FISICA SANITARIA : UNA PROFESSIONE MULTIDISCIPLINARE Confronto tra i sistemi I.G.R.T. nella Radioterapia di precisione Luigi Fontan UO di Fisica Sanitaria ULSS n°9 TV 19 novembre 2010 VENEZIA Osp. “SS. Giovanni e Paolo” Sala “ San Domenico” ERRORI NELLA PRATICA RADIOTERAPICA Errori calcolo dose; errori nelle geometrie dell’acceleratore; errori nel posizionamento degli accessori; errori tra TPS (paziente virtuale) e Trattamento (paziente reale) Ecc.. ICRU Report 62 Errori Margini TPS-Trattamento Errori Posizionamento (intra-frazione) Errori organ-motion Errori margini di Setup (SM) ICRU50 ICRU62 Errori organ-motion (IM) Intra-frazione Errori organ-motion (IM) Inter-frazione Nella pratica RT: può modificarsi la posizione dell’organo e del target intra-frazioni; Può modificarsi la posizione dell’organo durante il rilascio della dose frazione Secondo icru50 e 62 il setup e le incertezze di posizione degli organi devono essere incorporate nel processo del piano di trattamento prendendo margini attorno al CTV per definire il PTV. Come questi margini debbano essere definiti non è specificato. NACP (1997 supp.10) propose una separazione dei margini in incertezza nel posizionamento del paziente (SM) chiamato margine di set-up (SM) e organ-motion internal margin (IM). Diverse componenti delle incertezze geometriche presenti in trattamenti RT polmonari eseguiti si diversi pazienti Source sistematico casuale riferimento Definizione del target 2-7 mm --- Steenbakkers et al (2006) Spread microscopico 2-3 mm --- Giraud (2000) Respirazione 0-7 mm 0-7 mm Seppenwoolde (2002) Accuratezza della macchina <1 mm <1 mm Rahimian (2004) Errori di set-up 4 mm 4 mm Borst (2007) Spostamento dei riferimenti 4 mm 3 mm Sonke (2008) Movimento tra le frazioni 1-2 mm 1-2 mm Sonke (2009) Altro ? Metodi per la definizione dei margini CTV-PTV (approccio statistico) Metodo di Stroom/Van Herk Errore casuale Approssimazione gaussiana degli errori (set-up+inter-fraction organ motion) Stima delle componenti sistematica e casuale (Σ e σ) per la popolazione M = a x Σ + 0.7 x σ (a=2-2.5 per garantire 95% dei pazienti copertura del 95% CTV) Errore sistematico Determina un aumento a volte non giustificato del volume trattato Margine aggiuntivo che ingloba tutte le possibili posizioni del CTV durante ogni singola frazione (ITV) Static vs moving phantom (Verellen, IJROBP 2006) McCarter & Beckham, PMB, 2001 Strategie per ridurre gli errori (volumi) nella RT IMAGE - GUIDED RADIATION THERAPY ( IGRT ) Obiettivo: controllo locale Identificazione del target Distribuzione ottimale della dose RT Precisione e accuratezza nell’erogazione della dose ? Definizione di IGRT Erogazione della dose basata su una conoscenza istante per istante della localizzazione del volume del target • DURANTE il PLANNING – Migliore definizione GTV e CTV • DURANTE il TRATTAMENTO – MEDIANTE “IN-ROOM IMAGING” – Diminuzione errori set-up e organ motion Razionale dell’IGRT IGRT è un componente del processo della terapia radiante che consente di riallineare, con un piccolo margine di errore, la posizione del paziente tra la fase di simulazione con la fase del trattamento radiante 5 / 23 Treatment uncentainties 1 Target IGRT 0.9 Biology 0.8 Motion Probability 0.7 Setup 0.6 0.5 Delivery 0.4 Dosimetry 0.3 Total 0.2 0.1 0 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 Deviation from ideal 20 30 40 ASTRO2008 – Prof. B. Paliwal, University of Wisconsin, Madison 50 IGRT “Governance” • • • • movimento del target Riprodurre il posizionamento Riduzione o espansione del tumore Variazioni nella forma del tumore e nell’anatomia circostante Jaffray et al.1999 Evoluzione dei sistemi per “guidare attraverso le immagini” la pratica RT • • • Markers sulla superfice della cute Portal imaging ( PORT FILM ) Electronic Portal Imaging Device ( EPID ) Anni 1980 Anni 1990 Anni 2000 • Portal film • • • • Primi sistemi EPID MV Sistemi di localizzazione a US Si introducono markers ottici Si introducono I sistemi a trecking Fluoroscopici • • • • • Flat panel imaging (EPID) KV digital imaging CT – su rotaia KV-CBCT MV-CBCT 1D: navigazione a vista 2D: navigazione su un piano 3D: navigazione in un volume 4D: navigazione nel tempo 5D: navigazione nella biologia Tecnologie IGRT Metodi IGRT planari EPID Fluoroscopia Cyberknife EPID 1 tipo: schermo a fosfori – specchio-camera 2 tipo: sistema a scansione con camere a liquido 3 tipo: flat-panel a matrice attiva (più usato) La qualità dell’immagine è limitata a causa del basso contrasto dell’anatomia del paziente ad energie nell’ordine dei MeV. Per superare questo problema da MeV a KeV. Tutti questi sistemi inizialmente 2D si sono sviluppati in 3D. Tecnologie IGRT Metodi IGRT volumetrici • • • • TC diagnostica nel bunker TC “on rails” CBCT Tomoterapia Tecnologie IGRT Metodi IGRT non radiologici Sistemi a UltraSuoni per l’individuazione della prostata; lo sviluppo di sensori US 3D per il tessuto soffice ha ridotto gli errori di localizzazione che erano rilevanti nel 2D. Immagini video Marker all’infrarosso che si basano sulla superficie del paziente e che non si correlano direttamente alla posizione del target. ART (Adaptive Radio-Therapy) Estende l’idea della correzione offline. Obiettivo è la riduzione della discrepanza tra il piano di trattamento e il piano eseguito. Durante il corso del trattamento vengono eseguite più TC sul paziente. Combinando tutte queste informazioni sulla posizione media dell’anatomia interna, possono essere rivalutati i margini degli organi e del target e ripianificando il trattamento radiante per il restante tempo di irradiazione si corregge la dose. Da alcuni studi effettuati con la disponibilità di un sistema in-room CBCT, per trattamenti sulla prostata e rivalutazione dopo 2 settimane di RT si arriva a ridurre il PTV in media del 30%. IGRT + ART = IGART ART come ottimizzazione del margine Riferimento (controllo settimanale) Fraction n° = 1……………..i…………………………………….N Per correzioni on-line, ART non è ancora disponibile visti i tempi per il ricalcolo della dose. L’alternativa è la correzione delle geometrie solo su apparecchiature dove il controllo IGRT è collegato direttamente al lettino e all’acceleratore con la possibilità di eseguire movimenti di rototraslazione: Esempio: Tomotherapy, Cyber-knife, con controllo di tracking o di gating Nuovi sistemi che consentono registrazioni non rigide sia dell’anatomia che della dose sono all’orizzonte !?!…….. Correzione off-line Correzione effettuata a distanza di tempo dall’ dall’esecuzione dell’ dell’immagine RT RT RT RT RT tempo correzione immagine immagine Riduce l’errore sistematico Correzione on-line Correzione effettuata immediatamente dopo esecuzione dell’ dell’immagine RT correzione immagine RT correzione immagine RT tempo correzione immagine Riduce l’errore sistematico e random Marcel van Herk, Sem. Rad. Onc., 2007 Correzione effettuata durante la delivery della dose 4D • BreathBreath-hold • Gating • Tracking • Dose escalation • Riduzione del PTV margin Marcel van Herk, Sem. Rad. Onc., 2007 Gating Respiratorio È necessario avere: • 4D-CT ( Planning CT ) • Software di Simulation Virtual • Dispositivo per il tracking del movimento • TPS • Linac + opzione di Gating Stato attuale del Gate in Radioterapia Internal gating (gating fluoroscopico) - Fiducials markers impiantati per individuare la posizione del tumore External gating (gating ottico) - Markers posizionati sulla cute del paziente Internal Gating •Monitoraggio del ciclo respiratorio del paziente Rilevazione dei movimenti del tumore Harada T., Cancer 2002 Internal Gating • Precisa localizzazione della posizione del target in tempo reale. Markers fiduciali impiantati nella Prostata o nel tumore del polmone Invasività Jiang et al, Seminars in Radiation Oncology 2006 Gating Esterni Sistemi per la rilevazione dei movimenti della gabbia toracicaparete addominale L’erogazione da parte dell’acceleratore avviene in una fase considerata poco variabile del ciclo respiratorio (GATE) Tecnica non invasiva ma può essere imprecisa Sistemi non radiografici US: localizzazione del target in RT 1. 2. 3. 4. Semplice Veloce non invasiva applicazione in tumori pelvici e mammella Svantaggi 1. operatore-dipendente 2. bassa qulità immagini • Nel servizio di Radioterapia di Treviso è implementato il sistema ExacTrac della ditta BraiLab Descrizione del sistema The ExacTrac X-Ray 6D image-guided radiotherapy (IGRT) Il sistema è fondamentalmente l’integrazione di due sottosistemi: • Un sistema di posizionamento ottico all’infrarosso (IR) (ExacTrac) • un sistema di imaging radiografico kV xray (X-Ray 6D). Descrizione del sistema Il sistema ExacTrac è composto da due telecamere all’infrarosso, che sono usate per monitorare dei marker riflettenti posti sulla pelle del paziente prima della terapia radiante e/o un sistema di riferimento a stella attaccata al lettino che ne controlla i movimenti con una risoluzione spaziale inferiore a 0,2-0,3 mm Descrizione del sistema • La verifica della posizione del paziente è ottenuta mediante fusione delle immagini radiografiche ottenute prima e/o durante la terapia con le immagini DRR • Le immagini DRR sono ottenute dalla simulazione CT • La fusione può essere eseguita sia manualmente che automaticamente • Nel primo caso possono eseguirsi solo traslazioni. (tre gradi di libertà 3D) • Nel secondo caso sono possibili rototraslazioni mediante un idoneo algoritmo di fusione (6 gradi di libertà 6D). Descrizione del sistema Algoritmo di fusione (registrazione) L’algoritmo automatico per la fusione delle immagini è basato sulla correlazione dei gradienti ottimizzando la sovrapposizione delle immagini accoppiate (x-ray e DRR). Le immagini sono sovrapposte mediante la ricerca dei contorni degli oggetti nelle proiezioni simili. Gli errori di rotazione vengono calcolati mediante sovrapposizione per rototraslazione degli oggetti individuati mediante correlazione dei gradienti associati alle strutture ossee (Bony fusion) o implants (markers fiduciali impiantati) Descrizione del sistema Operativamente, il sistema genera circa 100 DRR dalle immagini TC in diverse proiezioni per ricercare la migliore sovrapposizione con le immagini radiologiche. Da questo confronto si individuano le coordinate e le rotazioni per ripristinare la posizione originaria del paziente alla TC di simulazione. Quando la fusione non riesce, significa che gli oggetti contenuti nell’immagine radiografica e le DRR create mediante la TC di simulazione non sono confrontabili entro i margini di errore definiti dall’utente. DRR da TC X-ray Descrizione del sistema Successivamente, a seguito dei risultati di verifica, l’aggiustamento della posizione è ottenuto usando il sistema con telecamere ad infrarosso con i reperi fiduciali posti sul paziente o mediante il riferimento a stella solidale al lettino di terapia Descrizione del sistema Mediante il sistema BrainLAB ExacTrac ® è possibile eseguire un aggiustamento automatico (ON-line) 6D del paziente (solo se il lettino dell’acceleratore lo consente) il nostro non è automatico …. purtroppo Descrizione del sistema Il nostro lettino è manuale. Senza l’accessorio dedicato sono possibili solo traslazioni e non rotazioni Si possono commettere alcuni errori. • • Grafico 3d vs 6D DRR vs EPID Errori dovuti alla rotazione del paziente S. Elber BrainLab e Toufik Djemil Ph.D. Cleveland Clin. Found. Confronto con altri sistemi IGRT precisione di posizionamento Dosi aggiuntive al paziente Confronto con altri sistemi IGRT Elekta Synergy Varian Trilogy Siemens Primatom Elekta Sinergy Varian Trilogy Siemens Primatom Confronto con altri sistemi IGRT Cyberknife Tomotherapy Confronto con altri sistemi IGRT Dalla letteratura alcuni dati su errori geometrici su fantocci ExacTrac errore medio residuo totale dopo fusione <= 1,5 mm +/- 0,7 mm (Hacker F. et all MP 2006 33(6)): 2066 altri lavori 0.7 mm +/- 0,5 mm IJROBF 2006,66:S244 ~ 1mm Cyberknife Errore max 0.53 ± 0.16 mm Christos Antypas et al 2008 Phys. Med. Biol. 53 4697-4718 ~ 0.80 ± 0.05 mm P.Desai et all - Med. Phys. Volume 33, Issue 6, pp. 2082-2082 (June 2006) ConeBeam Errore coincidenza MV/KV ~0,25 mm; accettato +/-2mm J. P. Bissonet et al QA for IG-Tecn. AAPM Org. Tomotherapy ± 1.0 mm Phys. Med. Biol. 49 (2004) 2933–2953 Tutte le apparecchiature ~ 1mm Errori medi di posizionamento tra le frazioni di RT Vert. (shift) mm 1.04 mm Long. (shift) mm 1.09 mm Lat. (shift) mm 2.20 mm Vert. (angle)° 0.7° Long. (angle)° 0.9 ° Lat. (angle)° 0.7 ° Confronto con altri sistemi IGRT Dose aggiuntiva al paziente ExacTrac Dose ~ 0,25 - 0.75 mGy per immagine f(kV,mAs,Spessore) Martin J. et all annual meeting AAPM 2006 Cyberknife Dose ~ 0,25 - 0.75 mGy per immagine f(kV,mAs,Spessore) Martin J. et all annual meeting AAPM 2006 CBCT Dose ~ 16 - 25 mGy dose media agli organi e circa 2 volte alla pelle Thilman C. et all Rad.Onc. 2006 1:16) and Martin J. et all annual meeting AAPM 2006 Tomotherapy MVCT Dose ~ 20 - 30 mGy per verifica IJROBF2004, vol. 60, no5, pp. 1639-1644 Confronto con altri sistemi IGRT Confronto tra ExacTrac e CBCT Dose aggiuntiva al paziente per 40 frazioni ExacTrac CBCT Kan et al., Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys.,Vol. 70, No. 1, pp. 272–279, 2008 Dose ~ 0,5 mGy x 2 x 40 ~ 40 mGy da aggiungere alla dose totale 22.7mGy x 40 fx = 0.9 Gy dose addizionale agli organi 54 mGy * 40 fx = 2.2 Gy dose alla pelle !!!! Tempi medi di verifica Dalla letteratura: Tempo medio di verifica per ExacTrac, 3’ 11” (Linthout N. et al Radiother. Oncol 2007,83 168-174 Nostra esperienza: circa 3 - 4 min/paz. Tempi confrontabili con la realizzazione di immagini portali Prostata, trattamento 6 campi Se applicati al campo laterale Conclusioni Vantaggi •Calibrazione molto semplice e automatica •aggiustamenti dell’isocentro con precisioni molto elevate < 1 mm •Sempre pronto per verifiche on-line •Non c’e’ rischio di collisione •Limiti di accettabilità definibili in funzione del tipo di trattamento radioterapico •Minima dose al paziente (30 sedute x 1mGy =3 cGy totali) •Possibilità di implemetazione del gating respiratorio ( ….. ) •Facile individuazione dei markers fiduciali anche in modo automatico Conclusioni Svantaggi • • • • • Il nostro sistema non ha il lettino automatizzato Non consente la verifica del campo di trattamento ma solo il controllo dell’isocentro di trattamento Non consente la visione del tessuto molle Non permette eseguire una stima quantitativa della deformazione degli organi Richiede TC di simulazione con elevato n°di slice (la ricostruzione DRR e quindi l’errore dipende dallo spessore delle slice) Grazie dell’attenzione