Problematiche dosimetriche nell’utilizzo delle nuove tecnologie

in Radioterapia

Leopoldo Conte

Facoltà di Medicina e Chirurgia - Università degli Studi dell’Insubria

Unità operativa di Fisica Sanitaria

Ospedale di Circolo di Varese

Radioterapia conformazionale. Obiettivi

• il volume con alte dosi deve conformarsi al volume dei tessuti in cui è presente la malattia

• la distribuzione della dose deve inoltre essere tale da massimizzare la probabilità di evitare dosi elevate al tessuto normale

• La varietà e l’arbitrarietà della forma dei tumori richiede una radioterapia conformazionale tridimensionale

Radioterapia esterna. Sviluppo tecnologico

• Unità di radioterapia esterna

• Apparecchiature per acquisizione di immagini

• Sistemi di calcolo dei piani di trattamento

Unità di radioterapia esterna

• Caratteristiche dei fasci di fotoni ( energia, intensità di flusso)

• Geometrie, caratteristiche meccaniche (linac , tomoterapia, gamma knife, cyberknife)

• Sistemi di collimazione statici e dinamici

• Sistemi di controllo automatico

• Accessori vari (imaging, portal imaging)

Imaging in radioterapia

• Impiego della TC-simulazione virtuale

• Integrazione di immagini multimodali

• Applicazioni della IGRT

• Acquisizione di immagini portali

Sistemi di calcolo dosimetrico

• Modellizzazione delle nuove tecnologie

• Nuovi algoritmi di calcolo

• Inverse planning

Tecniche IMRT

• Gantry fisso (step and shoot, sliding window)

• Gantry rotante (tomoterapia, archi modulati)

• Pencil beam (cyberknife, scanning beam)

Innovazioni tecnologiche e dosimetria

• I progressi nel campo della radioterapia esterna richiedono una maggior accuratezza dosimetrica, specie se vengono prescritte dosi più elevate

Problemi

• In passato maggior facilità di verifica della corretta esecuzione dei trattamenti

• Con le tecniche più avanzate gli errori e le deviazioni dalle dosi pianificate sono meno evidenti e più difficili da scoprire

• Sono necessarie misure dosimetriche prima e durante il trattamento con impiego di dosimetri e fantocci adatti allo scopo

Problemi dosimetrici

• Misure di dose in mancanza di equilibrio elettronico

• Calibrazione in dose di dispositivi non dosimetrici

Equilibrio elettronico

Si ha equilibrio elettronico nel volume V quando l’energia dissipata al di fuori di V da parte degli elettroni secondari generati al suo interno è compensata dall’energia dissipata in V da elettroni prodotti al di fuori dello stesso.

Condizioni di equilibrio elettronico

• L’elemento di volume si trovi immerso in una porzione di materiale di dimensioni non inferiori al percorso massimo degli elettroni messi in moto dai fotoni primari

• La fluenza di energia della radiazione primaria non vari apprezzabilmente su distanze dell’ordine del percorso degli elettroni

Mancanza di equilibrio elettronico

• Le condizioni di equilibrio elettronico non sono rispettate in presenza di campi di piccole dimensioni (inferiori a 3x3 cm ) e di alti gradienti della fluenza di energia

• In pratica nelle tecniche IMRT (SRS, Cyberknife, Gammaknife, Tomoterapia, MLC- IMRT )

Parametri critici

• Percorso laterale degli elettroni nel mezzo irradiato

• Dimensioni della sorgente rispetto alle dimensioni del campo

• Dimensioni del rivelatore impiegato nelle misure dosimetriche

Percorso laterale degli elettroni

• Il parametro critico è il percorso laterale degli elettroni che dipende dall’energia e dalla densità del mezzo (a 6 MV, in acqua, dell’ordine dei cm)

• La penombra è influenzata dal trasporto degli elettroni

Dimensioni della sorgente

• Se dal centro del campo non si “vede” l’intera sorgente si sovrappongono le zone di penombra; la dimensione del campo non è più data dalla FWHM ma risulta sovrastimata.

• Nell’impiego del mMLC il profilo del campo può essere notevolmente influenzato dalla posizione del collimatore principale (jaw) a causa della radiazione trasmessa attraverso le lamelle

Dosimetri

• Camere a ionizzazione

• Diodi a semiconduttore

• Rivelatori a diamante

• Dosimetri a termoluminescenza

• MOSFET

• Altri

• Dimensioni: standard, mini, micro ( 10-1, 10-2, 10-3 cm3)

Misure in condizioni di equilibrio elettronico

• Per cavità di piccole dimensioni rispetto al range degli elettroni non si ha perturbazione

• Nel caso di una camera a ionizzazione, in condizioni di equilibrio elettronico, si ha:

• Dt = ( Q / m) . (w / e ) ( S / )ta (1)

• Confronto tra dose per campo di dimensione r e campo di riferimento ( 10x10 cm2)

Misure

• Quando non c’è equilibrio elettronico la presenza di un rivelatore può modificare il livello locale delle condizioni di non equilibrio introducendo una perturbazione

Fattore di scattering

• Il fattore di scattering è il rapporto tra la dose misurata sull’asse alla profondità di riferimento per un campo di dimensioni r e la dose misurata alla stessa profondità per un campo di riferimento (10x10 cm2 )

• Esso dipende dallo spettro energetico degli elettroni

• L’introduzione di un dosimetro in assenza di equilibrio elettronico modifica lo spettro

Misure

• Dosimetri diversi creano perturbazioni diverse in assenza di equilibrio elettronico

• La dose , misurata con rivelatori diversi a 6 e 15 MV sull’asse, in funzione del campo, mostra valori diversi del fattore di scattering Scp per campi inferiori a 3 cm, per camere di varie dimensioni e altri rivelatori se non si tiene conto di fattori di perturbazione e correzioni della risposta.

Dosimetria portale con EPID

• Soltanto la ricostruzione 3D della dose somministrata al paziente durante il trattamento consente di evidenziare qualunque tipo di errore e perciò questo obiettivo sembra essere prioritario anche se comporta le maggiori difficoltà rispetto a verifiche dosimetriche in fantoccio

Dosimetria portale con EPID

• La dosimetria con EPID consente di rivelare i possibili errori nel corso delle attività cliniche. Tali errori riguardano:

• difetti riguardanti l’ unità di trattamento e i suoi accessori prima e durante il trattamento

• errori che riguardano il calcolo delle dosi nel piano di trattamento

• errori durante il trattamento che riguardano variazioni anatomiche del paziente, scambio di pazienti, movimenti del paziente, oggetti interposti tra fascio radiante e paziente.

Retroproiezione

• In questo caso la distribuzione 3D della dose al paziente viene ottenuta mediante procedimento di retroproiezione a partire dall’immagine portale

• Ciò richiede la separazione della componente primaria della fluenza a livello dell’EPID dalla componente diffusa,

Convoluzione

• La retroproiezione della componente primaria e la successiva convoluzione di quest’ultima con il kernel che rappresenta la radiazione diffusa all’interno del volume trattato

• Le difficoltà di tale procedura sono note e tuttavia sono descritti in letteratura metodi che hanno consentito di ottenere primi risultati incoraggianti

• Non risultano presenti attualmente in commercio prodotti soddisfacenti da questo punto di vista.

Calibrazione di sistemi per immagini portali

• l’EPID non è di per sé un dosimetro ma un recettore di immagini

• Il suo impiego dosimetrico comporta problemi, riguardanti la funzione dose-risposta, che dipendono dal tipo di rivelatore e dalle caratteristiche costruttive del dispositivo

Dosimetria con sistemi per immagini portali

• In particolare si evidenzia una dipendenza della sensibilità dei sistemi commerciali a-Si dall’energia e quindi dalla componente di scattering presente a livello dell’EPID e una dipendenza dall’area irraggiata a causa di fenomeni di scattering all’interno del dispositivo stesso.

Conclusioni

• L’introduzione di nuove tecnologie ha prodotto significativi cambiamenti nel campo della dosimetria

• La misura e il calcolo della dose richiedono un maggiore impegno in termini di aggiornamento e di tempo dedicato alle problematiche dosimetriche da parte dei fisici

• Non sembrano esistere soluzioni preconfezionate di tipo commerciale anche a causa della rapida evoluzione in campo tecnologico

Algoritmi di calcolo

• Si possono suddividere in due categorie:

1) algoritmi che non modificano al penombra al variare della densità

2) algoritmi che modificano la penombra la variare della densità

Algoritmi di calcolo

Appartengono al primo gruppo i seguenti:

• Modelli basati su misure nel fasci

• FFT convolution (point kernel)

• Pencil beam

Algoritmi di calcolo

Appartengono al secondo gruppo:

• Monte Carlo

• Collapsed cone superposition ( point kernel)

• AAA

Innovazioni tecnologiche. Vantaggi• immagini anatomiche e funzionali in 3D• l’applicazione della integrazione di immagini

multimodali • sagomare i fasci in modo da adattarsi alla

proiezione geometrica del target• i campi possono essere creati automaticamente e

rapidamente mediante collimatori multilamellari• distribuzioni 3D “esotiche” e conformate possono

essere ottenute mediante fasci a intensità modulata• inverse planning con cui i fasci sono modellati

sulla base della distribuzione di dose richiesta

Condizioni di non equilibrio elettronico

• Si hanno variazioni dello spettro energetico in mancanza di equilibrio elettronico

• Dt (r) / Dt (10) = (Dt ( E, r) / Dt (10) ) . (W/e)10r .

( ( S / r )at )10

r (2)

• Q (E,r) = Qm . Pion. Prepl. Pwall. Pcec. Ppcf (3)

Condizioni di non equilibrio elettronico

• Si hanno variazioni dello spettro energetico in mancanza di equilibrio elettronico

• Tutti i parametri che entrano nel calcolo del fattore di scattering sono dipendenti dall’energia

• Per una mini camera (Exradin A14P) il fattore di perturbazione supera il 36%, 30% e 18% per campi circolari con diametro 1,5, 3 e 5 mm a causa delle condizioni di non equilibrio; peggio nei materiali a bassa densità

Condizioni di non equilibrio elettronico

• Per dosimetria assoluta si impiega campo 10x10 cm2, ciò non è possibile in SRS, Gamma Knife, Tomotherapy, Ciber Knife

• Ciò richiede complesse procedure di confronto, estrapolazione con vari detettori ed è individuale

• The Radiological Physics Center (RPC) ha riscontrato significative differenze tra i vari centri

Dosimetri 3D e 2D

• Gel (3D)

• Film radiografici (2D)

• Rivelatori radiocromici (2D)

• EPID ( 2D)