CONTE_Probl_dosimetriche

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 DV quando
l’energia dissipata al di fuori di DV da parte degli
elettroni secondari generati al suo interno è
compensata dall’energia dissipata in DV 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, MLCIMRT )
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
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•
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 / r)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 )10r (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)