19 novembre 2010 Confronto tra i sistemi IGRT nella Radioterapia

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