Radiochirurgia Stereotassica (RS)

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Associazione Italiana di Fisica MedicaCentro di Cultura Scientifica “A. Volta”

Scuola Superiore di Fisica in Medicina “P. Caldirola”(Direttore: M. Stasi)

LE NUOVE FRONTIERE DELLA TECNOLOGIA IN DIAGNOSTICA E TERAPIA: DALLA FISICA ALLA MEDICINA

Roma, 27 Giugno 2013

Responsabili Scientifici: M.D. Falco, A. Soriani

Coordinatore Scientifico: M Tavolozza


Policlinico Tor Vergata - Roma 27 Giugno 2013

RADIOCHIRURGIA STEREOTASSICA CON GAMMA-KNIFE

M. G. Sabini Responsabile U.O.S. Fisica Sanitaria

L. M. Valastro U.O.S. Fisica Sanitaria

Radiochirurgia Stereotassica (RS)Il concetto di “radiochirurgia stereotassica” fu introdotto circa 50 annifa dal neurochirurgo svedese Lars Leksell. Questo termine definisce unatecnica di distruzione di un bersaglio predeterminato di dimensioniridotte (3 cm diametro)

E’ stata concepita per ridurre i rischi della chirurgia tradizionale:- Elevate dosi di radiazioni ionizzanti somministrate in una unica seduta, -- Utilizzo di procedure stereotassiche (caschi rigidi fissati al cranio) peril centraggio della lesione (0.3 mm)

- Risparmio degli OAR

•Prof. Leksell e Dott. Larsson nel 1958 effettuarono il primo trattamentoin Svezia con Gamma-Knife

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Gamma Knife® C201 sorgenti di 60Co (A=6600 Ci nominale ) distribuite in cerchi

concentrici su un elmetto metallico modellato a tronco di sfera

Helmet con collimatori x focalizzare i 201 fasci radianti nel punto

endocranico previsto e per proteggere e schermare le regioni circostanti

Sistema robotizzato di posizionamento (APS) che aggancia il casco stereotassico chirurgicamente

posizionato alla testa del paziente, alla macchina di trattamento e sposta quindi il capo verso le posizioni di

fuoco previste dal treatment planning

Il Gamma Knife usa fasci di raggi gamma per trattare patologie maligne e benigne dell’encefalo, quali tumori, meningiomi, nevralgia del trigemino, MAV, neurinomi acustico, adenomi ipofisari

201 sorgenti di 60C0 sono posizionate su una matrice

semisferica e convergenti, attraverso un collimatore, in un unico punto focale “isocentro”

Il Cobalto-60 vita media di 5.3 anni, decade in Nichel-60 emettendo un elettrone e due γγγγ da 1.17 e 1.33 MeV,

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Componenti principali:

Sistema di posizionamento automatico (APS)

Lettino per il trattamento

Porte schermanti

Materiale schermante (Fe)

Sorgenti di 60Co

Copertura in plastica

Canale dei collimatori fissi (Pb, W, Al)

Elmetto dei collimatori mobili

• unità radiante fissa

• sistema di posizionamento (APS)

• collimatori (fissi e mobili)

Direzione di ingresso nell’unità radiante

Principi del Leksell Gamma Knife® C

201 sorgenti di 60Cosulla superficie di una semisfera lungo 5 anelli

20 dischetti sovrapposti di 60Co di raggio = 0.5 mmspessore = 1 mm

Attività totale all’installazione: 5119 Ci60Co

Unità radiante fissa

Principi del Leksell Gamma Knife®

4







Collimatori

Apertura collimatori dell’elmetto(diverse dimensioni della lesione)

diametri dei fasci all’isocentro:• 18 mm

• 8 mm

• 14 mm

• 4 mm

18 14 8 4

collimatore mobile

(elmetto)

Principi del Leksell Gamma Knife®

Installazione Leksell Gamma Knife® C c/o A.O.C.

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Procedure atte all’’’’accettazione dei locali e della macchina

I test di accettazione e collaudo consistono nella determinazione everifica di alcuni parametri come:

� La determinazione del rateo di dose

� L’’’’accuratezza di centraggio del GK

� Misura penombra del fascio

� Output factor

Queste verifiche sono state eseguiti e valutati dalla Elekta con l’equipe difisica sanitaria, ed i risultati rientrano nelle caratteristiche specificatedell’Elekta.

Misura del rateo di Dose

SpolTPWDw kkkNMD ⋅⋅⋅⋅= ,

Rateo di dose = 3.280 Gy/min al gennaio 2005Cambio sorgenti novembre 2011: 3.43 Gy/min

IAEA 398• Camera a ionizzazione cilindrica

EXRADIN A18 (diametro interno pari a 1.0 mm e volume nominale di 0.125 cm3)

• Collimatore 18 mm• Isocentro (100, 100, 100)

Sono stati quindi misurati i valori di outputfactors (OF) fissando una dose pari a 30 Gy pertutti e quattro i collimatori. I valori ottenutisono stati confrontati sia con i valori tabulatidal LGP che con quelli del centro Gamma-Knifedi Verona, e si nota una differenza massima del3.5% per il collimatore da 4 mm

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L ’’’’accuratezza del centraggio viene valutatalungo gli assi X, Y, e Z utilizzandoun’’’’apposito fantoccio in cui viene inserito ilGaf. Al centro del fantoccio, vi è unparticolare spillo che crea sul Gaf un piccoloforo.Per verificare il corretto posizionamento dellesorgenti si misura la distanza tra ladiscontinuità creata dal foro ed il centro delprofilo nella direzione x, y, z. In particolarela differenza tra le due distanze misurate,deve essere minore di 0.5 mm. Nel nostrocaso tale differenza è risultata di 0,13 mm,e quindi in ottimo accordo con le specifichetecniche della macchina.

Accuratezza del centraggio

Controlli di qualità (AAPM REPORT NO.54)PHYSICIS

Timer constancy Mounthly

Timer linearity Mounthly

Timer accurancy Mounthly

On-off error Mounthly -0.03 min

Trunnion centricity Mounthly 0.5 mm

Radiation Output Mounthly 2%

Relative Helmet Factors Annual 3%

Anticipated Output vs Measured Mounthly 3%

DOSIMETRY

Computer Output vs Measured Radiation/Mechanical Mounthly 3%

Isocenter Coincidence Annual 0.4 mm

Dose Profiles After sorce change or

n the acceptance test

SAFETY

Timer termination of exposure Daily

Door Interlock/ Emergency Off Buttons Daily 0.5 cm trip point

Beam Status Lights Mounthly

Emergency Release Rod Mounthly

Audio-Visual Communication Systems Daily

Permanent Radiation Monitor Annual Functional Test

Helmet Microswitch Mounthly 0.1 mm trip point

Hand Held Radiation Monitor Daily 10% Annual

Couch Movement Time Deviation Mounthly <0.5 min from initial couch movement calibration

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Il trattamento con gamma knife®

Leksell GammaPlan®

Sistema di pianificazione dei trattamenti (TPS) Leksell GammaPlan®

Controllo e gestione del sistema durante il trattamento Piani di cura

• Immagini digitali della testa tramite TC e/o MRI, Angio

• Visualizzazione nei 3 piani: assiale, coronale e sagittale

• Ricostruzione della forma e delle dimensioni della testa

LGP utilizza un algoritmo di calcolo analitico basato su alcune approssimazioni:

Ricostruisce la scatola cranica del paziente usando 24 punti di misura;

Utilizza il valore medio dell’energia dei fotoni, pari a 1,25 MeV;

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Gamma Plan

•Le immagini sono acquisite dalla stazione G-P

L’equipe: Fisico, Radioterapista, Neurochirurgo

eseguono:

• contorno del target e dei OAR

• TP: Determinazione del numero di fuochi più idonei

tramite i differenti collimatori per ottimizzare la miglior copertura al target

•Controllo degli istogrammi dose-volume

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Neurinomadell'acustico

Neurinomi dialtri nervi cr.

Meningiomaintracranico

Adenomaipofisario

Metastasicerebrale

Nevralgia deltrigemino

Malformazioneartero-venosa

Altri

87

6

340

64

459

32 20 24

Patologie trattate con Gamma Knife® anno 2006-2012

TOTALE

1032

LESIONI

Trattamenti effettuati dal 2006 ad oggi

Totale pazienti 860

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Esempi di casi clinici:

24 Gy totale

18/09/200821/01/2012

Neurinoma dell’’’’acustico

31/01/2013

22 Gy totale

Neurinoma dell’’’’acustico

10/07/2007

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Metastasi in area critichemetastasi talamo-mesencefalica (2007)

� dopo 34 mesi dal trattamento: 13.5 Gy, isodose del 45%, dose max 30 Gy

14/09/2006

11/08/2007

Astrocitoma

(sclerosi di Bourneville)

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Adenoma ipofisario non secernente

21/02/200701/06/2005

In proiezione coronale

Leksell Gamma Knife® PERFEXION™

Un nuovo sistema per la radiochirurgia stereotassica del cervello, colonna

cervicale e delle regioni testa-collo

192 sorgenti di 60Co

Cambio automatico dei collimatori

Riduzione tempi di trattamento (no pause)

Maggior possibilità di comformare la dose

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Volume Trattabile• Volume cranico trattabile aumentato del 300%

• Cervello

~ 10% di indicazioni in più per maggior raggiungibilità

• Testa collo

~ 10 % indicazioni in più per lesioni nel seno paranasale, orbite e alcune zone alto cervicali

• Lesioni cervicali

~ 20% indicazioni per zona alta spinale

Gamma Knife C

Gamma Knife PERFEXION

Vantaggi della Perfexion

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Simulazioni Monte Carlo con Geant4 (CERN di Ginevra, 1998) tecnologia orientata ad oggetti scritto in C++

Metodo Monte Carlo : generazione di un grande numero di eventi, in modo casuale, per la risoluzione di un problema

deterministico

Materiale schermante Elmetto mobile

Sorgente radioattiva Collimatore fisso Collimatore finale Diametro del fascio

Isocentro

Simulazione: delle 201 sorgenti, dei collimatori, di una “unità elementare” e del fantoccio sferico

Impiego della simulazione per 2 trattamenti clinici

Dal 2010: Advanced Example –GEANT4 (GEANT4.CERN.CH)

Validazione del programma GammaKnifeRS

Confronto con i 4 collimatori (20 Gy all’’’’isocentro)

γ < 1

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

0

1

Sovrapposizione profili sperimentale e simulato

X [mm]

Dose p

erc

entu

ale

Sperimentale

Simulato

Indice gamma

Sovrapposizione isodosi sperimentali e simulate

X [mm]

Y [m

m]

10

10

10

20

20

30

30

50

50

7090

10

10

10

20

20

30

30

50

70

90

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

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Sperimentale

Simulata

4 mm

Simulazione validata entro gli errori sperimentali !

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

0

1

Sovrapposizione profili sperimentale e simulato

X [mm]

Do

se p

erc

en

tua

le

Sperimentale

Simulato

Indice gamma

Sovrapposizione isodosi sperimentali e simulate

X [mm]

Y [m

m]

10

10 10

10

20

20

20

20

20

20

20

20

20

30

30

30

30

3030

30

50

50

50

5050

70

70

70

70

90

90

9090

10

10

10

10

20

20

20

20

20

20

20

20

30

30 30

30

3030

30

50

50

50

50

50

70

70

70

70

90

90

90

90

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

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Sperimentale

Simulata

GAF HS:12 fogli da 3 x 3 cm2

al centro del fantoccio18 mm

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Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan®

Buon accordo tra i dati del TPS GammaPlan® e i risultati della simulazione!

per piani passanti del centro del fantoccio

(in assiale)

per piani a varie distanze del centro del fantoccio (in assiale e coronale)

In condizioni standard (fantoccio di acqua)

In caso di disomogeneità ?

TPS

Simulata

Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan®

cubo di aria3 cm di spigolo

disomogeneità aria-acqua(es.: cavità nasali)

γ > 1 �� differenze di dose in percentuale fino al 4% !

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

0

1

Sovrapposizione profili simulato e del TPS

X [mm]

Dose p

erc

en

tuale

TPS

Simulato

Indice gamma

Volume

di aria

Sovrapposizione isodosi simulate e del TPS

X [mm]

Y [m

m]

10

10

10

20

20

20

20

20

20

20

20

30

30

30

30

3030

30

50

50

50

50

50

7070

7070

90

90

90

90

10

10

10

10

1010

10

10 10

20

20 20

20

20

20

20

20

20

30

30

30

30

30

50

50

50

50

70

70

70

90

90

90

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

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Sperimentale

Simulata

Volume

di aria

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Misure su fantoccio antropomorfo Alderson-Rando

Misurare i valori di dose all’’’’interno del fantoccio in corrispondenza delle lesioni simulate per confrontarli con i valori di dose calcolati dal TPS

� i tessuti molli sono costituiti da materiale sintetico di densità di 0,985 g/cm3 e

numero atomico efficace di 7,3

� è realizzato in trentacinque sezioni assiali dello spessore di 2,5 cm; ogni strato è

numerato a partire da 0 fino a 34, procedendo dalla calotta cranica verso il basso

� Lesione simulata tra la fetta 3 e lafetta 4- GAF

� Inserimento casco stereotassico

� RM

� Pianificazione trattamento: Dosemassima pianificata: 30 Gy; 17 shot

� Collimatori da 8 e 4 mm

� Esecuzione trattaamento

RM

GAF EBT calibrati in fantoccio GK

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Film EBT

Matrice EBT

20 40 60 80 100 120 140 160

20

40

60

80

100

120

140

160

50

100

150

200

cGy

Curve di isodose calcolate dal TPS Matrice di dose del film EBT

10

10

10

10

20

20

20

20

20

20

20

3030

30

30

30

50 50

50

50

70

70

70

Sovrapposizione curve di isodose

X [mm]

Y [

mm

]

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

20

20 20

20

20

20

20

30

30

30

30

30

30

50 50

50

50

70

70

70

70

-30 -20 -10 0 10 20 30

-30

-20

-10

0

10

20

30TPS

EBT

SOVRAPPOSIZIONE CURVE DI ISODOSE

Differenze tra lecurve < 1 mm

TPS accurato nella previsione

della distribuzione di

dose spaziale 2D

Co-registrazione RM-PET con 11C-metionina

(sarcoma extra-osseo)

Futuri sviluppi

Utilizzo dell’imaging funzionale

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Grazie per l’attenzione

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