| Resumo: | El uso de la radioterapia con protones como tratamiento contra el cáncer es cada vez más común. Sus actuales indicaciones clínicas se basan en las propiedades físicas de los haces de protones, aceptando una efectividad biológica relativa (RBE por sus siglas en inglés) constante e igual a 1.1 con respecto a la radioterapia con rayos X. Sin embargo, hay cada vez más evidencia de una RBE variable y dependiente del lineal energy transfer (LET) del haz de protones, que, a su vez, depende de la posición relativa a lo largo de la traza del haz. Además, la RBE depende del efecto considerado y de las propiedades biológicas de las células o tejidos considerados, así como del esquema de fraccionamiento de dosis. La microdosimetría es la teoría que estudia los patrones de deposición de energía por haces de radiación en volúmenes de tamaño microscópico. Determinando la concentración local de energía impartida en estas dimensiones, es posible calcular el LET y otras magnitudes que caracterizan la calidad del haz. El estudio de las distribuciones de energía impartidas a esta escala puede llevar a una mejor comprensión de la RBE de los haces de protones y a una potencial aplicación clínica. Esta tesis es una colección de siete estudios en esta dirección. Como un todo, pretende establecer la conexión entre la descripción elemental de las interacciones entre protones y materia en términos de microdosimetría y su aplicación clínica. En este sentido, el artículo I estudia las magnitudes microdosimétricas básicas y sus dependencias, y se centra en cómo producir resultados microdosimétricos correctos usando simulaciones Monte Carlo (MC). El artículo II emplea esta metodología para generar distribuciones monoenergéticas de protones de energía cinética de hasta 100 MeV. Estas distribuciones se emplean para generar modelos analíticos de los cuales las magnitudes microdosimétricas de haces de protones polienergéticos pueden ser derivadas en lugar de emplear simulaciones MC para cada caso individual. En el artículo III, los resultados de estos modelos analíticos para haces monoenergéticos se comparan con medidas tomadas con microdosímetros de silicio expuestos a haces de protones monoenergéticos. Para calcular distribuciones espaciales de magnitudes microdosimétricas con el formalismo del artículo II, se necesita determinar el espectro del haz, o más precisamente la fluencia espectral, en cada punto. El artículo IV proporciona un formalismo independiente para calcular fluencias espectrales en haces de protones como función de la profundidad y la posición lateral respecto al eje del haz en agua líquida. Este formalismo, junto a los modelos microdosimétricos del artículo II, permite la determinación tridimensional de magnitudes microdosimétricas. El artículo V ilustra la combinación de los formalismos de los artículos II y IV para producir cálculos de distribuciones de dosis en un sistema de planificación de tratamientos. Estos resultados se comparan con simulaciones MC independientes y cálculos analíticos clínicamente validados, mostrando resultados consistentes. Así, se proporciona una validación parcial de los modelos microdosimétricos presentados en el artículo II. A partir de estos dos formalismos también es posible obtener cálculos microdosimétricos de la dose-mean lineal energy (yD) y el doseaveraged restricted LET, lo que se muestra en el artículo VI. Además, las relaciones de la teoría de microdosimetría entre LET y lineal energy se reevalúan, y se propone y testea una nueva ecuación para calcular restricted LET. Finalmente, en el artículo VII, se usa el Microdosimetric Kinetic Model (MKM) para calcular distribuciones de RBE basadas en las magnitudes físicas obtenidas en los artículos previos. Se evalúa igualmente un nuevo método para la determinación del tamaño del dominio relevante para diferentes líneas celulares de acuerdo con el MKM. Aunque el desarrollo de esta tesis se refiere específicamente a haces terapéuticos de protones, cálculos similares para otras partículas son posibles siguiendo procedimientos y formalismos análogos, lo cual representa una de las líneas de investigación más interesantes a partir de este trabajo.
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