mediciones en el Hospital de la Santa Creu y Sant Pau en el servicio de Radiofísica y Radioprotección con la finalidad de poder caracterizar los niveles de radiación en piel, cosa que permitirá a los radiofísicos utilizar los valores obtenidos con la cámara de extrapolación como referencia para las cámaras que utilizan habitualmente en el hospital y que tienen mucha menos precisión.

Hoy en día el cáncer es una de las principales causas de muerte en nuestra sociedad. Como consecuencia durante los últimos años se han desarrollado nuevas técnicas y modalidades de radioterapia para hacer frente a esta enfermedad. Aunque las innovaciones tecnológicas apuntan a mejora en la impartición de la dosis de radiación ionizante en el volumen tumoral, también existe una preocupación creciente sobre las dosis no deseadas que reciben tejidos periféricos al órgano tratado debido a la radiación dispersa y de fuga, que aumenta con las técnicas nuevas debido al aumento del tiempo de tratamiento que comportan. El objetivo de este trabajo es realizar un estudio de las dosis periféricas recibidas en tratamientos convencionales de radioterapia (3D-CRT) y en tratamientos más innovadores como es el caso de la radioterapia de intensidad modulada (IMRT). A partir de estas dosis periféricas, medidas con dosímetros termoluminiscentes colocados en el interior de un maniquí antropomórfico al que se le ha aplicado tratamientos radioterápicos de próstata, cabeza y cuello, y de mama de 3D-CRT, IMRT de 6 MV y IMRT de 18 MV, se puede calcular el riesgo aproximado de aparición de un segundo cáncer radio-inducido en el mismo paciente. Los resultados de este estudio, realizado en el Institut de Tècniques Energètiques (UPC) y el Hospital Platón de Barcelona, muestran que las dosis periféricas recibidas en órganos lejanos del volumen tratado son mayores en tratamientos de IMRT que en tratamientos de 3D-CRT. Sin embargo, en tejidos muy cercanos al órgano a irradiar, las dosis en IMRT son comparables o más bajas que en 3D-CRT. Este hecho se explica debido a la mayor conformación de las técnicas de IMRT, sin embargo esta mayor precisión implica que el tratamiento sea más largo y que las dosis periféricas en órganos alejados, debido a la radiación dispersa y de fuga, sean mayores. Con respecto al cálculo del riesgo de sufrir un segundo cáncer radio-inducido éste es mayor en los órganos en los que las dosis periféricas son mayores, y por tanto, el riesgo es más elevado en técnicas de IMRT, hasta un factor 4 en tratamientos de próstata, un factor 2-3 en tratamientos de cabeza y cuello, y un factor 10 en tratamientos de mama.

El objetivo del proyecto consiste en estimar la dosis absorbida en una exploración de RX de localización utilizada en radioterapia guiada por la imagen. Para estimar la dosis se ha utilizado un sistema de dosimetría basado en la termoluminiscencia y las medidas se han realizado sobre un maniquí antropomórfico en las instalaciones del Institut Català d'Oncologia. La exploración de RX de localización que se ha usado se corresponde con un TAC (Tomografía Axial Computada). Los valores de dosis absorbida obtenidos se han comparado con las estimaciones de las dosis determinadas mediante el programa de cálculo ImPACT CT Patient Dosimetry Calculator basado en simulaciones Monte Carlo y medidas de referencia realizadas con sistemas de ionización gaseosa y de detección por medio de semiconductor. En la memoria se detallan los siguientes puntos: · Valoración de la tecnología termoluminiscente como sistema de dosimetría útil para detectar los haces de rayos X en las energías de radiodiagnóstico. · Descripción de un sistema de dosimetría basado en la termoluminiscencia. Se presenta los detectores, el horno de borrado y el equipo de lectura, así como los procedimientos de puesta a punto del sistema. · Descripción del equipamiento utilizado para administrar tratamientos de radioterapia. Se presenta el acelerador lineal, el sistema de imagen incorporado u el maniquí antropomórfico. · Medida de la dosis absorbida y equivalente en órganos, así como la medida de la dosis efectiva (ICRP 60), para las exploraciones de cabeza y de pelvis. · Comparación de los resultados experimentales con las estimaciones de las dosis calculadas mediante un programa de cálculo. · Per finalizar, se presenta una valoración de las medidas y se realiza una autocrítica para comprobar si los objetivos marcados se han abordado con éxito.