Michele Stasi, Barbara BaiottoS.C. Fisica Sanitaria

A.O. Ordine Mauriziano & IRCC Candiolo -Torino

Workshop SIRR Trieste, 24-25 giugno 2008

L’ELABORAZIONE DEL TREATMENT PLANNING NELLA RADIOTERAPIA CONFORMAZIONALE,

NELL’IMRT E NELL’IGRT

•Evoluzione tecnologica: dalla 2D all’IGRT

•Margini, metodi di correzione IGRT

•Evoluzione nel pianificazione del trattamento radioterapico

prostata & H&N

Agenda

Evoluzione nelle tecniche di radioterapia (3D-CRT, IMRT, IMAT)

1. Tecniche conformazionali (Beam’s Eye View) con emissione statica (3D-CRT), con copertura di bersagli concavi

2. Tecniche come in 1, con l’aggiunta della modulazione all’interno del campo, secondo lo spessore del target (SMLC–IMRT, DMLC-IMRT), con copertura di bersagli convessi

3. Tecniche come in 2, con l’aggiunta dell’emissione continua ad arco (IMAT)

4. Tecniche come in 3, ma con MLC binario e fascio a ventaglio con emissione a pendolazione di quasi 360º e avanzamento a passi del lettino (Tomoterapia Seriale)

MLCLeaves0.5 cm

Leaves

1 cm

MLC Dinamico

With this technique, the beam pauses while the MLC moves from one shape

to the next. A typical DMLC field requires 30-60 sec. of beam ON time.

(Click the mouse to simulate a DMLC treatment.)

IMRT: Metodi per modulare l’intensità

�Tecnica “Step and Shoot” (Segmental MLC –SMLC)

� Modulazione dinamica (sliding window, Dynamic MLC - DMLC)

� Terapia ad arco con modulazione d’intensità (IMAT)

� Tomoterapia (MLC binario e fan beam)

IMRT

• INVERSE PLANNING (IP): ottimizzazione

delle fluenze (constraints di dose sui DVH,

numero di iterazioni, tolleranza, scatter

distance)

• conversione fluenze teoriche fluenze reali

(step&shoot, sliding window, IMAT)

• Leaf Sequencer : trasmissione fluenze a MLC

linac

•Evoluzione tecnologica: dalla 2D alla IGRT

(continua…)

•Margini, metodi di correzione IGRT

•Evoluzione nel pianificazione del trattamento radioterapico

prostata & H&N

Agenda

• A) Somma linearePTV = CTV + IM + SM

• B) PTV più piccoloes: Somma quadratica se tutte le deviazioni standard sono note

ICRU 62: PTV

Situazione più comune

Incertezze geometriche in radioterapia: il problema del PTV

1. errori sistematici 2. errori random

1. errori sistematici: dipendono dalla preparazionedel trattamento

2. errori random: dipendono dalla esecuzionedel trattamento

Approccio statistico

Variazioni “intrafractional”(durante una singola frazione)

Variazioni del CTV

Movimenti del paziente(immobilizzazione)

Nella posizione relativa del paz. rispetto ai fasci di trattamento

Cambio nella posizione di tratt. (prona-supina)

Processi fisiologici(circolazione,

respirazione, peristalsi)

Nella posizione relativa a un ptofisso nel paz.

Processi fisiologici(circolazione)

Processi fisiologici (circolazione,

respirazione, peristalsi)

In dimensione

SistematicheRandomCategoria

Variazioni “interfractional”(durante il corso del trattamento)

Variazioni del CTV

Errori tecnici (es. laser…)

Setup giornaliero(immobilizzazione)

Nella posizione relativa del paz. rispetto ai fasci di trattamento

Perdita di pesoProcessi fisiologici(riempimento delle

cavità)

Nella posizione relativa a un ptofisso nel paz.

Riduzione o aumento del tumore

Processi fisiologici (riempimento di vescica

e retto, meteorismo intestinale)

In dimensione

SistematicheRandomCategoria

Deviazione campi pianificati vs. erogati

•Setup

•Movimento paziente e organ motion

•Sistemi di immobilizzazione

•Tecnica di trattamento (3D-CRT, IMRT...)

•Preparazione dell’equipe

Metodi on linee off linedi verifica e correzione per ridurre gli errori

Metodi di verifica e correzione: OFFLINE e ONLINE

Obiettivo:

• ridurre margini

• aumentare l’efficacia nell’erogare la dose

• possibilità di dose escalation

AdaptiveRadiotherapy

• misure e correzioni eseguite prima del trattamento

•corregge interfraction motion, setup quotidiano e organ rigid motion

On line

vs.

• misure eseguite dopo il trattamento (importante stabilire numero!)

• l’applicazione di un protocollo di correzione riduce il margine CTV-PTV riducendo l’errore sistematico e personalizzando il margine

Off line

IGRT

Studio prospettico per set-up prostata presso IRCC

• 540 immagini portali analizzate (36 /pz)

• DPI: nella 1ª settimana tutti i campi, successivamente a 0° e 90°/270° bisettimanale per 8 settimane

• Acquisizione dell’immagine in doppia esposizione prima della seduta

Munoz F et al., Atti XII Congresso AIRO, Cagliari 2002

3.23.83.5Setup Margin

2.32.72.6random

2.22.72.3sistematico

CC (z)AP (y)LL (x)(mm)

IGRT (Image Guided Radiotherapy)

•Impianto di marker radioopachi + imaging US, kV on-line

•Movimento body surface + CCD camera

•kV e MV Cone Beam CT

Possibilità di correggere per assicurare che il trattamento venga erogato come da piano di cura

IGRT (Image Guided Radiotherapy)

Sistemi ad Ultrasuoni

Imaging e contornazione CT è diversa da quella ad US

Sistemi ottici

Fa riferimento ad una superficie esterna rispetto al volume bersaglio

Stereo kV Imaging

Richiede fiducials per individuare il volume bersaglio

IGRT con kV Cone Beam CT (CB-CT)

•non necessita di fiducials per individuare il target

•consente un imaging volumetrico 3D

•registrazione CB-CT

•dose di superficie circa 5 cGy

IGRT con MVCT (MegaVoltage CT)

•Il fascio di trattamento è utilizzato per

l’imaging (migliore allineamento)

•Dose al paziente: circa 5 – 15 cGy

•Qualità d’immagine

TOMOTERAPIA ELICOIDALE (TE)

La Tomoterapia Elicoidale

(TE) integra in un sistema

compatto tutte le esperienze

tecnologiche dell’evoluzione in

corso: tecnica elicoidale di emissione del fascio, IMRT con MLC di tipo binario, IGRT con MV-TC e calcolo della dose con “Inverse Planning”.

•Evoluzione tecnologica: dalla 3D-CRT alla tomoterapia

•Margini, metodi di correzione IGRT

•Evoluzione nel pianificazione del trattamento radioterapico

prostata & H&N

Agenda

Tecniche d’irradiazioneProstata

• (Convenzionali AP-PA)

• 3D-CRT:

3c, box, 5c, 6c

• Step&shoot

• IMRT

B

PR

3D images with 95 % isodose surface (white line)

APAP--PA PA techniquetechnique

Dose totale 54 Gy50-54 Gy: controllo 20%

3D images with 90 % isodose surface

““ boxbox”” techniquetechnique

Dose totale 66 Gycontrollo 60%

3D images with 95% isodose surface

multimulti--fieldfield techniquetechnique

Vescica

Retto95 %

Prostata

Dose totale 75.6 Gy

> 72 Gy: controllo > 75%

3D-CRTProstata

• TC, slices 0.3- 0.5 cm equispaziate, supino

• Protocollo di preparazione retto/vescica

• 18 MV e MLC, tecnica MSKCC modificata (6c: 45°-90°-135°-225°-270°-315°, sbilanciati laterali)

• Dose totale 75.6 ⇒79.2 Gy⇒81 Gy(nostra casistica D ≥ 79.2 Gycontrollo > 95%)

• 1500 pazienti trattati con tecnica 3D-CRT presso IRCC Candiolo e Ospedale Mauriziano (TO) dal 1998 al 2007 per carcinoma della prostata

CTV Originale

Prostata: problemi (OM + IOM)‘ rectum filling effects’

Materiali e Metodi • 10 pazienti

• 11-14 TC in corso di RT (media 1.7 TC/settimana, 11.8

TC/pts) dopo TC-centratura e planning (CT0) (Totale 126 TC)

• Un singolo osservatore (medico RT) ha disegnato per ogni

TC il retto e la parete rettale, CTV e OAR (in CT0)

•Matching: Per ciascun paziente le scansioni TC eseguite

durante RT sono state coregistrate usando come riferimento la

CT0

•Punti fiduciali anatomici (riferimenti ossei - 9-12 punti/pts )

(errore medio < 1.3 mm)

Rectum filling

- Rectum Motion: studio prospettico per movimento retto presso IRCC e impatto sui DVH

Stasi M., Munoz F, Fiorino C. et al. Emptying the rectum before treatment delivery limits the variations of rectal dose-volume parameters during 3D-CRT of prostate cancer. Radiother Oncol, 80 (3), 363-370, 2006

Mean V_CT1…n = 52.8 ± 11.6 cm3

Mean V_CT0 = 47.6 ± 10.3 cm3

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

No Pts

Rec

tum

Vol

ume

(cc)

V_CT0V_CT1…n

Risultati: Rectum DVH trendpaziente n.4

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

110.0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

D%

V%

CT1 ref

CT2

CT3

CT4

CT5

CT6

CT7

CT8

CT9

CT10

CT11

CT12

CT13

DVH rectum

reference

mean

SD

The mean DVH is less than reference DVH (CT0)

Tomoterapia e gestione del movimento organi: prostata

Fiorino C. et al, Evidence of limited motion of the prostate by carefullyemptying the rectum as assessed

by daily MVCT image guidance with helical Tomotherapy, Int J Radiat Oncol Biol Phys 2008, 71 (2):611-617

•Posizione della prostata individuata con matching automatico su reperi ossei + visualizzazione diretta della prostata su immagini MVCT prima di ogni seduta

•Deviazione calcolata rispetto a posizione della prostata sul piano di trattamento CT0

Correzione MVCT fattibile

IMRT : Prostata

• Paziente supino, immobilizzazione gambe

• Class solution:5 campi (35°-110°-180°-250°-325°), sliding window

• Constraints sui DVH nell’ottimizzazione:

1. PTV: Dmin 95%-Dmax 107%, Dose prescritta a 95% VPTV

2. Retto: V70 < 25% vol, V50 < 50% vol

3. Vescica:V75 < 30% vol

4. Teste femorali:Dmed< 52 Gy, V75 < 70% vol

Schreibmann E. et al., Med. Phys., 31 (10) 2004

TPS + IP: Eclipse

Linac : Varian Clinac 600 C/D –X 6MV MLC-120leaf (5mm)

20 pazienti carcinoma prostatico ad alto rischio trattati con tecnica SMART presso IRCC Candiolo

PTV1 pelvi

PTV2 loggia prostatica

PTV1: 1.8 Gy x 28-30 fraz

PTV2: 2.2 Gy x 28-30 fraz

Dose equivalente 66.7-71.5 Gy

su PTV2 loggia con α/β = 3

“Simultaneous Modulated Accelerated RT” (SMART)

Riduzione dose intestino, retto rispetto a 3D-CRT

Boost 3D-CRT � DTOT

Retto 3D-CRT

Retto IMRT

Intestino IMRT

Intestino 3D-CRT

IMRT : Patient Quality Assurance• Verifica di dose pretrattamento

per ogni pts– Assoluta: microcamera in

solid water (3-4%) – Relativa: isodosi misurate su

film vs. calcolate da TPS (γγγγ function ���� 3mm, 3-4%)

• Verifica del setup (isocentro)– Frequenza: 2 volte settimana

(prostata) e giornaliera (H&N)

– Campi ortogonali 0/90 (DRR vs. EPID → 3mm): dose conteggiata nel piano di trattamento!

– Correzione setupon line (↓errore sistematico)

Treatment Plan Test PlanIntensityprofiles

MLC motionplan

MU Geometry MU Geometry

Dose Comparison

Comp. DRR/EPI

DRR

QA needs: single patient QA QA needs: single patient QA

Verifica IMRT : MU-Check + 2D-Array

1. 445 rivelatori a stato solido (diodi tipo N) resistenti alla radiazione

2. Spaziatura all’interno del campo 10x10 e sulle diagonali 6 mm. Esternamente al campo 10x10 = 10 mm

3. Limiti sul fascio : 7.7 mGy di dose per impulso, massimo rateo di ripetizione degli impulsi (1000 impulsi/secondo).

1.M. Stasi, S.Giordanengo, R. Cirio, et al. D-IMRT verification with a 2D pixel ionization chamber : dosimetric and clinical results in head and neck cancer. Phys Med Biol 50 (2005)

MU check : I’mSure� da fluenza TPS a calcolo MU da dati commissioning macchina

VERIFICA SU TUTTI I PAZIENTI IMRT!

γ Function 3%, 3 mm

No shift: 96.6 % pti passati

Shift CC 3 mm: 84.9% pti passati

•Evoluzione tecnologica: dalla 3D-CRT alla tomoterapia

•Margini, metodi di correzione IGRT

•Evoluzione nel pianificazione del trattamento radioterapico

prostata & H&N

Agenda

Tecnica convenzionale “2D” evolutacampi contrapposti

Off cord

barrage

Tecnica convenzionale “2D” evoluta

campi contrapposti

Organi A Rischiodosi di tolleranza

Dmax ≤≤≤≤ 55 GyTRONCO

Dmedia ≤≤≤≤ 27 GyPAROTIDI

Dmax ≤≤≤≤ 50 GyOCCHIO

Dmax ≤≤≤≤ 55 GyNERVO OTTICO

Dmax ≤≤≤≤ 50 GyMIDOLLO

V60≤≤≤≤ 33%; V53≤≤≤≤ 66%; V50≤≤≤≤100%

ENCEFALO

Dmax ≤≤≤≤ 35 GyCOCLEA

Dmax ≤≤≤≤ 55 GyCHIASMA

Dmedia ≤≤≤≤ 60Gy; Dmax≤≤≤≤ 70 GyARTICOLAZIONE TEMPORO-MANDIBOLARE

3D-CRT e IMRT!

90

135

3D-CRTtecnica a 5 campi

+ barrage isocentro unico

180

225

270

barrage

tecnica a 5 campi-barrage (54 Gy T+N) + boost 3d-CRT su T (fino 70.2 Gy)

No elettroni su spinali no esclusione midollo

90

135

180

225

270

Rinofaringe

IMRT 7 campi

rinofaringe

parotide

IMRT 7 campi

rinofaringe

Rinofaringe 3D CRT vs. IMRT: PRV midollo

PRV Midollo Dmax

49 Gy 3DCRT

vs.

44 Gy IMRT

Rinofaringe 3D CRT vs. IMRT: parotide

parotide Dmed

65 Gy 3DCRT

vs.

47 Gy IMRT

IMRT tecnica “Simultaneous Modulated Accelerated RT”(SMART)

100% 60%

a b c

3D-CRT + boost IMRT vs. IMRT+IMRT boost sequenziale vs. IMRT SMART

�Stessa copertura PTV1 (T+N) e PTV2 (GTV) per tutte le tecniche

�Maggiore conformazione IMRT-SMART con riduzione dose OAR e aumentoomogeneità nel CTV elettivo

�Dose media ai tessuti-non target inferiore con tecnica IMRT-SMART rispetto a tecniche con boost sequenziale

�Attenzione a OAR prossimi a CTV boost (↑dose /frazione)! Dogan N, 2003

•Es:Orofaringe

•5-7 campi, sliding window

•68.2 Gy(2.2 Gy/fraz x 31) su T

•55.8 Gy (1.8 Gy/fraz x 31) su T+N

IMRT tecnica“Simultaneous Modulated Accelerated RT” (SMART)

23 pazientitumori H&N trattati con tecnica SMART presso IRCC Candiolo

DVH

•Parotide controlaterale: Dmed30 Gy

•Midollo Dmax47 Gy

•PRV Midollo Dmax50 Gy

•DmedPTV T 68.2 Gy

•DmedPTV T+N 55 Gy

TE - Radioterapia “ Adaptive”

La radioterapia “Adaptive” è l’insieme delle seguentifunzionalità:

� IGRT con riposizionamento giornaliero del paziente

� Modifica dei contorni al cambiare delle struttureanatomiche

� Valutazione della Dose basata su un’immaginegiornaliera MVCT

� L’adattamento della dose di un piano non piùcorretto

Radioterapia “Adaptive”

Week 1 Week 3

Le variazioni anatomiche possono essere compensate sia con una registrazione spaziale che con una correzione di dose

GRAZIE DELL’ATTENZIONE !