ATER2 – E
La ricerca nel campo dell’elettronica e dell’informatica applicata al trattamento del cancro trova nel
piano triennale di ATER2 (1999-2001) il completamento di studi e prove di fattibilità portate avanti
nel triennio precedente. Le proposte di esperimento riguardano IMAGO e RATIO.
L’esperimento IMAGO vuole offrire la vasta competenza INFN nel campo della fisica
fondamentale al mondo oncologico per quanto riguarda l'acquisizione, l’elaborazione e
l’integrazione di immagini di tipo clinico-diagnostico per il posizionamento del paziente e il
miglioramento della qualità del trattamento in radioterapia. Partendo dall’esperienza acquisita nella
produzione della cartella clinica di tipo oncologico già sviluppata dalle Sezioni di Genova e
Roma/ISS, l’esperimento, che si avvale anche delle competenze delle Sezioni di Firenze e Napoli,
vuole permettere la trasmissione di dati ed immagini, la ricerca sui metodi per sovrapporre
immagini che provengono da apparati differenti e lo studio e l’interfacciamento con sistemi di piani
di trattamento sia convenzionali sia per protoni e ioni.
L’esperimento RATIO intende portare a maturazione lo studio di fattibilità dell’esperimento PAT,
in cui erano impegnate le Sezioni di Genova, Milano e Pavia, ed intende sviluppare le procedure
software che permettono di visualizzare un tumore, già individuato tramite TAC ed NMR, seguirne
il movimento e, in prospettiva, eseguire una retroazione sul fascio. PAT ha provato che i pixel
possiedono caratteristiche fin ridondanti per gli scopi previsti. Le Sezioni impegnate, a cui si unisce
ora quella di Torino (Sede di Alessandria) intendono verificare anche altri possibili rivelatori a
semiconduttore e sviluppare un progetto che, benché finalizzato all'adronterapia, ha una sua validità
generale anche nella radioterapia convenzionale.
Per la parte di pattern recognition e integrazione di immagini cliniche RATIO potrà avvalersi, nella
parte di analisi ed elaborazione dei segnali acquisiti, della esperienza e dei prodotti software
implementati da IMAGO. Questo spiega lo stretto contatto tra le due proposte.
Riassunto delle richieste finanziarie di ATER2 – E (in milioni di lire )
1999
2000
2001
Totale
Interno
54
56
56
166
Estero
26
26
31
83
Consumo Inventario Totale
41
63
184
43
49
174
44
44
175
128
156
533
ATER2 – E – IMAGO
Integrazione di imMAGini Oncologiche
RESPONSABILE:
Prof. Sandro Squarcia (Sezione di Genova)
1. PARTECIPANTI ALL’ESPERIMENTO
Sezione di Firenze
Fabrizio BANCI BUONAMICI
Giacomo BELLI
Giampaolo BITI
Marta BUCCIOLINI
Antonella COMPAGNUCCI
Stefania PALLOTTA
Riccardo SANTONI
Dipendente ospedaliero
Dipendente ospedaliero
Professore ordinario
Professore associato
Dipendente ospedaliero
Collaboratore tecnico
Ricercatore universitario
60%
40%
40%
50%
50%
60%
40%
Sezione di Genova
Maurizio FERRARIS
Paolo FRIXIONE
Stefania GARELLI
Pietro RISSO
Paolo SARACCO
Sandro SQUARCIA
Marco ZUCCARINO
Ricercatore TERA
Contrattista Dipartimento di Fisica
Contrattista Dipartimento di Fisica
Ricercatore TERA
Ricercatore INFN
Professore associato
Contrattista Dipartimento di Fisica
100%
100%
50%
100%
50%
20%
100%
Sezione di Napoli
Giancarlo GIALANELLA
Gianfranco GROSSI
Marco DURANTE
Maria Gabriella PUGLIESE
Paola SCAMPOLI
Professore ordinario
Professore associato
Ricercatore universitario
Collaboratore tecnico
Funzionario tecnico universitario
30%
30%
30%
30%
40%
Sezione di Roma I - Gruppo collegato Istitito Superiore Sanità
Barbara CACCIA
Vittorio DANTE
Riccardo FRAGOMENI
Tiziana MALATESTA
Maurizio MATTIA
Maria Teresa RUSSO
Stefano VALENTINI
Marcello BENASSI
Roberto CAPPARELLA
Primo Ricercatore ISS
Tecnico ISS
Contrattista Dipartimento Fisica di Genova
Borsista Ass. Ital. Ricerca Cancro
Contrattista Dipartimento Fisica di Genova
Borsista TERA
Tecnico ISS
Dirigente Istituto Regina Elena
Borsista Istituto Regina Elena
100%
50%
100%
50%
100%
100%
50%
Sandro CARPINO
Tecnico Istituto Regina Elena
2. SCOPI
Il progetto IMAGO vuole offrire la vasta competenza INFN nel campo della fisica fondamentale al
mondo oncologico per quanto riguarda l'acquisizione, l’elaborazione e l’integrazione di immagini
di tipo clinico-diagnostico per il posizionamento del paziente e il miglioramento della qualità del
trattamento in radioterapia. Scopo finale è quello di permettere una fusione di immagini,
provenienti da differenti apparati clinici, che possa essere di aiuto per la stesura dei piani di
trattamento radioterapici.
3. INQUADRAMENTO GENERALE
Presupposto indispensabile per l'esecuzione di trattamenti radioterapici avanzati (in particolare con
adroni, ma anche tutti i trattamenti conformazionali con fotoni ed elettroni) è il riconoscimento sia
del bersaglio del trattamento (planning target volume, PTV) che degli organi a rischio adiacenti
(organ at risk, OAR) come definiti da ICRU [1]), e la identificazione e visualizzazione delle
correlazioni geometriche tra i parametri del trattamento radioterapico (caratteristiche fisiche e
geometriche dei fasci di radiazione) e le strutture anatomiche così delineate.
Un ruolo fondamentale è rivestito senza dubbio dalla tomografia assiale computerizzata (TAC), che
rappresenta l'input per eccellenza di ogni sistema per la pianificazione del trattamento adroterapico.
Oltre a costituire infatti un rilevante mezzo diagnostico, permettendo una individuazione più o
meno accurata della lesione nella maggioranza delle patologie tumorali, rappresenta anche un
requisito fondamentale per i calcoli delle distribuzioni della dose nel paziente. Essa infatti contiene
l'informazione relativa alla distribuzione spaziale delle densità elettroniche (le unità Hounsfield
utilizzate, sono infatti direttamente correlate alla densità elettronica).
Ciononostante altre forme di imaging sono in grado di fornire informazioni utili sia per
l'identificazione delle strutture di interesse (PTV ed OAR), che per la verifica della rispondenza tra
piano di trattamento calcolato e trattamento realmente eseguito. Tra queste sono in particolare
rilevanti dal punto di vista diagnostico, la TAC con mezzo di contrasto, la risonanza magnetica
nucleare (NMR) e l'imaging funzionale della medicina nucleare (single photon emission computed
tomography, SPECT e proton emission tomography, PET).
4. PROGRAMMA DI LAVORO
Dal punto di vista della ricostruzione geometrica del trattamento, invece, un prezioso contributo è
fornito dalle radiografie di simulazione, dalle immagini portali e dalle radiografie ricostruite
digitalmente (DRR).
Scopo del progetto IMAGO è produrre un software in grado di integrare le varie forme
d’informazione disponibili in un unico ambiente applicativo, interfacciato con il sistema di piani di
trattamento (treatment planning).
Nell'ambito degli studi che si intendono svolgere si possono definire differenti punti nodali:
Interfaccia DICOM. DICOM (Digital Imaging and COmmunications in Medicine), basato sul
modello OSI e, nella maggior parte dei casi su protocollo di comunicazione TCP-IP, è lo standard
di comunicazione adottato per il trasferimento delle immagini tra le apparecchiature medicali
Risulta quindi necessario definire un conformal statement minimale che indichi con esattezza quali
funzionalità DICOM sono implementate su tutti gli apparati in uso. Per le modalità diagnostiche
sprovviste di uscita DICOM, occorre produrre degli opportuni convertitori che le mettano in grado
di fornire le immagini in formato standard.
DICOM consente inoltre di estrarre immagini direttamente dai sistemi (PACS) di archivio di
immagini ospedaliere DICOM, qualora ne siano essi stessi dotati. Questa funzionalità va
implementata ove richiesto dagli utilizzatori. E` inoltre necessario che venga implementata la
possibilità di digitalizzare immagini RX tradizionali, come quelle prodotte (nella maggior parte dei
casi) dai simulatori di terapia, ovvero le immagini portali, acquisite direttamente sotto il fascio
terapeutico.
Registrazione e segmentazione delle immagini. Allo stato attuale, immagini provenienti da
differenti modalità diagnostiche vengono confrontate solo visivamente. Per poter sfruttare al meglio
l'informazione diagnostica multimodale, è necessario predisporre algoritmi specifici che consentano
di correlare spazialmente immagini di differente origine (registrazione), tenendo ovviamente conto
di tutti i problemi connessi (come, ad esempio, differenti FOV, dimensioni dei pixel e/o distorsione
spaziale).
Sulle immagini registrate occorre procedere alla segmentazione, cioè alla identificazione delle
regioni di interesse (region of interest, ROI) corrispondenti al bersaglio tumorale ed ai vari organi a
rischio. Questo procedimento deve essere il più possibile automatizzato per quanto riguarda le
strutture anatomiche ben definite, con l'uso di algoritmi più evoluti dell'usuale algoritmo di
riconoscimento di soglia. Risulta inoltre necessario disporre di sistemi in grado di facilitare il
tracciamento del PTV.
La registrazione delle immagini assume particolare importanza anche nell'ambito della verifica
della corrispondenza tra il trattamento pianificato ("treatment planning system", TPS) ed il
trattamento realmente in esecuzione. A questo scopo, è necessario disporre della possibilità di
effettuare la registrazione delle immagini radiografiche di simulazione e delle immagini "portali"
tra di loro e con le DRR, per verificare che il posizionamento del paziente sia corretto rispetto alla
disposizione dei fasci, sia nella fase di verifica preliminare, che nel corso dell'effettivo trattamento.
Nell'ambito del progetto, sarà creata una "graphical user interface" (GUI) in ambiente PC per la
sola interazione dell'utente, mentre la fase di calcolo (soprattutto per la registrazione) e di gestione
della memoria di massa sarà devoluta, in maniera trasparente all'utente, ad un cluster di workstation
(quasi certamente in ambiente UNIX) mediante l'uso di tecnologia parallel virtual machine (PVM)
che consente una trasportabilità a basso costo verso ambienti differenti.
Visualizzazione 3D. Sulla base delle immagini bidimensionali così elaborate, lavorando in
ambiente advanced virtual system (AVS) su piattaforma UNIX, si procede quindi alla ricostruzione
3D dei volumi di interesse e del bersaglio. La possibilità di avere una sequenza di immagini
rappresentativa di sezioni anatomiche contigue di un organo consente di effettuare un'analisi non
invasiva delle caratteristiche strutturali e funzionali del corpo del paziente.
Una volta realizzata la ricostruzione tridimensionale del paziente, corredata da tutti i dati acquisiti
in sede di indagine diagnostica, si può passare poi all'implementazione della "digital reconstructed
radiography" (DRR) che consente di effettuare, da una angolazione arbitraria, delle radiografie
simulate del paziente.
Questo tipo di strumenti informatici è di enorme interesse in radioterapia, non soltanto per la
determinazione della balistica del trattamento, ma anche, e principalmente, per la verifica del
corretto riposizionamento del paziente nelle successive sessioni terapeutiche. Infatti esse
permettono di operare una simulazione virtuale del trattamento sul paziente (o, meglio, sulla sua
ricostruzione digitale 3D), mediante simulazione di radiografie da qualsivoglia angolazione.
Queste ultime consentono una visione diretta ed immediata del fascio terapeutico e delle sue
relazioni spaziali rispetto ai riferimenti anatomici del paziente, che rappresenta un indubbio
vantaggio in termini di massima conformazione al bersaglio.
Trasferimento al treatment planning system. Tutto quanto viene prodotto con il software
precedentemente descritto deve essere trasmesso al TPS, per il calcolo della distribuzione di dose e
la pianificazione e gestione ottimali del trattamento.
Al momento attuale, in cui si lamenta la mancanza di un protocollo di trasferimento dedicato,
dovranno essere sviluppati interfacciamenti specifici per ciascun sistema di piani di trattamento
disponibile. In ogni caso, presupposto fondamentale per un'operazione di questo genere è
l'identificazione di uno standard di trasferimento delle ROI e la sua adozione da parte di tutti i
gruppi di lavoro coinvolti.
Un ultimo obiettivo resta naturalmente quello di rendere possibile il confronto tra piani di
trattamento convenzionale (raggi X o elettroni) e piani di trattamento con protoni od altri ioni
leggeri (laddove siano disponibili i relativi algoritmi di calcolo delle distribuzioni della dose), in
maniera tale da facilitare il più possibile la scelta da parte del radioterapista del trattamento clinico
ottimale per ciascun paziente.
Aspetti telematici. Appare opportuno sottolineare come l'adozione di tecnologie standard (DICOM,
ambiente AVS, protocollo TCP-IP, piattaforme UNIX e Windows95) permetta di sfruttare
l'infrastruttura telematica già esistente per teleconsulto ed altre forme di applicazioni remote e ben
si ricollega a ricerche e sviluppi già finanziati dall'INFN nel piano triennale precedente.
******* La parte che segue potrà subire modifiche non sostanziali nella stesura definitiva *******
Organizzazione del lavoro tra le varie sezioni:
La ripartizione delle attività tra le sezioni interessate è la seguente:
Comune a tutte le sezioni: interfacciamento DICOM verso le varie periferiche; sviluppo della
specifica interfaccia verso il sistema di Treatment Planning in uso.
Sezioni di Genova e Napoli: registrazione di immagini
Sezione di Firenze: segmentazione di immagini e porting verso il calcolo parallelo
Sezione di Roma – ISS: Ricostruzioni tridimensionali e DRR
********========================================================= *******
Il progetto delineato risponde ad una esigenza già ora largamente sentita all'interno della comunità
dei medici radioterapisti e si integra perfettamente con i progetti di riconoscimento automatico del
bersaglio sotto fascio, progetti che richiedono ovviamente come presupposto che il bersaglio sia
delineato con la massima accuratezza possibile.
L'importanza dell'approccio seguito è inoltre destinata ad aumentare con l'affermarsi dei programmi
di aumento di dose (dose escalation) e, naturalmente, della terapia con protoni ed ioni pesanti.
La scala dei tempi prevista per la realizzazione del progetto è la seguente:
1999: Studio di DICOM3 per la trasmissione di immagini cliniche anche in connessione alla
distribuzione in rete. Studio di sovrapposizioni d'immagini cliniche in prospettiva al loro utilizzo
nei piani di trattamento radioterapico.
2000: Analisi di visualizzazioni 3D sia per la sovrapposizione d'immagini cliniche che
nell'applicazione ai piani di trattamento radioterapico.
2001: Studio delle immagini integrate per confronti, anche mediante Monte Carlo, tra piani
di trattamento gamma/elettroni e piani di trattamento protoni/ioni.
5. RICHIESTE FINANZIARIE
1999
2000
2001
Totale
Interno
26
28
28
82
Estero
14
14
14
42
Consumo
24
24
24
72
Inventario
44
22
22
88
Totale
108
88
88
284
Bibliografia
[1] ICRU, Prescribing, Recording and Reporting Photon Bean Therapy, ICRU Report 50, 1993.
ALLEGATO
I compiti per le singole Sezioni sono equipartiti. Napoli non possiede stazioni per l’elaborazione
grafica e occorre fare esperienza sull’acquisizione delle immagini radiografiche.
Richieste finanziarie Sezione per Sezione
FIRENZE
1999
2000
2001
Totale
Interno
7
8
8
23
Estero
2
2
2
6
Consumo
6
6
6
18
Inventario
10
5
5
20
Totale
25
21
21
67
Interno
8
8
8
24
Estero
4
4
4
12
Consumo
6
6
6
18
Inventario
11
7
7
25
Totale
29
25
25
79
Interno
4
5
5
14
Estero
2
2
2
6
Consumo
6
6
6
18
Inventario
13
5
5
23
Totale
25
18
18
61
GENOVA
1999
2000
2001
Totale
NAPOLI
1999
2000
2001
Totale
ROMA1-ISS
1999
2000
2001
Totale
Interno
7
7
7
21
Estero
6
6
6
18
Consumo
6
6
6
18
Inventario
10
5
5
20
Totale
29
24
24
77
Interno
23
24
14
21
82
Estero
6
12
6
18
42
Consumo
18
18
18
18
72
Inventario
20
25
23
20
88
Totale
67
79
61
77
284
X SEZIONE
FIRENZE
GENOVA
NAPOLI
RM1/ISS
Totale
Le specifiche per il 1999 sono:
Missioni interne (75gg x 350klit, viaggio compreso)
- Contatti con collaboratori
- Riunioni generali della Collaborazione
26 Mlit
Missioni estere (20gg x 500klit + 4 viaggi x 1Mlit)
- Presa dati per confronto simulazioni e test (PSI)
14 Mlit
Materiale di consumo
- Licenza AVS e software di ricostruzione immagini (6 Mlit/cad)
24 Mlit
Materiale inventariabile
- PC per interfacciamento apparati e scanner (Firenze 10 Mlit)
- Scanner per immagini radiologiche ed espansione memoria (Genova 11 Mlit)
- Scanner per immagini radiologiche (Roma1/ISS 10 Mlit)
- Alpha station per grafica interattiva (Napoli 13 Mlit)
44 Mlit
TOTALE
108 Mlit
