Leksell Gama Knife - Fisica Medica

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A. del Vecchio Leksell Gama Knife Antonella del Vecchio Servizio di Fisica Sanitaria IRCCS San Raffaele - Milano A. del Vecchio Corpo centrale contenente 201 sorgenti sigillate di 60 Co (A 0 = 6000 Ci ± 10%) Lettino porta paziente che si muove verso il centro della testata ed inserisce il paziente nella zona di trattamento. Schermo piombato da 185 mm A. del Vecchio Le sorgenti sono distribuite lungo un’emisfera in modo che la radiazione converga verso un punto denominato Unit Center Point (isocentro RT) Nello UCP viene posizionato il bersaglio durante il trattamento. 4 – 8 - 14 - 18 mm A. del Vecchio E’ possibile trattare volumi anche se di forma irregolare utilizzando isocentri multipli. Dimensione e forma del target possono essere variati combinando tra loro i collimatori o chiudendone una parte. La peculiare struttura della GK permette di strutturare l’isodose di riferimento (50%) esattamente attorno al target con un coinvolgimento estremamente limitato delle strutture sane circostanti. Mettere snapshot

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A. del Vecchio

Leksell Gama KnifeAntonella del Vecchio

Servizio di Fisica SanitariaIRCCS San Raffaele - Milano

A. del Vecchio

Corpo centrale contenente 201 sorgenti sigillate di

60Co

(A0 = 6000 Ci ± 10%)

Lettino porta paziente che si muove verso il centro della testata ed inserisce il paziente nella zona di trattamento.

Schermo piombato da 185 mm

A. del Vecchio

Le sorgenti sono distribuite lungo un’emisfera in modo che la radiazione converga verso un punto denominatoUnit Center Point(isocentro RT)Nello UCP viene posizionato il bersaglio durante il trattamento.

4 – 8 - 14 - 18 mm

A. del Vecchio

E’ possibile trattare volumi anche se di forma irregolare utilizzando isocentri multipli. Dimensione e forma del target possono essere variati combinando tra loro i collimatori o chiudendone una parte.La peculiare struttura della GK permette di strutturare l’isodose di riferimento (50%) esattamente attorno al target con un coinvolgimento estremamente limitato delle strutture sane circostanti.

Mettere snapshot

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1. un casco che viene fissato alla teca cranica del paziente per mezzo di quattro viti

2. una sfera di materiale plasticoche viene fissata al casco e permette di misurare l’encefalo

3. un set di localizzaztori dascegliere in base alla metodologia diagnostica prescelta (TC, RM, DSA)

1

2

3

A. del Vecchio

Dopo aver eseguito l’indagine

diagnostica, le immagini vengono

inviate alGamma Plan

per l’elaborazione del piano di

trattamento.

A. del Vecchio

QA program• Emergency tests (initialising, alarm, interlock) to check

safety and security of the machine for patients and workers

• Tests on acquisition and transfer of the CT and MR images

• Dosimetric tests (dose-rate, dose profiles, dose-response linearity, output factors)

• mechanical and geometrical tests (timer accuracy, precision of beam alignment, focus precision check, accuracy of geometrical center and irradiation center)

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Ogni 6 mesi, controllo del sistema di trasferimentoed elaborazione delle immagini con

ELEKTA MR PHANTOM

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A. del Vecchio A. del Vecchio

To check the correct working of collimators we simulated a treatment setting all different collimators. We then irradiated a head phantom with gafchromic films inside

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yearly± 2%dose-response linearity

yearly± 1 mmdose profiles of all collimators on x, y, z axis

two-yearly+ 0.5 mmaccuracy of geometrical and irradiation center

two-yearly± 3 % (16 mm),± 3 % (8 mm), ± 5 % (4 mm)

output factors

two-yearly1 mm axial 2 mm coronal

distorsion and resolution monthly< 0.07 mintimer accuracy

monthlyDD < ± 2%Dd in progress

complex treatment reproducibilitymonthly± 2%dose rate

FrequencyTolerance Parameter

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2D dose distribution from a gaf chromic for the 16 mm collimator in xy plane and the

correspondent profile

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• The stray radiation field inside the radiation unit of LeksellGammaKnife® Perfexion™ has been measured using a custom made holder (Fig. 1) for Thermo Luminescent Dosimeters.

• 257 TLD (type GR200A, LiF: Mg,Cu, chip Ø 4,5 x 0.8 mm, Sensitivity 0,5 µGy - 12 Gy, Reader type RADOS RE-2000)

• were placed on a holder made of paper and Styrofoam with an estimated resolution accuracy of 5 mm; every single TLD-chip wasplaced in a special box to obtain the build-up condition.

• Calibration of the TLD-chips were performed at CESNEF centre of Politecnico University – Milan (Italy), using an ICRU-ISO Slab 300X300X150 phantom, with an ISO Co-60 beam. In this way the measured values correspond to Hp(10).

A. del Vecchio

OFF POSITION : -10 cm (mGy/h)

40,6 48,1 41,4

37,5 59,0 42,5

57,9 57,9

47,9 56,7 64,1 55,8 42,9

56,4 54,1

41,4 55,8 41,2

39,7 43,8 41,6

OFF POSITION : 20 cm (mGy/h)

4,5 5,1 6,4 4,6 4,54,4 5,9 5,5 5,8 5,7 6,1 5,1

4,7 5,4 5,4 5,3 4,95,6 5,5

6,7 5,6 5,3 10 5,7 5,6 6,85,6 5,7

5,1 5,2 5,6 5,9 5,05,2 6,0 5,8 5,6 5,4 6,1 4,9

4,7 4,5 6,0 5,2 5,1

A. del Vecchio

Home Position - z axis

11,2 16,3

111,7

35,7

53,6

76,6

95,0

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 top -> (cm)

(mGy/h)

Home Position - Central slide

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

(cm)

(mGy/h)x axisy axis

x

Off Position - z axis

10,0 15,0

96,0

14,321,9

30,9

64,1

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 (cm)

(mGy/h)

Off Position - Central slide

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

(cm)

(mGy/h)x axisy axis

x

A. del Vecchio

Stray field is “flowing” through the collimators in the direction of the focus point. The magnitude of the field – measured as Hp(10) - is approximately 2 mGy/min when the sectors are either in sector Off or sector Home position. The field is slightly higher when the sectors are in Home position due to the fact that the treatment cavity is less effectively shielded from the sources at the very back on the sectors when the sectors are in the Home position. The magnitude of this stray field, and the assumption that this field has a relatively low energy, indicates that this field has no, or at least a very low, clinical significance.

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Attività Gamma Knife hSR(1993 – 2006)

5

112 88152

261 241285

211

289

367 372424

516 526

0

100

200

300

400

500

60019

93

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

A. del Vecchio

hSR : Patologie trattate (2001 – 2006)

12

3

7,0

0,2

12,617,2

4,8 5,3 6,4

34,6

0,6 1,46,7

3,1

0,05,0

10,015,020,025,030,035,040,0

AVM O

ther

vascular

Acustic

Neuroma

Meningioma

Pituitary

s

Pituitary

ns

Other

benign

Metastatic

tumor

Glial

tumor

Ocular

melanoma

Other

malignant

Trigeminal

neuralgia

(%)

A. del Vecchio

Dosi per patologia (50%)

dose media dose massima dose minimaAdenoma NS 18 22 14Adenoma S 25 25 24MAV 22 30 18Melanoma uvealeMeningioma 14 24 9MET 22 33 10Neurinoma acustico 13 15 10Nev. Trigemino

35

40

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Dosi massime consigliate (Gy)

86 Se precedente RT

10 Dmax tollerata12 20-30% cecità post trattamento

Nervi cranici oculomotori 15Trigemino 12 Con 13-14 Gy, 1-3% complicanzeAcustico 13 50% deterioramentoCoclea 8 Ipoacusia

14-15 Per piccoli volumi o interfaccia10 Per grandi volumi

Ipofisi 15 IpopituitarismoStalk 8 IpopituitarismoCristallino 1 Cataratta con D > 5 GyArea motoria 15

10 Alopecia20 Necrosi

Nervo ottico e chiasma

Cute

Brain sterm

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Radiochirurgia perAdenomi NS

A. del Vecchio

Surgery

Postoperative MRI

Residual adenoma

Follow-up Gamma Knife

Regrowth?

48 pts55 pts

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GKRSgroup

No GKRSgroup

Patients N° 48 55

males 24 34

females 24 21

Mean age 55±2 yrs 52±2 yrs

Mean follow-up 40.5±3.4months

63.7±5.3months

Volume cm3 2.5±0.3 3.1±0.4

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Residual adenoma1 yr follow up

No Radiosurgery

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PreopPreop

Gamma KnifeGamma Knife

4 yrs follow-up4 yrs follow-upRadiosurgeryA. del Vecchio

00

2020

4040

6060

8080

100100

00 2020 4040 6060 8080 100100 120120MonthsMonths

DiseaseDisease--free survival (%)free survival (%)

RadiosurgeryRadiosurgery vsvs No No RadiosurgeryRadiosurgery

P < 0.01P < 0.01Log-Rank test

A. del Vecchio

Definizione (Steiner e Lindquist)

Una MAV è considerata completamente chiusa (obliterazione completa), quando un’angiografia effettuata entro 3 anni dal trattamento dimostra

la completa assenza di vasi patologici, la scomparsa/normalizzazione del drenaggio venoso

della zona, la normalizzazione del circolo nei tempi venosi e arteriosi.

Radiochirurgia perMAV

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Modelli previsionali

1. K index

2. Karlsson-Lax

3. Schwartz

4. Flickinger

80%P0%2VOL1

3.385)(V*)(D*3.073P

obl

3

1/3MAVminobl

≤≤≤≤

−=

66.39)ln(*69.35 min −= DPobl

)*15.11(*100 /*11.0 min dDobl eP −−=

GyDPobl

35100

min >=

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Probabilità di danno -1

Karolinska

Ok fino a 20 Gy in 20 ccMAV divise in 3 classi

[ ] ivi DDNvDP Δ−−−∏−= ))/exp(exp(11),( 00

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Probabilità di danno -2

Pittsburgh

• Localizzazione della MAV• V che riceve D>12 Gy• Età

A. del Vecchio

Dose Anni Pz V(MAV) Dmedia(20cc) V(12 Gy) Tipo MAV (1=C;2=PS;3=PNS) Pb% necrosi Pb% obliterazione Pb% sanguinamento

22,0 25 2,100 9,0 8,900 1 4,05 70,66 1,465

21,0 25 2,100 8,6 1 3,86 69,00 1,610

20,0 25 2,100 8,2 1 3,69 67,26 1,761

24,0 25 2,100 9,8 1 4,45 73,76 1,198

25,0 25 2,100 10,2 1 4,66 75,22 1,076

23,0 25 2,100 9,4 1 4,24 72,25 1,328

Attenzione: la dose media in 20 cc si calcola come dose media su una matrice centrata sulla MAV con griglia 0,9

Nome paziente:

Pb% necrosi

y = 1,4465e0,1144x

y = 0,3925x - 2,8327

y = 0,9816e0,1113x

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30

Serie1

Serie2

Serie3

Espo. (Serie1)

Lineare (Serie2)

Espo. (Serie3)

Modello Karlsson - Lax

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A. del Vecchio

Tipologia Metastasi(2001)

Tipologia MET

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0po

lmon

e

rene

rinof

arin

ge

gast

ro-

inte

stin

ale

mel

anom

a

mam

mel

la

ovai

o

panc

reas

oste

osar

com

a

tiroi

de

uter

o

scon

osci

uto

non

spec

ifica

to

Radiochirurgia perMetastasi

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• Single session

• Peripheral dose 20 - 25 Gy

• Lesion Ø ≤ 3 cm (volume 15 cm3) or total tumor volume in multiple Mets ≤ 20 cm3

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• Prognosi

• N° Metastasi

• Istologia

A. del Vecchio

Cerebral metastases1. MRI gad+2. Total body CT or CT/PET3. Bone scan4. Histology5. KPS

1. 1-4 Met2. RPA 1 o 23. Ø ≤ 3 cm

NO

CHIRURGIA

1. RPA 3or

2. ≥ 5 Mets

1. Single Met2. Ø >3 cm3. RPA 1o 2

NO

YES

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Cerebral MetastasesRadiosurgery

10-month follow-upGK radiosurgery

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Surgery+RS in cystic metastases

Surgery

Volume 16 cc

Radiosurgery

Volume 4.7 cc

6 mo

A. del Vecchio

Survival

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Months from GKS

%Median survival 12,1 months (188pz)

51,6% pz alive at 12 months

30,2% pz alive at 24 months

A. del Vecchio

Risultati

Controllo locale ad 1 anno: 89%

Complicanze

Radionecrosi, edema 8,6 %*

*In 2 pz surgical removal of the necrotic lesion

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Location is not a limitation for radiosurgery

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Local Recurrences of the treated Metasteses

80- 100%WBRT

10%Surgery+ WBRT

46%Surgery

11%Radiosurgery

1-year local recurrence

+

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Mortality

0%WBRT

2-8%Surgery + WBRT

2-8%Surgery

0%Radiosurgery

Mortality

A. del Vecchio

Follow up and salvage therapyGK o WBRT ?

Gamma Knife

MRI: every3 months

New mets?

1-4 new metsPrimary controlled

KPS>70

>5 metsPrimary

non controlledKPS<70

NO

WBRT

Yes

Yes

Follow-up

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Salvage Therapy: 2nd Radiosurgery

1st radiosurgery

2nd radiosurgery

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51 Yrs m: NSCLC. RPA1 controlled primary

• 3/12/1999: GK 3 mets• 19/6/2000: GK 2 mets• 5/3/2001: GK 1 met• 1/2/2003: GK 3 mets (1 recurrent)• 23/10/2003: GK 2 mets• May 2004: 8 mets> WBTR

A. del Vecchio

Gamma Knife Radiosurgery: brain stem lesion

1 GK

2 mo

9 mo

30 mo

43 mo

2 GK

3 GKWBRT

A. del Vecchio

Trattamenti frazionati20 patients have been treated in 3 fractions between Jan 2006 and Dec 2007 spaced out 24

hours each In all cases the most critical situation was the irradiation of chiasm and/or optical nerve. Three patients were previously treated with GK (2) or RT (1), so they

presented the additional problem of taking into account accumulated doses.

1GLIOMA

3ENDOCRANIC RELAPSES (k rinopharinx)

14MENINGIOMA

2NEUROMA

n PATIENTSPATHOLOGY

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10OTHERS MALIGNANT

3.3MENINGIOMA

2NEUROMA

a/b

RATIOS

TUMOURS

3.3BRAIN STEAM

2CHIASM

2OPTICAL PATH

a/b

RATIOS

ORGANS AT RISK

A. del Vecchio

Although the use of the linear quadratic model in stereotacticradiosurgery has some limits, at present time, no patients have

presented secondary effects due to irradiation, even if delivered doses are higher than our normal single fraction constraints. Our calculation

model overestimates the doses at OARs, as it doesn’t take into account cellular repopulation during the interval time.

14.75080.47.933.3BRAIN STEM

20.697161.611.333SKULL

12.44589.86.832CHIASM

2

3.3

a/b

3

3

number of

fractions

8.2

7

Prescribed

dose/fraction [Gy]

125.5

65.5

BED

63

41

EqD

(2Gy)

14.9

13.1

Dsf

OPTICAL

NERVE

TARGET

ORGANS

A. del Vecchio

• The median follow-up was 12 months. Visual acuity improved in one patient (7.1%); one patient had improved visual field (7.1%). No patient had visual deterioration.

• Tumor volumetric reduction was observed in 5 patients (35.7%), whereas in 9 patients (64.3%) no volumetric variation was recorded.

A. del Vecchio

clinical results after fractionated gamma knife radiosurgery

• Mean pre-treatment volume 4.23 cm3 (3.3 cm3/ 0.33-8.1)• Mean prescription dose/session 6.9 ± 0.1 Gy (7/ 6.5-7)• Mean total prescription dose 20.7 (19.5-21 Gy).• Mean follow-up (median/range) 18 months (19/7-71)• Post-treatment visual acuity outcome

Improved 2Worsened 0Stable 12

• Local tumor controlReduction 5Progression 0Stable 9

• Cranial nerves functionImproved 1Worsened 0Stable 13

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• Patrizia Signorotto• Giovanni Mauro Cattaneo• Lucia Perna• Paola Mangili• Piero Picozzi• Alberto Franzin

A. del Vecchio

La Radiochirurgia Stereotassica Mediante GK, ha dato nel tempo risultati superiori alle aspettative, ma :

• Importante lavoro d’EQUIPE : Neurochirurgo – Neurologo –Radioterapista – Fisico

• Importante parco macchine per diagnostica

• Controlli di qualità accurati e precisi

• Aperto lo studio delle dosi agli organi critici nei ritrattamenti e nei frazionamenti