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Investigadores de Fujitsu y la Universidad de Toronto desarrollan una tecnología de inspiración cuántica para optimizar los planes de tratamiento con radiación de los tumores cerebrales y otras enfermedades

Fujitsu Laboratories, Ltd., en colaboración con investigadores de la Universidad de Toronto, ha anunciado el desarrollo de una tecnología para agilizar drásticamente la creación de planes de tratamiento por radiación para la radiocirugía con bisturí de rayos gamma (1). Una investigación que se ha realizado a partir de la tecnología de inspiración cuántica de Fujitsu, Digital Annealer, que resuelve rápidamente problemas de optimización combinatoria.

Las radioterapias con Gamma Knife se utilizan para tratar enfermedades, como los tumores cerebrales y las malformaciones arteriovenosas. El proceso de creación de planes de tratamiento con métodos convencionales suelen ser laboriosos y lentos. Los médicos deben dedicar tiempo a realizar ajustes minuciosos y detallados para determinar la cantidad de radiación que debe administrarse a un objetivo, minimizando la dosis al tejido circundante. Sin embargo, con la nueva tecnología desarrollada gracias a Digital Annealer, los profesionales médicos pueden crear planes de tratamiento, en aproximadamente un minuto, manteniendo el mismo nivel de precisión que los métodos convencionales, mientras calculan simultáneamente un enorme número de posibles patrones de combinación de dónde y cuánta dosis administrar.

Al aliviar la carga de los profesionales médicos en la creación de planes de tratamiento rápidos y precisos, la nueva tecnología les libera para dedicar más tiempo y energía a garantizar que los pacientes reciban la atención más eficaz y humana posible. En el futuro, los Laboratorios de Fujitsu y los investigadores de la Universidad de Toronto seguirán probando la eficacia de esta tecnología, basándose en datos adicionales de los pacientes y, en última instancia, desarrollarán tecnologías que contribuyan activamente a mejorar la ciencia médica y la sociedad en general.

Antecedentes

La cirugía con bisturí de rayos gamma se utiliza para tratar tumores cerebrales y otras afecciones debido a su carácter relativamente no invasivo y al método altamente preciso de administración de la radiación. Mediante el uso de 192 fuentes diferentes de radiación gamma dirigidas a distintos puntos, se puede maximizar la dosis en la zona afectada, mientras se mantiene muy baja la dosis en los órganos sanos circundantes. Hay que tener en cuenta parámetros como la posición, la forma y la cantidad de radiación para conseguir una dosis óptima en la zona afectada. Sin embargo, el número de posibles patrones de combinación es enorme y, en la práctica médica actual, los médicos generan planes de tratamiento repitiendo manualmente los ajustes de los parámetros, basándose en su experiencia previa. Este proceso puede llevar entre 1,5 y 3 horas para generar un plan que satisfaga las necesidades individuales del paciente, lo que supone una gran carga para los profesionales médicos.

Mientras el médico prepara el plan de tratamiento, el paciente también tiene que esperar, a menudo con un armazón fijado a la cabeza para limitar los movimientos, lo que puede causar algunas molestias físicas. También es necesario contar con personal médico que ayude a preparar a los pacientes para el tratamiento y se asegure de que el armazón permanece en su sitio.

En los últimos años han aparecido nuevas herramientas que facilitan este proceso, por ejemplo, software que automatiza la generación de planes de tratamiento. Sin embargo, a menudo sigue ocurriendo que el plan generado todavía requiere que los clínicos modifiquen y ajusten manualmente los planes.

Desde 2017, Fujitsu y la Universidad de Toronto colaboran en una asociación estratégica centrada en la investigación relacionada con la computación cuántica. Con esta última iniciativa, han trabajado en el desarrollo de una tecnología para ayudar a aplicar el uso del Digital Annealer para la generación de planes de tratamiento para las terapias Gamma Knife. Los investigadores de la Universidad y sus instituciones médicas estudiaron y desarrollaron métodos para trasladar la optimización del Gamma Knife a la optimización combinatoria, un formato comprensible por la tecnología Digital Annealer desarrollada por Fujitsu.

Fig. 1 Visión general de la terapia con Gamma Knife

Acerca de la nueva tecnología desarrollada

Los investigadores de la Universidad, gracias a sus métodos y al uso de la tecnología Digital Annealer de Fujitsu, han dado un paso más para generar planes de tratamiento a gran velocidad, manteniendo la misma precisión que los planes de tratamiento creados por médicos experimentados.

1Usando las propiedades físicas del cuerpo humano (perfil de dosis), se modela la forma del disparo durante la irradiación gamma

En el pasado, se suponía que los disparos (área concentrada de rayos gamma) formados por múltiples rayos gamma eran perfectamente esféricos durante el proceso de determinación de la posición del disparo. Sin embargo, se ha comprobado que la esfera no es necesariamente perfecta, debido a la influencia de la humedad del cuerpo humano. La nueva tecnología desarrollada determina la posición de los disparos, utilizando formas de disparo que reflejan las características físicas de los rayos gamma en el cuerpo humano. Esto puede contribuir a la generación de planes de tratamiento más precisos.

2Optimización de los parámetros de radiación mediante Digital Annealer

En el pasado, durante el proceso de determinación de la posición del disparo, se establecían secuencialmente múltiples posiciones de radiación de rayos gamma (Posición del disparo); se determinaba la posición del primer disparo y, a continuación, la del segundo para incluir la parte restante del tejido afectado, en la medida de lo posible. Sin embargo, esto puede no dar lugar al número óptimo de disparos o posiciones. Por el contrario, Digital Annealer permite a los usuarios buscar las posiciones de todos los disparos simultáneamente al principio, lo que da como resultado un plan de tratamiento optimizado, globalmente más preciso. También es posible obtener una solución optimizada para los parámetros de la forma de la radiación, lo que permite generar rápidamente un plan de tratamiento que optimiza la dosis para cada paciente.

 


Fig. 2 Plan Flow con el método convencional frente a la nueva tecnología.

En un estudio de 49 casos de tumores del nervio auditivo, los investigadores de la Universidad compararon la tecnología recién desarrollada con el método convencional. En relación con un índice de precisión de la administración de la radiación, se comprobó que la tecnología desarrollada era tan precisa como la planificación manual. Además, mientras que la generación manual de un plan tardaba entre 1,5 y 3 horas, con la nueva tecnología se podía reducir a unos 2 minutos.

Al apoyar la generación de planes con la tecnología recién desarrollada, se puede reducir drásticamente el tiempo necesario para el tratamiento con bisturí de rayos gamma, así como la carga para los pacientes y los profesionales médicos. También cabe esperar una disminución de los costes de personal de los hospitales.

Planes futuros

En el futuro, los investigadores de la Universidad de Toronto y Fujitsu Laboratories seguirán verificando la eficacia de esta tecnología, basándose en los datos de más pacientes y continuarán desarrollando tecnologías que ofrezcan el potencial de contribuir a la ciencia médica y a la sociedad, en general. Entre los posibles proyectos futuros figuran la reducción del tiempo necesario para los procesos de tratamiento con bisturí de rayos gamma en sí mismos, en lugar de los planes de tratamiento, o la aplicación de esta tecnología a otros métodos de radioterapia.