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Investigación

Motivación:

Las radiaciones ionizantes se utilizan de forma habitual en el ámbito sanitario, principalmente en el diagnóstico por la imágen (en radiología mediante la utilización de haces de rayos X, y en medicina nuclear mediante la utilización de radiosótopos) y en el tratamiento de diversas patologías mediante el uso de haces externos de fotones o electrones (radioterapia externa), fuentes encapsuladas (braquiterapia) o radiosótopos no encapsulados (medicina nuclear).

Las técnicas de simulación numérica del transporte de particulas (fotones, electrones y positrones) mediante técnicas Monte Carlo en medios complejos se han aplicado desde hace mas de 50 años en todo un abanico de situaciones (complementar medidas experimentales, caracterización de equipos, dosimetría a pacientes, etc). En los ultimos años esta metodología ha experimentado un enorme crecimiento en su utilización y aplicaciones, quedando su uso unicamente limitado por los tiempos de CPU necesarios para la obtención de resultados en modelos complejos.

En la imagen: Modelado de un paciente y generación de una imagen radiográfica virtual utilizando técnicas de simulación monte-carlo.

Las técnicas de simulación Monte Carlo:

La descripción del transporte de partículas mediante técnicas Monte Carlo se fundamenta en la caracterización del transporte de las particulas por distribuciones de probabilidad que describen, por un lado, la longitud que ha de recorrer la particula entre dos interacciones en cada material, y de otro, los ángulos de dispersión y balance energético que esta experimenta al interaccionar. De esta forma, y mediante la utilización de un generador de números aleatorios se produce la simulación del transporte de las particulas en el seno de un material tomando, de forma secuencial y para cada partícula simulada, decisiones sobre a) las condiciones iniciales de la misma (energía, dirección, etc), b) sobre la longitud hasta la siguiente interacción, c) sobre el proceso físico mediante el cual interacciona (Compton, fotoelectrico, etc) y d) sobre el resultado de dicha interacción (angulo de dispersión, producción de particulas secundarias, etc).Las técnicas de simulación Monte Carlo son por consiguiente de naturaleza necesariamente estadística y requieren el seguimiento de una gran cantidad de partículas para alcanzar la precisión requerida, lo que implica tiempos de computación considerables.

Como ventajas asociada a esta metodología están la capacidad de obtener resultados con la precisión espacial y temporal requiridas, así como la de obtener resultados para multiples parámetros físicos de forma simultánea. Todo esto convierte a esta técnica en una poderosa herramienta que hace que se considere frecuentemente como el estándar para la obtención de resultados en muchas aplicaciones biomédicas.

En la imagen: Evolución temporal de la energía depositada por un haz fino de fotones en un maniquí de dimensiones semi-infinitas.

Simulación del transporte en tu ordenador

En Ibercivis, cada trabajo de Sanidad que se envía a los ordenadores de los ciudadanos ejecuta la simulación del trasporte de partículas con unas condiciones ambientales determinadas (materiales con los que se interacciona, geometrías de estos, ...). 

La simulación detallada en estas condiciones, complementada con mediciones experimentales, nos permite mejorar las técnicas diagnósticas, la calidad de los tratamientos y la protección de los pacientes y profesionales ante las radiaciones ionizantes.

Gracias a estas simulaciones esperamos poder obtener resultados en condiciones que sin vuestro apoyo resultarían prohibitivas en tiempos de realización y cuyo análisis nos permitirán obtener una valiosísima información.

En la imagen: Visualización de un tratamiento de Cáncer de Próstata mediante la utilización de 112 semillas radiactivas de Iodo 125.

El código de simulación Penelope

PENELOPE, acrónimo de "PENetration and Energy LOss of Positrons and Electrons" es un programa de proposito general  para la Simulación Monte Carlo que describe el transporte de fotones ,electrones y positrones en cualquier material para el rango de energías entre 50 eV y 1GeV. PENELOPE se desarrolla de forma activa en la Universidad de Barcelona y se distribuye a través de la Agencia de la Energía Nuclear (http://www.nea.fr).