Anales AFA Vol. 31 Nro. 2 (Julio 2020 - Octubre 2020) 55-61
Física Médica
DESARROLLO DE UN ESCÁNER LÁSER CON APLICACIONES EN
DOSIMETRÍA DE GEL POLIMÉRICO
DEVELOPMENT OF A LASER SCANNER FOR POLYMER GEL DOSIMETRY
D. Chacón
1,2
, M. Romero
1,3,4
, F. Mattea
1,3,4
, M. Valente
*1,5,6
1
Laboratorio de Investigación e Instrumentación en Física Aplicada a la Medicina e Imágenes por
Rayos X (LIIFAMIRx) - FAMAF - UNC, Córdoba, Argentina.
2
Departamento de Física - UNA - Heredia, Costa Rica.
3
Departamento de Química Orgánica - Facultad de Ciencias Químicas - UNC, Córdoba, Argentina.
4
Instituto de Investigación y Desarrollo en Ingeniería de Procesos y Química Aplicada, (IPQA),
CONICET. Córdoba, Argentina.
5
Instituto de Física Enrique Gaviola (IFEG) - CONICET - Córdoba, Argentina.
6
Centro de Física e Ingeniería en Medicina (CFIM) & Depto. de Ciencias Físicas - UFRO, Temuco,
Chile.
Recibido: 09/12/2019 Aceptado: 07/04/2020
https://doi.org/10.31527/analesafa.2020.31.2.55 2020 Anales AFA
Autor para correspondencia: valente@famaf.unc.edu.ar
Resumen:
Los avances en las aplicaciones de radiación ionizante en la medicina, y en particular el tratamiento
contra el cáncer, se encuentran en continuo desarrollo y evolución. Es por ello, que las capacidades
para demostrar que estas aplicaciones son seguras requieren de sistemas dosimétricos innovadores, que
proporcionen información tridimensional para la verificación dosimétrica. Los dosímetros de gel
polimérico son parte de estos sistemas dosimétricos notables, ya que pueden registrar cuantitativamente
la dosis absorbida y obtener distribuciones de dosis en 3D con alta resolución manteniendo propiedades
tejido-equivalentes. Los métodos utilizados para interpretar la señal registrada por estos sistemas a
valores de dosis incluyen complejos y costosos instrumentos, tales como resonadores magnéticos y
tomógrafos de rayos-X. Sin embargo, existen alternativas de menor costo como métodos de lectura
ópticos que pueden optimizarse y diseñarse para el estudio de dosimetría polimérica. El objetivo de este
trabajo es presentar el diseño, construcción y caracterización de un escáner láser de bajo costo, con
capacidad 2D, apropiado para el análisis de los dosímetros de gel polimérico. Con este equipo, se
realizaron pruebas de caracterización y optimización, contrastando los resultados con los obtenidos por
instrumentos comerciales ó validados, obteniendo resultados comparables demostrando la capacidad
del escáner láser como herramienta de lectura para dosimetría de gel polimérico.
Palabras clave: Escáner Láser, Dosimetría 3D, CT óptico, dosimetría de gel polimérico.
Abstract:
Advances the medical application of ionizing radiation, and specifically in cancer treatment, are
continuously evolving and gaining higher degrees of complexity. Therefore, the ability to determine
and ensure the safety and precision of these techniques must be accompanied by novel dosimetry
systems. Polymer gel dosimetry is one of the new and remarkable dosimetry systems that can
quantitatively record the absorbed dose and register 3D dose distributions with high resolution while
maintaining tissue-equivalent properties. Typical methods used to read the recorded signal in a polymer
gel dosimeter, such as magnetic resonance imaging, X-ray tomography, and ultrasound-based
techniques include complex and expensive instruments. On the other hand, there are low-cost
alternatives like optical methods that can be optimized and designed for the study of polymer gel
dosimetry. The objective of this study is to present the design, construction, development, and
characterization of a low-cost laser scanner for bi-dimensional PGD analysis. With this equipment,
characterization and optimization assays were performed on typical samples, and compared to those
obtained by commercial or validated instruments with similar results, proving the capacity of the
designed instrument as a reading tool for polymeric gel dosimetry.
Keywords: Laser scanner, 3D dosimetry, Optical CT, polymer gel dosimetry.
I. INTRODUCCIÓN
Los avances en las aplicaciones de radiaciones ionizantes en la medicina, como el tratamiento contra el
cáncer, están en continuo desarrollo logrando técnicas de tratamiento más eficaces y con mayor
potencialidad curativa. Sin embargo, la capacidad de demostrar que estas aplicaciones son seguras y
precisas va de la mano con el desarrollo de sistemas dosimétricos capaces de proporcionar verificación
dosimétrica directa. Los dosímetros de gel polimérico (PGDs) representan uno de estos ejemplos
notables, ya que no sólo son capaces de medir la dosis absorbida, sino también de registrar
distribuciones de dosis en tres dimensiones con una alta resolución
1
y con propiedades radiológicas
equivalentes al agua.
2
Los métodos de lectura para estos sistemas dosimétricos incluyen complejos y
costosos equipos como escáneres de resonancia magnética y tomógrafos de rayos X. Sin embargo, es
posible utilizar alternativas de menor costo como métodos analíticos ópticos de lectura.
3
Los PGDs no
irradiados son virtualmente transparentes a la luz visible, pero los dosímetros irradiados se vuelven
opacos a medida que aumenta el grado de polimerización formado durante y posterior a la irradiación
hasta alcanzar un nivel de estabilización dependiendo de la dosis absorbida.
Cuando un haz de luz visible atraviesa un material opaco, la intensidad del haz disminuye debido a que
algunos fotones interactúan con el material. Dependiendo de la naturaleza de la opacidad, algunos
fotones son absorbidos localmente, mientras que otros son dispersados y continúan atravesando el
material en un ángulo de dispersión aleatorio.
4
Independientemente del método de interacción, puede
calcularse la densidad óptica (OD) de una muestra de grosor
l
midiendo cuánto atenúa el haz de luz,
comparando la intensidad de luz que atraviesa la muestra (
I
) con una intensidad de luz de referencia (
0
I
) mediante la ecuación (1) obtenida a partir de la ley de Lambert-Beer.
5
10
0
1 I
OD log
lI
(1)
La OD depende de la longitud de onda del haz incidente de acuerdo a la interacción entre la radiación
electromagnética y la estructura molecular del sistema en estudio.
La aplicación de sistemas de lectura ópticos para extraer datos dosimétricos se remonta al origen de los
dosímetros químicos en 1927,
6
cuando se utilizó la técnica de espectrofotometría UV-Vis como
principal herramienta de lectura. Poco tiempo después de la propuesta del primer dosímetro de gel
polimérico (PGD),
7
se introdujo un nuevo método de lectura 3D de dosímetros de gel usando
tomografía óptica computarizada basado en una fuente láser y dos fotodetectores.
8
Casi
simultáneamente en un área de investigación diferentes se propuso el primer escáner de tomografía
óptica basado en una cámara CCD.
9
A partir de estas dos propuestas este tipo de dispositivos se pueden
dividir en dos grupos, aquellos basados en un arreglo láser-fotodetector y los basados en un haz de luz
incoherente y una cámara CCD. Aunque, este último tipo de escáneres ópticos presenta la ventaja de
contar con una gran resolución y velocidad de adquisición,
10,11
debido al hecho de que su haz ancho
ilumina todo el dosímetro simultáneamente, este tipo de escáner es susceptible a errores relacionados
con la dispersión,
12–15
por lo que son inadecuados para la lectura de materiales cuya principal
interacción con la luz ocurre por dispersión, como es el caso de los PGDs.
16
Por otro lado, los escáneres
basados en un haz láser tienen la ventaja de contar con un haz estrecho que atraviesa la muestra
prácticamente en un punto, por lo que poseen menor contaminación por dispersión y son capaces de
obtener una lectura de PGDs.
17,18
El propósito de este trabajo es desarrollar y caracterizar un escáner láser de bajo costo con capacidad de
lectura bidimensional para aplicaciones de dosimetría de gel polimérico, validando el equipo con
diferentes muestras de PGD frente a otros dispositivos comerciales de mayor costo.
II. MÉTODOS Y MATERIALES
Descripción del instrumento
El diseño del instrumento se basó en el equipo presentado por Gore el al.
8
con algunas modificaciones.
Se diseñó y construyó el sistema de detección de la señal del láser utilizando dos fotodiodos BPV-10,
cada uno integrado a dos amplificadores operacionales con un circuito alimentado por una fuente de
poder de ± 12 V, también de construcción propia cuyo esquema se presenta en la Fig. 1. Cada detector
se construyó con un primer circuito de amplificación de señal que emplea un amplificador operacional
ensamblado en una configuración de amplificador no inversor, que amplifica la señal del fotodiodo
22,27 veces. Un segundo proceso de amplificación eleva 51 veces la señal del detector 1 (D1) y 101
veces la señal del detector 2 (D2). El esquema general del circuito del detector se presenta en la Fig. 2.
FIG. 1: Esquema de fuente de poder de ±12
V
.
FIG. 2: Esquema de circuito de detectores.
La estructura mecánica del instrumento se construyó para proporcionarle capacidad de análisis en 2D,
empleando materiales de bajo costo. La estructura se construyó en hierro con dimensiones
60 40 52
cm y se usaron 4 patas de hule de 2 cm con bulones, para facilitar la nivelación del instrumento y
amortiguar cualquier tipo de vibraciones durante la medición. El equipo utiliza una fuente láser de
diodo con una longitud de onda de 658 nm, un ancho a media altura de 25,5 nm, una potencia de 250
mW y diámetro de haz de 1 mm que establece la resolución del instrumento. El haz láser es dividido en
dos mediante un divisor (splitter) de cristal de 0,15 mm con una capa de 20 nm de oro. Un haz es
registrado por el detector D1 y el otro haz es reflejado por un espejo, pasa a través de la muestra a
estudiar y es reflejado por un segundo espejo hacia una lente plano convexa con un punto focal ubicado
a 4 cm donde se ubica el detector D2. La señal detectada es digitalizada por una placa Arduino Mega
2560 la cual está programada, mediante el software libre Arduino IDE, para realizar el cálculo del
cociente D2/D1 y utilizar este valor como señal del instrumento. Por otro lado, el instrumento se diseñó
con dos motores paso a paso (NEMA 17) unidos a tornillos sin fin, que permiten el movimiento vertical
del portamuestras con una resolución de 40 pasos/mm, y un movimiento horizontal de los espejos que
desplazan el haz con una resolución de 160 pasos/mm, permitiendo de esta manera realizar la medición
de una muestra en 2D. Ambos motores se controlan desde la placa Arduino utilizando una secuencia de
movimientos programados. La placa Arduino registra la señal de los detectores 5 veces, para una
misma posición en la muestra, calcula el cociente D2/D1 para cada lectura, el valor promedio con su
respectiva desviación estándar en cada posición de la muestra y la temperatura de la electrónica
mediante un sensor de temperatura (KY028). Los datos se almacenan en una memoria microSD en
formato de texto y se procesan con un algoritmo dedicado desarrollado en Matlab (Matlab versión
7.11.0.584 - R2010b). El esquema del instrumento se presenta en la Fig. 3. Los datos de temperatura
son utilizados para realizar una corrección empírica de la señal.
FIG. 3: Escáner láser con capacidad 2D.
Pruebas de caracterización
Se determinó el tiempo de estabilización de la señal de la fuente láser.
Se utilizaron soluciones de
4
CuSO
en
24
H SO
en celdas de espectrofotometría como método de
calibración para evaluar la sensibilidad de la lectura del equipo mediante lecturas de absorbancia de
acuerdo a la ecuación
10
0
.
S
A log
S
(2)
Comparando los resultados con los obtenidos por espectrofotometría UV-visible a la misma longitud de
onda.
Se realizaron determinaciones de reproducibilidad y repetibilidad sobre la lectura de una muestra de
agua, en una región de interés (ROI) de
66
píxeles de la cual se obtuvo el valor promedio y la
desviación estándar de los valores registrados por D1 y D2 y el cociente D2/D1. De esta manera, se
realizaron 5 medidas por día durante 8 días diferentes.
Estudio de factibilidad de lectura de PGD puntual
Por otro lado, se evaluó la factibilidad de utilizar el escáner láser para la lectura de PGDs. Para ello, se
utilizó un PGD conocido como PAGAT cuya composición se muestra en la Tabla 1. Los dosímetros se
prepararon siguiendo el proceso de preparación descripto en un estudio previo.
19
Los dosímetros se
irradiaron con diferentes valores de dosis entre 0 y 15 Gy utilizando el tubo de rayos X disponible en
las instalaciones de LIIFAMIR
x
y se analizaron con el equipo construido y con el espectrofotómetro
UV-Vis marca UNICO modelo S1205 Vis. Luego, a partir de la ecuación (3) se calcularon y
compararon las respuestas de
A
vs. dosis obtenidas por ambos métodos.
0
()
ir
A A A mDosis n
(3)
Donde
0
A
y
ir
A
corresponden a los valores de absorbancia medidos en los dosímetros antes y después
de ser irradiados, respectivamente. El valor de la pendiente (
m
) se utilizó como parámetro de
sensibilidad de la respuesta del PGD.
Tabla 1: Composición del dosímetro de gel polimérico PAGAT.
Estudio de factibilidad de lectura en 2D
Se utilizaron dosímetros PAGAT en contenedores tipo estrato de 5,0 × 5,0 × 0,32 cm
3
para verificar la
capacidad del instrumento de determinar distribuciones espaciales de dosis. Los dosímetros se
irradiaron utilizando cuatro tamaños de campo (3 × 3,2 × 2, 1 × 1 y 0,6 × 0,5 cm
2
) con valores de
dosis de 5, 6, 10 y 20 Gy respectivamente. Estos dosímetros se analizaron antes y después de ser
irradiados utilizando el escáner láser y un equipo de transmisión óptica 2D validado.
20
A partir de las
imágenes de
OD
obtenidas con el escáner láser y con el equipo de transmisión óptica 2D se
analizaron los tamaños de campo registrados en los dosímetros.
Aplicación del instrumento en un caso clínico
Se realizó la adquisición 2D de una cara de un dosímetro PAGAT en un contenedor cubico con un
volumen de 1000 cm
3
, el dosímetro fue utilizado como método de verificación de un plan de
tratamiento de radioterapia estereotáctica (SRS). Para ello, se irradió en un acelerador lineal LINAC
Novalis TrueBeam STx, con haces de 6 MV simulando un tratamiento de SRS con 5 blancos esféricos
(que emulan tumores cerebrales) irradiados con diferentes valores de dosis. La distribución de dosis
determinada con el escáner láser en el PGD se comparó con la imagen integrada de la misma
distribución de dosis determinada mediante imágenes de resonancia magnética (IRM), obtenidas con
un resonador marca Philips modelo Itera de 1,5 T, tomando como referencia la distribución de dosis
generada por el sistema de planificación de tratamiento (TPS) Elements de BrainLab.
III. RESULTADOS
Caracterización
En la Fig. 4 se presenta las lecturas de la intensidad de la señal característica de la fuente láser. Como
puede observarse, la fuente láser de diodo utilizada necesita un tiempo de estabilización de 40 min. Los
efectos causados por las fluctuaciones inherentes en la intensidad del láser de diodo se corrigieron
exitosamente utilizando un detector de referencia y tomando el cociente entre las señales registradas
(D2/D1) como valor de respuesta del instrumento.
FIG. 4: Intensidad de la señal del láser de diodo en función del tiempo. Las incertezas son menores al
5
%
La comparación de los resultados obtenidos con el instrumento diseñado y el espectrofotómetro UV
visible para las soluciones de calibración se presenta en la Fig. 5. Puede observarse que existe una
correlación lineal entre ambos resultados con un valor de coeficiente de determinación de 0.986,
demostrando las capacidades del escáner láser para determinaciones de absorbancia óptica.
FIG. 5: A) Curva de calibración absorbancia vs concentración de una solución de
4
CuSO
determinadas con el escáner láser con el láser de diodo, y con el espectrofotómetro UV-vis a una
longitud de onda de 658
nm
. B) Correlación de respuestas entre el escáner láser y el
espectrofotómetro UV-vis.
La Fig. 6 presenta el resultado de las mediciones de una misma muestra en diferentes momentos e
incluyendo la corrección por temperatura, obteniendo una repetibilidad de 98,57% y una
reproducibilidad de 97,74%.
FIG. 6: Intensidad de señal de una muestra de agua.
Lectura puntual de PGD
Las curvas de respuesta de
A
vs. dosis obtenidas con el escáner láser junto con la obtenidas por el
espectrofotómetro comercial se presentan en la Fig. 7. En ambos casos se obtuvo una respuesta lineal
según la dosis absorbida en los dosímetros, con diferencias entre los coeficientes de determinación de
0,6%
y entre las pendientes de ajuste de un
26,3%
. Estas diferencias pueden deberse principalmente a
las diferencias en anchos de banda espectral que utiliza cada instrumento, así como a la sensibilidad
relativa de los fotosensores para las diferentes frecuencias. Sin embargo, los resultados muestran la
capacidad del instrumento construido para su aplicación en dosimetría de gel poliméricos.
FIG. 7: Curvas de respuesta vs dosis obtenidas con el escáner láser y con el espectrofotómetro UV-vis
a 658 nm para los dosímetros PAGAT.
Capacidad de lectura en 2D
Para caracterizar la potencialidad del escáner láser en la determinación de distribuciones de dosis, en
contraste con un equipo validado, se compararon mapas de
OD
obtenidos a partir de adquisiciones
realizadas con el escáner láser y con el equipo de transmisión óptica 2D en dosímetros de PAGAT
irradiados con diferentes tamaños de campo. Los mapas de
OD
obtenidos se presentan en la Fig. 8.
Cabe destacar que el sentido de barrido durante la determinación con el escáner láser es vertical (
y
),
por lo que ante un movimiento horizontal de los espejos, una leve desviación de la alineación causada
por un defecto mecánico del mismo movimiento provoca que el haz láser no incida de forma
perpendicular sobre la superficie del dosímetro lo que conlleva un efecto de refracción del haz láser,
que aunque en su mayoría es corregido por la lente colocada cerca del detector D2, podría variar la
intensidad del haz que detectada produciendo las irregularidades observadas en los perfiles tomados a
lo largo del eje
x
.
FIG. 8: Mapas de
OD
de dosímetros de PAGAT en contenedores tipo estrato obtenidos con el
equipo de transmisión óptica 2D (fila superior) y el escáner láser (fila inferior).
Para disponer de un análisis cuantitativo en la comparación de métodos, se utilizó el valor del tamaño
de campo de irradiación registrado por ambos instrumentos. En la Fig. 9 se presentan los tamaños de
campo determinados con ambos instrumentos de lectura obteniendo una correlación lineal entre los
tamaños de campos registrados, con valores de coeficientes de determinación de 0,997 y 0,999 en los
ejes
x
e
y
, respectivamente. Puede inferirse, a partir del valor de la pendiente en la correlación, que el
escáner láser posee una tendencia a sobredimensionar ligeramente el tamaño de campo en comparación
con el equipo de transmisión óptica 2D, lo que puede resolverse con un sistema de barrido en el
instrumento construido de paso menor.
FIG. 9: Correlación entre los tamaños de campo registrados con el escáner láser y el equipo de
transmisión óptica 2D en sentido horizontal (A) y vertical (B).
Aplicación del instrumento en un caso clínico
Se utilizó el escáner láser para el análisis de un dosímetro PAGAT irradiado simulando un caso clínico.
Para ello, se analizó una cara del dosímetro utilizado en la verificación de un tratamiento SRS y se
contrastaron los resultados con los calculados a partir de los tensores de dosis, integrados en el eje de
proyección del análisis, obtenidos con el TPS y con la técnica de IRM.
En la Fig. 10 se presentan los mapas de dosis relativa integrados en 2D, obtenidos con el sistema de
planificación, el tomógrafo de resonancia magnética y el escáner láser. Puede observarse una muy
buena correlación geométrica. Con fines comparativos se calcularon perfiles a lo largo del eje
x
en
posiciones del eje y de
y
25, 41 y 61 mm los cuales se presentan en la Fig. 11. Además, se calculó
los valores de error relativo cuadrático medio (MSRE) entre los perfiles obtenidos con las diferentes
técnicas, los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 2.
FIG. 10: Imágenes de dosis relativa obtenidas con TPS, IRM y escáner láser utilizando el láser de
diodo. Foto del dosímetro utilizado