desenvolvimento de um modelo computacional “caso gbm”

DESENVOLVIMENTO DE UM MODELO COMPUTACIONAL
“CASO GBM” DE UM FANTOMA FÍSICO PARA DOSIMETRIA
Larissa Thompson1, Renato H.Kawamoto2, Bruno Trindade3, Tarcísio P. R. Campos4
1, 2 e 3
Depto. de Engenharia Nuclear, Universidade Federal deMinas Gerais, Belo Horizonte (MG), Brasil
E-mail: [email protected]
Resumo. O glioblastoma multiforme (GBM) é um tumor cerebral maligno de alta letalidade devido ao
seu crescimento agressivo e infiltrativo. Existe a necessidade de verificar e tornar eficiente os cálculos e
o planejamento radioterápico para casos de teleterapia de GBM para validar e qualificar doses
absorvidas no tumor e no cérebro sadio. Para que a dosimetria seja validada, simuladores físicos e
computacionais podem ser empregados, fazendo com que a intercomparação experimental e teórica
propicie valores mais assertivos e qualificados para determinada situação clinica sem expor
desnecessariamente o cérebro sadio à radiação. A metodologia empregada consiste no desenvolvimento
de um fantoma físico de cabeça e pescoço e de seu respectivo simulador computacional. O sistema
computacional SISCODES, desenvolvido pelo grupo Núcleo das Radiações Ionizantes (NRI), é utilizado
como ferramenta no modelamento computacional. O modelo é gerado através da conversão de imagens
tomográficas obtidas do simulador físico em um modelo de voxel tridimensional. O simulador físico
contém um tumor-equivalente GBM sintético inserido em um fantoma físico de cabeça e pescoço. Os
resultados mostram a equivalência do modelo computacional com o simulador físico através de
comparações por imagens tomográficas. A representação realística do caso torna-se vantajosa em
futuras experimentações em radioterapia. Após o desenvolvimento do modelo de voxels, simulações de
transporte de partículas serão feitas, seguindo protocolos radioterápicos, nesse caso, no cérebro e no
GBM.
Palavras-chave: Fantoma, GBM, SISCODES
1.
INTRODUÇÃO
O glioblastoma multiforme (GBM) é a forma mais comum de tumores cerebrais
primários, representando 15-20% de todos os tumores intracranianos e 50% dos gliomas
cerebrais. Ele é um dos tumores mais biologicamente agressivos com a média de
sobrevida pós-diagnóstico menor que um ano. Apesar do prognóstico relativamente
pobre para esse tumor, o tempo de sobrevida varia consideravelmente de paciente a
paciente, o que torna desafiador a forma como selecionamos o tratamento mais
apropriado, baseando-se na heterogeneidade e natureza infiltrativa do tumor levando-se
em conta que ambos os critérios identificam as margens tumorais e define o quanto
problemático possa ser o tumor [Nelson &Cha, 2005].
Dor de cabeça, fraqueza e alterações mentais são alguns dos sintomas mais
comuns do glioblastoma multiforme. As características das imagens da lesão são mais
bem identificadas através da tomografia computadorizada (TC) ou da ressonância
magnética (RM), apresentando áreas hipodensas e muitas vezes associada a edemas
[Silkeret al., 2008].
A imagem é um componente integral na avaliação clínica dos pacientes e é
usado para o diagnóstico, planejamento do tratamento e, resposta à terapia. Orientação
por imagem é normalmente usado para ressecção cirúrgica e seleção de amostras de
tecidos para diagnóstico histológico. A completa ressecção do tumor é rara devido à sua
natureza infiltrativa e a possibilidade de danificar o cérebro sadio. A radiação é
necessária para o tratamento da doença residual e isso depende da imagem para o
planejamento do tratamento e identificação recorrente do tumor [Nelson &Cha, 2005].
Uma das áreas mais dinâmicas da investigação em radioproteção, imagens
radiológicas e radioterapia são a modelagem da anatomia humana em modelos de
voxels aplicados ao código Monte Carlo para fins de transporte da radiação e
estimativas de dose absorvida. Trabalhar em dosimetria implica em determinar a
quantidade de dose e a distribuição espacial da energia depositada em várias partes do
corpo humano por fontes internas ou externas de radiação. A radioterapia objetiva
entregar uma dose letal para o alvo, poupando os tecidos adjacentes saudáveis a partir
dos efeitos adversos da radiação. A dosimetria exata da radiação é crucial, mas torna-se
um grande desafio devido a três razões: (1) há diversos cenários resultantes de
exposições em uma única relação espacial e temporal entre a fonte e o corpo humano;
(2) uma exposição pode envolver vários tipos de radiação que são regidos por radiações
com princípios físicos bastante diferentes, incluindo fótons (e raios gama), elétrons,
pósitrons, partículas alfa, nêutrons e prótons; (3) o corpo humano consiste de tecidos
não homogêneos tridimensionais (3D) de várias densidades e formas geométricas, que
variam com a idade e gênero, e alteram com o movimento e ritmo respiratório e
cardíaco, tornando a obtenção de parâmetros de interação da radiação com a matéria
extremamente complexa. Também não é prudente fazer a medição direta de doses de
radiação utilizando detectores físicos no interior do corpo humano. Por conseguinte,
doses estimadas para órgãos de interesse selecionados dependem de "modelos
antropomórficos" físicos ou computacionais, que mimetizam as características
anatômicas interiores e exteriores do corpo humano. Historicamente, chamamos de
“fantoma” o modelo físico e matemático do corpo humano [Xu, 2010]. Um fantoma
físico é feito de materiais sólidos equivalentes aos ossos e tecidos moles de que podem
ser moldados com a forma da anatomia humana e depois desenvolvidos de maneira que
dosímetros de radiação possam ser acomodados [Xu, 2010].
O grupo de pesquisa NRI (Núcleo das Radiações Ionizantes/DEN/UFMG) vem
desde 2002 atuando na construção e aperfeiçoamento de fantomas físicos [Matos, Dias
& Campos, 2011; Nogueira & Campos, 2010; Rabelo, Thompson & Campos, 2010;
Salles & Campos, 2010; Thompson & Campos, 2009; Schettini, Maia & Campos,
2007], onde quesitos como: características anatômicas (antropometria e antropomorfia),
densidade mássica, composição química, resposta aos coeficientes de Kerma de fótons e
nêutrons, e resposta radiológica foram testados, validados e levados em consideração no
produto final.
Paralelamente ao desenvolvimento de fantomas físicos, com o advento da
primeira geração de computadores e dos métodos de simulação Monte Carlo para a
pesquisa de armas nucleares na década de 1940, tornou-se gradualmente possível
calcular doses de órgãos em um fantoma computacional. Cada fantoma computacional
define não só as características exteriores do corpo humano inteiro, mas também inclui
detalhes sobre os órgãos internos tais como o seu volume, massa, e forma. Juntamente
com as informações sobre as densidades de tecidos e composições químicas, um
fantoma computacional permite que os códigos de Monte Carlo simulem interações e
deposições de energia no corpo para vários tipos de radiação [Xu, 2010].
O sistema computacional SISCODES, desenvolvido pelo grupo NRI (Núcleo
das Radiações Ionizantes/DEN/UFMG) funciona como ferramenta no modelamento
computacional e simulação do planejamento radioterápico e radiológico, o qual opera
através da conversão de imagens tomográficas em um modelo de voxels tridimensional
[Trindade & Campos, 2011]. Desde que foi desenvolvido em 2004, o código tem sido
utilizado em vários estudos do grupo NRI tornando-se uma ferramenta útil para muitos
pesquisadores devido à variedade de informações que proporciona. Pode-se trabalhar
tanto com modelamento animal [Costa & Campos, 2007] como em modelamento
humano [Donanzam & Campos, 2012; Fonseca, Trindade& Campos, 2011; Thompson,
Trindade & Campos, 2007] baseado em imagens tomográficas de animais e humanos
para estudos em dosimetria. Em estudo anterior, alguns desses fantomas físicos foram
utilizados em dosimetria experimental em hospitais de referência em radioterapia em
Minas Gerais, e atualmente, estão sendo utilizados como ferramenta no
desenvolvimento de fantomas computacionais para aplicação em dosimetria
computacional, através da simulação do mesmo caso simulado experimentalmente.
O presente trabalho consiste na construção de um modelo computacional da
região do cérebro humano com um caso de GBM utilizando o software SISCODES
baseado em imagens tomográficas de um fantoma físico de cabeça e pescoço
desenvolvido pelo grupo NRI. Foram digitalizadas seções de tomografia
computadorizada obtidas desse GBM simulador inserido no fantoma físico. Essas
imagens foram convertidas em um modelo tridimensional de voxels, cujos tecidos,
composição química e densidade foram identificados previamente. A simulação do
transporte de partículas nucleares será realizada pelo código estocástico MCNP5 em
estudos futuros.
2.
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Construção do fantoma físico
Um fantoma físico de cabeça e pescoço foi construído com inclusão de um
simulador do tumor GBM na região cerebral [Thompson e Campos, 2009]. Parâmetros
como densidade mássica e percentual elementar em peso dos tecidos equivalentes foram
medidos experimentalmente e avaliados por estequiometria a partir dos compostos
químicos constituintes do fantoma.
2.2 Parâmetros físicos do fantoma físico
Desde que o SISCODES foi desenvolvido, a única preocupação no
desenvolvimento dos modelos computacional animais e humano era garantir a fiel
reprodução anatômica no simulador virtual computacional. Para tal, informações sobre
os tecidos humanos como, composição química e densidade foram armazenadas e
disponíveis no banco de dados do próprio SISCODES. No caso, dados do fantoma
físico devem ser inseridos no Banco de Dados do SISCODES, parâmetros como
densidade mássica, percentual elementar em peso dos tecidos equivalentes, e respectivas
bibliotecas de dados nucleares.
2.3
Geração de imagens tomográficas do fantoma físico
A área de interesse foi obtida a partir de imagens de tomografia
computadorizada. O modelo utilizado no procedimento foi o fantoma físico de cabeça e
pescoço, com o GBM simulador inserido no interior do cérebro sintético.
2.4
Construção do modelo computacional de cabeça e pescoço
Um modelo computacional da região do cérebro humano com um caso de GBM
foi construído utilizando o software SISCODES. As tomografias computadorizadas são
digitalizadas por processos convencionais e as imagens digitais resultantes são então
tratadas no software SISCODES. Este software tem como finalidade tornar possível o
reconhecimento das regiões de interesse pelo código MCNP5. O procedimento consiste
em transformar as tomografias computadorizadas num mapa de voxels, onde as regiões
de interesse correspondentes a órgãos e tecidos específicos são delimitadas e recebem
cores específicas. Estas cores utilizadas fazem referência a um banco de dados com a
composição química e densidade de diversos tecidos do corpo humano. Os cortes
tomográficos são tratados um a um e então montados como um modelo de voxels
tridimensional. O volume estudado foi montado a partir de 91 cortes tomográficos que
compreende da região da cabeça até o pescoço.
3.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Imagens do fantoma físico
O fantoma físico representa um modelo de cabeça e pescoço. Figura 1mostra o
fantoma físico utilizado e sua resposta radiológica. O fantoma foi desarticulado na
região do crânio para que o GBM simulador feito com tecido equivalente fosse inserido.
Foram também inseridos dosímetros de radiação ionizantes, do tipo filme radiocrômico
Gafchromic EBT2, cortados, selados e dispostos em forma de cruz. Figura 2 mostra o
tumor simulador e sua resposta radiológica com os dosímetros alojados em seu interior.
Figura 1. (A) Fantoma físico de cabeça e pescoço e (B) sua resposta radiológica (TC).
Figura 2. (A) GBM simulador e (B) resposta radiológica do tumor simulador e
dosímetros inseridos no cérebro do fantoma.
Os valores de densidade mássica dos tecidos envolvidos no fantoma estão representados
na Tabela 1.
Tabela 1 – Densidade mássica dos tecidos equivalentes constituintes do fantoma físico.
Tecidos equivalentes
Densidade (g.cm-3)
Osso cortical
Cartilagem
Cérebro (adulto)
Cerebro (criança)
Musculo (solido)
Musculo (elastômero)
Pele
1.90 ±0.01
1.10 ±0.01
1.08 ±0.01
1.00 ±0.01
1.05 ±0.01
1.00 ±0.01
1.09 ±0.02
3.2 Fantoma computacional
O modelo de voxel “CASO GBM” do fantoma físico de cabeça e pescoço foi
desenvolvido. Foi definida a região de interesse para as avaliações de dose no simulador
GBM, dentro do cérebro do fantoma físico. A Figura 3 mostra uma sequência de alguns
cortes do modelo computacional de cabeça e pescoço, região do cérebro, onde cada
voxel está associado a um tecido específico com densidade e composição elementar
específica.
Figura 3. Sequência de cortes do modelo computacional de cabeça e pescoço, região do
cérebro, onde o tumor GBM foi simulado.
A Figura 4 mostra as comparações entre as tomografias computadorizadas do
corpo humano, do fantoma físico de cabeça e pescoço e suas correspondentes seções
tratadas no SISCODES, região do crânio.
Figura 4. Tomografias computadorizadas do corpo humano, do fantoma físico de cabeça
e pescoço e suas correspondentes seções do modelo de voxels tratadas no SISCODES.
4.
CONCLUSÃO
Após construção dos modelos físico e computacional, pode-se observar a
equivalência anatômica dos mesmos. Ambas as ferramentas de dosimetria experimental
e teórica serão utilizadas para validação de doses em radioterapia de tumores cerebrais
onde a dose absorvida e taxa de dose podem ser analisadas e comparadas por métodos
experimentais e computacionais. Procedimentos de irradiação seguindo protocolos de
irradiação de GBM estão em progresso, elaborados no Hospital Luxemburgo de Belo
Horizonte.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico e FAPEMIG pelo apoio financeiro.
REFERÊNCIAS
1.Costa, I.T. e Campos, T.P.R. (2007), “Resposta radiodosimétrica de implantes de sementes de biovidros
radioativos no cérebro de coelhos”, Revista Matéria, 12, 480-486.
2. Donanzam, B.A., Campos, T.P.R. (2012), “Biocerâmicas com Ho-166 e Sm-153: síntese,
caracterização e avaliação dosimétrica em radiovertebroplastia”, Dissertação de Mestrado,
DEN/UFMG, Belo Horizonte.
3. Fonseca, K.R., Trindade, B.M. e Campos, T.P.R. (2011), “Development of a Voxel Model of the Heart
for Dosimetry”, Artificial Organs, 35, 459-464.
4. Matos, A.S.D., Dias, H.G. e Campos, T.P.R..(2011), “Experimental dosimetric evaluation in pelvis
phantom subject to prostate radiation therapy protocol at 15MV LINAC”, 5thInternational Nuclear
Atlantic Conference - INAC 2011, Belo Horizonte, vol 1, p. 1-15.
5. Nelson, S.J., Cha, S.(2005), “Imaging Glioblastoma Multiforme”, in Glioblastoma Multiforme, J.
Market, V.T. DeVita Jr., S.A. Rosenberg, S. Hellman, Jones and Bartlett Publishers, Sudbury.
6. Nogueira, L.B., e Campos, T.P.R., “Radiological Response of a CompressesBreastPhantom for
Radiodosimetry”, 6º Congresso Latino Americano de Órgãos Artificiais - COLAOB 2010, Gramado,
vol1, p. 1-6.
7. Rabelo, L.A., Thompson, L. e Campos, T.P.R., “Simulador de Seção Abdominal para Dosimetria em
Protocolos Tomográficos”, 6º Congresso Latino Americano de Órgãos Artificiais - COLAOB 2010,
Gramado, vol1, p. 1-6.
8. Salles, P.M.B. e Campos, T.P.R., “Ananthropometricandantropomorphicfootphantom”, 6º Congresso
Latino Americano de Órgãos Artificiais - COLAOB 2010, Gramado, vol1, p. 1-6.
9. Schettini, M.P., Maia, M. e Campos, T.P.R. (2007), “The development of an anthropomorphic and
anthropometric thorax female phantom for experimental radiodosimentry”, International Journal of
Low Radiation, 4, 124-135.
10. Silker, M.L., Donahue, B.R., Vogelbaum, M.A., Tome, W.A., Gilbert, M.R., Mehta, M.P. (2008),
“Primary Intracranial Neoplasms”, in Principles and Practice of Radiation Oncology, E.C. Halperin,
C.A. Perez, L.W. Brady, Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia.
11. Thompson, L., Trindade, B.M. e Campos, T.P.R..(2007), “A Computational Phantom of Head and
Neck – SISCODES”, 3thInternational Nuclear Atlantic Conference - INAC 2007, Santos, vol 1, p. 1-6.
12. Thompson, L. e Campos, T.P.R..(2009), “Radiological Image Interpretation for Hematona and Small
Tumors Simulated in a Head and Neck Phantom”, 4thInternational Nuclear Atlantic Conference INAC 2009, Rio de Janeiro, vol 1, p. 1-13.
13. Trindade, B.M., Campos, T.P.R. (2011), “Remodelamento do SISCODES - Sistema de Cálculo de
Dose por Método Estocástico”, Tese de Doutorado, DEN/UFMG, Belo Horizonte.
14. Xu, X.G.(2010), “Computaional Phantoms for Radiation Dosimetry: A 40 - Year History of
Evolution”, in Handbook of Anatomical Models for Radiation Dosimetry, X.G. Xu, K.F. Eckerman,
Taylor & Francis, Boca Raton.
DEVELOPMENT OF “GBM CASE” COMPUTATIONAL MODEL
BY PHYSICAL PHANTOM FOR DOSIMETRY
Larissa Thompson1, Renato H. Kawamoto2, Tarcísio P. R. Campos3
1, 2 e 3
Depto. de Engenharia Nuclear, Universidade Federal deMinas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais
(MG), Brasil
E-mail: [email protected]
Abstract. Glioblastoma multiforme (GBM) is a high lethal malignant brain tumor due to its aggressive
and infiltrative growth. It is necessary to verify and improve the calculation and radiotherapy planning
for teletherapy GBM treatments in order to validate and qualify absorbed doses in tumor and healthy
brain. Dosimetry validation can be achieved by the use of physical and computational simulators making
the experimental and theoretical intercomparison possible to provide more assertive and qualified values
for determined clinical situation without unnecessarily exposing healthy brain to radiation. The
methodology consists of developing a physical head and neck phantom and its corresponding
computational simulation. The SISCODES computational system, developed by the Ionizing Radiation
Group (NRI), is used as a tool to computational modeling. The model is generated by converting CT
images obtained from the physical simulator into a three-dimensional voxel model. The physical
simulator contains a synthetic GBM tumor-equivalent inserted into a physical head and neck phantom.
The results show the equivalence between the computational model and the physical simulator through
comparisons of tomographic images. The realistic representation of the case becomes advantageous for
future radiotherapy experiments. After the voxels model development, particle transport simulations will
be made, following radiotherapy protocols, specifically to the brain and GBM.
Keywords: Phantom, GBM, SISCODES