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Tommaso Giandini e Chiara Tenconi, Ssd Fisica Medica
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
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