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Tommaso Giandini e Chiara Tenconi, Ssd Fisica Medica

tommaso.giandini@istitutotumori.mi.it

chiara.tenconi@istitutotumori.mi.it

Congresso AIRO Lombardia

IL CONTROLLO DELLA TOSSICITA’ IN RADIOTERAPIA: L’IMPORTANZA DELL’APPROCCIO

MULTIPROFESSIONALE

Sistemi dosimetrici in vivo in radioterapia a fasci esterni

e in brachiterapia

9 Maggio 2015

Dosimetria in vivo (DIV)

“Misura della dose ricevuta dal paziente durante il trattamento radioterapico”*

Verifica che il trattamento radioterapico venga effettuato come previsto

Possibilità di rilevare eventuali errori nel corso del trattamento ed evitarne

la propagazione a frazioni successive

Possibilità di evitare errori sistematici su più pazienti

Registrazione della corretta erogazione della dose nel trattamento

Dovrebbe costituire una parte del sistema di garanzia della qualità in una

struttura di radioterapia

Implementazione nella routine clinica non molto diffusa

*B. Mijnheer, S. Beddar, J. Izewska, C. Reft, “In vivo dosimetry in external radiotherapy”, Med. Phys. 40(7), July 2013

DIV: davvero fondamentale?

PRO CONTRO

• Gli errori rilevabili solo con la DIV

sono pochi

Benefici solo per pochi pazienti

• Sufficienti i controlli pre-trattamento

(verifica indipendente delle MU,

sistemi di record-and-verify, misure in

fantoccio)

• Gravi incidenti avvenuti in

radioterapia

“Prevenire le conseguenze

potenzialmente disastrose di errori per

almeno qualche paziente può

giustificare lo sforzo e i costi di

programmi di DIV” (IAEA, ICRP,

WHO, AAPM, ESTRO, …)

• Importanti errori rilevati in un centro

molto avanzato

• Strumento ideale per prevenire gli

errori con le nuove tecnologie

DIV: questione di metodo

2013

Dal fantoccio…

…al paziente…

1D 2D

Vantaggi assoluti

Problematiche relative

Accuratezze

comparabili

*B. Mijnheer, S. Beddar, J. Izewska, C. Reft, “In vivo dosimetry in external radiotherapy”, Med. Phys. 40(7), July 2013

Rivelatori per DIV

Portal Dosimetry

vs

Ricostruzione della dose

all’interno delle immagini TC

Misura della fluenza

effettivamente incidente

sul paziente

TRANSIT

DOSIMETRY

DIV con EPID*

*W. van Elmpt et al., “A literature review of electronic portal imaging for radiotherapy dosimetry”, Radiother. Oncol. 88, 289–309 (2008)

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“Verificare tutti i trattamenti con intento curativo, in primis quelli

pianificati con tecniche complesse (IMRT e VMAT), attraverso misure di

dose in vivo in combinazione con un check pre-trattamento”

Garantisce l’integrità del piano di

trattamento, a partire dal

trasferimento delle informazioni dal

TPS al linac fino alla corretta

erogazione da parte del linac stesso

• Da eseguire almeno una volta

durante una delle prime frazioni

nella prima settimana di trattamento

• Ripetute dopo un qualsiasi

cambiamento nella procedura di

trattamento

*B. Mijnheer, S. Beddar, J. Izewska, C. Reft, “In vivo dosimetry in external radiotherapy”, Med. Phys. 40(7), July 2013

DIV: raccomandazioni* DIV con EPID:

2014 2015

Software per dosimetria in vivo: Dosimetry Check (DC)

Sviluppato da Wendel Dean Renner (Math Resolutions, LLC)

1) Immagini della fluenza di fotoni incidente sull’EPID

(direttamente o dopo aver attraversato il paziente)

Ciclo di verifica dalla pianificazione all’erogazione e di nuovo al piano di trattamento, con

un calcolo indipendente della dose che aggiunge ridondanza alla QA

2) Fluenza di fotoni in uscita dalla testata del linac

Deconvoluzione delle immagini

3) Calcolo della dose sulle immagini TC del paziente

Algoritmo di calcolo pencil beam

DIV: esperienza preliminare in INT

• Curva di calibrazione “MU erogate con il campo 10x10 cm2 vs segnale

integrato dell’EPID sull’asse centrale” (in aria)

• Condizioni di calibrazione del linac con valore di riferimento in termini di

cGy/MU

DIV: esperienza preliminare in INT

DC: implementazione

• Curva di calibrazione “densità elettronica relativa vs numeri Hounsfield”

della TC in uso per l’acquisizione delle immagini dei pazienti

• Caratteristiche geometriche del linac (gantry, collimatore, lettino, jaws,

MLC)

• Kernel di dose

• Kernel di deconvoluzione per verifiche pre-trattamento non in trasmissione

• Kernel di deconvoluzione per verifiche durante il trattamento in trasmissione

(TRANSIT DOSIMETRY)

TIME CONSUMING & TRIAL AND ERROR!!

Trattamenti a complessità crescente realizzati con TPS Eclipse (versione 11, algoritmo di

calcolo Analytical Anisotropic Algorithm, griglia di calcolo 2 mm) sui dati forniti nel

pacchetto AAPM TG 119 e importati nel fantoccio:

1) Campi aperti a gantry 0°: 3x3, 5x5, 10x10, 15x15, 5x15, 15x5, 15x15

con collimatore ruotato di 30° o 45°, 20x20 cm2

2) 3DCRT 3) IMRT 4) VMAT

DIV: esperienza preliminare in INT

DC: commissioning

Trattamenti VMAT per tumori dei distretti corporei della pelvi e del testa-collo erogati

direttamente sull’EPID e acquisiti con tecnica “cine” Confronto tra le distribuzioni di dose

ricostruite da DC sulle TC dei pazienti e quelle previste dal TPS

Verifica dell’assenza di problemi di saturazione della memoria della 4D Integrated

Treatment Consolle durante l’erogazione dei trattamenti e misura del tempo necessario al

salvataggio delle immagini prodotte

DIV: esperienza preliminare in INT

Utilizzo clinico di DC: limiti e potenzialità

Prestazioni attualmente spinte al limite!!

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Immagini acquisite senza problemi di saturazione della memoria della

4DITC

Acquisizione di circa 1 immagine al secondo:

Circa 120/140 immagini per trattamenti VMAT con due archi

Circa 1 immagine ogni 5/6°

Rispettato il limite di 200 immagini a trattamento*

Adeguato campionamento angolare

Tempo morto di salvataggio circa 2 minuti

Non incide nella routine clinica (sfruttato per far accomodare il paziente successivo)

DIV: esperienza preliminare in INT

Utilizzo clinico di DC: limiti e potenzialità

*P. M. McCowan et al, “An investigation of gantry angle data accuracy for cine-mode EPID images acquired during arc IMRT”, J. Appl. Clin. Med. Phys. 15(1), 187-201 (2014)

• Verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY)

VMAT del distretto pelvico

Cambiamento del risultato dosimetrico nel

corso delle frazioni

Ipotesi di variazioni anatomiche durante il

trattamento

DC < TPS █

DC > TPS █

DIV: esperienza preliminare in INT

Utilizzo clinico di DC: limiti e potenzialità

• Verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY)

VMAT del distretto testa-collo

Cambiamento del risultato dosimetrico nel

corso delle frazioni

• Variazioni anatomiche durante il trattamento:

presumibile riduzione del volume bersaglio

• Posizione delle spalle leggermente diversa da

quella di pianificazione

DC < TPS █

DC > TPS █

DIV: esperienza preliminare in INT

Utilizzo clinico di DC: limiti e potenzialità

• Verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY)

POTENZIALITA’ LIMITI

• Accuratezza della ricostruzione di dose

influenzata da:

- Incertezze nel setup del paziente

- Organ motion

- Variazioni anatomiche interfrazione

- Processo di deconvoluzione delle immagini

di transito: ipotesi di radiazione diffusa dal

paziente uniforme sull’EPID e ray-tracing

- Eterogeneità

• Ricostruzione della dose sulle immagini TC

dei pazienti con possibilità di rilevare

cambiamenti del trattamento nel tempo:

variazioni anatomiche e/o errori di setup

INFORMAZIONI RELATIVE

PROBLEMATICHE ASSOLUTE

DIV: esperienza preliminare in INT

Utilizzo clinico di DC: limiti e potenzialità

Per tutti i pazienti: verifica dosimetrica alla prima frazione e a intervalli prestabiliti

durante la radioterapia

Per pazienti sottoposti a trattamenti ipofrazionati: effettuare la verifica dosimetrica

per tutte le frazioni

Miglior conoscenza della dose somministrata a tumore e organi a rischio

Importante per la costruzione di ancor più robusti modelli predittivi di tossicità

Ricostruzione della dose sulle immagini acquisite con Cone-Beam CT

per migliorare la definizione della geometria del paziente al momento del

trattamento

DIV: potenzialità

Grazie per l’attenzione!

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Riserve

A New York City hospital treating him for tongue cancer had failed to detect a computer

error that directed a linear accelerator to blast his brain stem and neck with errant beams of

radiation. Not once, but on three consecutive days.

The Times found that while this new technology allows doctors to more accurately attack

tumors and reduce certain mistakes, its complexity has created new avenues for error —

through software flaws, faulty programming, poor safety procedures or inadequate staffing

and training. When those errors occur, they can be crippling

In 2005, a Florida hospital disclosed that 77 brain cancer patients had received 50 percent

more radiation than prescribed because one of the most powerful — and supposedly

precise — linear accelerators had been programmed incorrectly for nearly a year.

Incidenti in Radioterapia: alcuni esempi

Materiali e metodi: Dosimetry Check

DC: “ingredienti” necessari ed implementazione

• Kernel di dose

Singolo kernel poli-energetico sviluppato a partire dai dati del fascio

(PDD, profili diagonali in acqua, Scp) e da kernel generati con codice

Montecarlo

Non modellizzata la contaminazione elettronica calcolo accurato

oltre il massimo del build up

Usato per separare Sp e Sc da Scp Sc calcolato preferito a quello

misurato in fase di commissioning per l’incertezza sperimentale legata

alla sua misura

Materiali e metodi: Dosimetry Check

DC: “ingredienti” necessari ed implementazione

• Kernel di deconvoluzione per verifiche pre-trattamento non in trasmissione

con n = 5, simmetria circolare

Generazione del kernel:

Immagini di campi quadrati erogati sull’EPID e acquisiti con tecnica integrata

Fit dei parametri del kernel al fine di minimizzare

Scp misurati in fase di

commissioning del linac

I valori sull’asse centrale delle immagini deconvolute

dovranno matchare al meglio i corrispondenti Sc

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Materiali e metodi: Dosimetry Check

DC: “ingredienti” necessari ed implementazione

• Kernel di deconvoluzione per verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT

DOSIMETRY)

PROBLEMATICA FISICA:

L’attenuazione dovuta al paziente cambia lo spettro della radiazione incidente sull’EPID e la

radiazione diffusa aggiunge una componente di bassa energia allo spettro, alla quale l’EPID tende a

sovrarispondere

SOLUZIONE DC:

Generazione di più kernel di deconvoluzione, uno per ogni determinato spessore di fantoccio ad

acqua attraversato

Considerare spessore acqua-equivalente del lettino!

2,7% di attenuazione

Materiali e metodi: Dosimetry Check

DC: “ingredienti” necessari ed implementazione

• Kernel di deconvoluzione per verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT

DOSIMETRY)

ASSUNZIONE: la radiazione diffusa dal fantoccio è uniforme sull’EPID

10x10 cm2

Profondità 30 cm

20x20 cm2

Profondità 50 cm

Materiali e metodi: Dosimetry Check

DC: “ingredienti” necessari ed implementazione

• Kernel di deconvoluzione per verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT

DOSIMETRY)

PROBLEMATICA MATEMATICA:

I kernel di deconvoluzione dipendono anche dallo spessore che varia da punto a punto

nell’immagine non più applicabile il teorema di convoluzione

Conversione delle immagini in trasmissione: ad ogni pixel nell’immagine EPID viene

assegnato uno spessore acqua-equivalente attraversato dal fascio prima di raggiungere quel

punto per mezzo di un processo di ray-tracing attraverso le immagini TC del paziente;

questo spessore è usato per riferirsi ad un determinato kernel

SOLUZIONE DC:

Più deconvoluzioni dell’immagine con i kernel implementati ai differenti spessori d’acqua e

interpolazione tra le immagini deconvolute adiacenti allo spessore di ogni pixel

Risultati e discussione: Dosimetry Check

Commissioning di DC

• Verifiche pre-trattamento non in trasmissione

1) Campi aperti

DC ______

TPS ………

DC < TPS █

DC > TPS █

Risultati e discussione: Dosimetry Check

Commissioning di DC

• Verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY)

Misure con GafChromic: IMRT

Sovrastima di DC o incertezza

sperimentale della misura dovuta

ai due campi a 90° e 270°?

Per trattamenti complessi un

confronto puntuale di dose non è

sufficiente per valutare

globalmente l’accuratezza della

dose erogata

Accordo entro il 2%

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1) La DIV è implementabile con successo e commissionato sia a livello di verifiche pre-

trattamento non in trasmissione che di verifiche durante il trattamento in trasmissione

La procedura di implementazione richiede numerose misure sia per la

generazione dei kernel che per la successiva validazione l’esperienza è stata

“time-consuming” e “trial and error”

DIV: esperienza preliminare in INT

Conclusioni

2) Le verifiche pre-trattamento non in trasmissione con Dosimetry Check sono state

introdotte nella routine clinica con un’adeguata sicurezza (Gamma analisi con Dose

Difference 3% e Distance-to-Agreement 3mm)

3) Le verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY) con

Dosimetry Check necessitano di ulteriori studi e progressi prima di essere implementate

nella routine clinica (Monte Carlo, maggior automazione e velocità dei processi

coinvolti…)

• Verifiche pre-trattamento non in trasmissione

Trattamenti erogati direttamente sull’EPID Confronto tra le distribuzioni di dose

ricostruite da DC e quelle previste dal TPS

• Verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY)

Trattamenti erogati sul fantoccio a lastre e misurati in trasmissione con l’EPID

Confronto tra le distribuzioni di dose ricostruite da DC e quelle previste dal TPS

Misure all’isocentro in mezzo al fantoccio con camera a ionizzazione Farmer modello

NE 2581 (volume sensibile 0.6 cc) Confronto con dosi calcolate da TPS e DC in un

volumetto sulle immagini TC corrispondente a quello della camera

Misure di dose planare con GafChromic EBT3

Confronto con piani di dose calcolati da DC tramite analisi

gamma eseguita in Verisoft (version 6.0, PTW)

DIV: esperienza preliminare in INT

DC: commissioning

• Verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY)

Misure con GafChromic: 3DCRT

• Ottimo accordo

• Confermata misura con camera a ionizzazione e accuratezza del calcolo di DC

DIV: esperienza preliminare in INT

DC: alcuni risultati

• Verifiche durante il trattamento in trasmissione (TRANSIT DOSIMETRY)

Misure con GafChromic: VMAT

• Buon accordo

• Confermata misura con camera a ionizzazione e accuratezza del calcolo di DC

DIV: esperienza preliminare in INT

DC: alcuni risultati

• Verifiche pre-trattamento non in trasmissione

VMAT del distretto pelvico

DC < TPS █

DC > TPS █

Necessaria una ROI che

rappresenti il volume di paziente

“visibile” dall’EPID

DIV: esperienza preliminare in INT

Utilizzo clinico di DC: limiti e potenzialità

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• Verifiche pre-trattamento non in trasmissione

VMAT del distretto pelvico

GVH relativi alle singole strutture sono un buono

strumento di analisi

Verificare SEMPRE che tutto il volume della struttura

sia visibile dall’EPID!

DIV: esperienza preliminare in INT

Utilizzo clinico di DC: limiti e potenzialità

Necessaria un’attenta

interpretazione dei risultati!

• Verifiche pre-trattamento non in trasmissione

POTENZIALITA’ LIMITI

• Dimensione finita dell’EPID che comporta

una perdita di informazioni sulla

distribuzione dosimetrica

• Possibilità di analisi dosimetriche falsate

dovute al limite precedente

• Necessaria revisione e interpretazione dei

risultati delle analisi dosimetriche

• Lunghi tempi di preparazione e calcolo…

• Nessun fantoccio necessario per le misure

• Possibilità di programmare una frazione

aggiuntiva al trattamento a scopo QA e di

ottenere i risultati prima dell’inizio del

trattamento per tutti i pazienti (code di

calcolo)

• Ricostruzione della dose sulle immagini TC

dei pazienti con adeguata accuratezza

• Numerosi strumenti di analisi per i confronti

tra le distribuzioni di dose ricostruite e

previste dal TPS

DIV: esperienza preliminare in INT

Utilizzo clinico di DC: limiti e potenzialità