La PET in Radioterapia aspetti fisici

La PET in Radioterapia
aspetti fisici
dott. Marta Paiusco
Servizio di Fisica Sanitaria
Arcispedale S. Maria Nuova
3D-RT
3D -CRT:
terapia radiante in cui il volume della dose è pianificato in modo tale
da circondare il target (volume 3D) minimizzando la dose agli organi
a rischio circostanti. E’ tipicamente ottenuta con un set di campi
radianti fissi la cui forma geometrica è definita utilizzando la
proiezione del target (BEV).
IMRT:
forma avanzata di 3D-CRT che utilizza un fascio radiante ad
intensità non uniforme, intensità determinata utilizzando diverse
tecniche di ottimizzazione computerizzate
[Intensity Modulated Radiation Therapy Collaborative Working Group;
Int. J. R.O.B.P vol 51,No.4]
Forma avanzata di CRT
IMRT convenzionale
DMLC
Diagramma di movimentazione
Sistema di pianificazione
inversa IP + TPS
Acceleratore con MLC
Sistema di Record &
Verify
EPID
Collimatore Multilamellare Dinamico
La pianificazione Inversa
Il problema fondamentale è determinare una modulazione
dei profili di fluenza che:
fornisca una distribuzione di dose vicina a quella
desiderata;
sia fisicamente erogabile.
Problema inverso della pianificazione IMRT
≡
Problema di ottimizzazione
Definizione quantitativa degli obiettivi clinici del trattamento
DEFINIZIONE DEI VOLUMI DI TRATTAMENTO
Potenzialità della IMRT
Elevato indice di conformazione
Elevati gradienti di dose !?
Risparmio dei tessuti sani
Uniformità della dose all’interno del target !?
Possibilità di differenziare la dose all’interno del Target
SMART :Simultaneus Modulated Accelerated
RadioTherapy
Possibilità di una “dose escalation”
IMRT: H&N
SMART
Simultaneous Modulated Accelerated RadioTherapy
SMART
Simultaneous Modulated Accelerated RadioTherapy
IMRT: cercive uterina +linfonodi paraortici
Modulazione in intensità
Campo Antero Posteriore
Modulazione intensità
Campi laterali obliqui
Immagini multimodali
Il risultato di un trattamento radioterapico è fortemete
influenzato dai volumi considerati e dalle proprietà
radiobiologiche dei tessuti
La possibilità di identificare tali proprietà permetterebbe:
– Predirre la risposta al trattamento
– Modificare I volumi di trattamento
– Individuare diverse strategie e tecniche di trattamento
Disomogeneità della dose nel volume bersaglio
Trattamenti più aggressivi: diversa dose frazione
Immagini multimodali
CFRT e IMRT: requisito essenziale è l’immagine 3D del
paziente
La TAC è oggi la modalità primaria su cui si basa il
processo di pianificazione di un trattamento
radioterapico
L’obiettivo è quello di caratterizzare
biologicamente e individuare accuratamente la
regione tumorale
Immagini multimodali
PET: informazioni fisiologiche
Attività metabolica, attività proliferativa
Differenziare regioni necrotiche e recidive
Individuare regioni ipossiche
Bassa risoluzione
spaziale
Inaccuratezza nella
definizione dei volumi
e contorni organi
Possibile impatto della co-registrazione
PET/CT in radiotherapy
-
Modificazione dell’intento radioterapico
-
Migliorare la definizione dei volumi (GTV/CTV)
-
Modificare il frazionamento
- Modificazione della distribuzione di dose(dose painting)
-
Integraione delle informazioni biologiche nella
definizione dei volumi (BTV-Biological Target
Volume)
Immagini multimodali
La registrazioni di immagini multimodali è un processo a diversi step:
•Trasferimento di immagini
•memorizzazione
CT CT
MRI
4
3
1
P
PET
E
T
1
2
•Tasformazione di coordinate
•Interpolazione tra voxels
•Ricampionamento ad una
griglia uguale
•algoritmi
Il processo è prono ad errori che possono condurre ad importanti
errori nella selezione del trattamento
QA del processo di registrazione delle immagini è fortemente
raccomandato dall’ American Association of Physicists in Medicine
Task Group 53 Report*
*Fraass B, et al. Med. Phys. 1998;25(10):1773-829.
QA del sistema di fusione di immagini
Tecnica di registrazione delle immagini: match puntuale
10 markers
Centroide identifica la posizione del
marker
Rapporto dell’attività tra sfere e
volume circostante 4:1; 8:1; 16:1;
2
Diametro delle sfere (mm): 26.82;
21.79;17.69; 14.43; 11.89; 8.23
Fiducial markers
Modulo di registrazione dell’Eclipse
Accuratezza della
registazione:verifica visiva
Accuratezza della registrazione: distanza
tra markers esclusi nel match
point2
point1
Test points
XMax[mm]
YMax[mm]
ZMax[mm]
5/10
2+0.5
2+0.5
3
5/10*
1.5+0.5
2+0.5
3
5/5
3+0.5
3+0.5
3
Accuratezza della registrazione: verifica
visiva e parametri della finestra di
visualizzazione
PET e GTV
S1
S2
S1
S2
PET e GTV
Window level of PET images change size, shape and contrast
of the target volume
PET e GTV
Window level of PET images change size, shape and contrast
of the target volume
PET e GTV
CRITERIO: 45% del massimo conteggio
Immagini multimodali
Riproducibilità nel posizionamento del paziente
CT and PET devono essere
acquisite nello stesso giorno
I markers non devono
essere rimossi dal paziente
Flat couch top
Lo stesso tecnico della
simulzione dovrebbe essre
presente per posizionare il
paziente durante le scansioni
PET e TAC per ottimizzare la
riproducibilità del paziente
Laser Positioning
System
Immobilization &
localization System
Immagini multimodali:
co-registrazione volumi paziente
9 Point based registration
Errore medio nello spazio: 2.7 mm
Errore max nello spazio: 3.4 mm
9 Mutual information
Immagini multimodali
Scan Acquisition
CT scan
HiSpeed NX/i (GE)
Free breathing
140 kV
140 mA
Slice thickness: 3/5 mm
Slice distance : 3/5 mm
Pixel dimension: 0.68 mm
PET scan
C-PET Plus (Philips)
Activity: 1.6MBq/Kg
Waiting time: 1h
Acquisition time:
Emission 5min
Transmission 2 min
Reconstruction Algorithm:
RAMLA 2.5D
Reconstructed matrix: 144 X 144
Slice thickness: 4 mm
Pixel dimension: 2.5 mm
Immagini multimodali
Scan Acquisition
PET scan
CT scan
HiSpeed NX/i (GE)
Free breathing
?
140 kV
140 mA
Slice thickness: 3/5 mm
Slice distance : 3/5 mm
Pixel dimension: 0.68 mm
C-PET Plus (Philips)
Activity: 1.6MBq/Kg
Waiting time: 1h
Acquisition time:
Emission 5min
Transmission 2 min
Reconstruction Algorithm:
RAMLA 2.5D
Reconstructed matrix: 144 X 144
Slice thickness: 4 mm
Pixel dimension: 2.5 mm
Gated images
PET e PTV
Curtis B. IJROBP vol55,5,2003
Ed il calcolo dosimetrico????????
Come l’immagine PET influenza la
pianificazione di un trattamento ?
Nonsmall Cell Lung Carcinoma
FDG-PET è superiore
all’imaging tradizionale nella
stadiazione del NSCLC:
fattore primario nella selezione
del tipo di trattamento
FDG può identificare noduli e
metastasi che non sono visibili
in TAC
FDG/CT conduce ad una
variazione nella strategia di
trattamento circa nel 25-30%
dei casi
Nonsmall Cell Lung Carcinoma
30 trattamenti di primi stadi di
NSCLCs sono stati pianificati da 3
diversi radioterapisti utilizzando
solo TAC e TAC/PET(FDG)
Metastasi sono state rivelate solo
dalla PET in 7 pazienti
Il PTV è stato cambiato in forma e
posizione in 22 casi
Le variazioni inter-osservatore per
il GTV(AREAMAX/AREAMIN) sono
state ridotte da 2.3 a 1.56
C. B. Caldwell et al.
Studio Pet in 35 pazieneti
Il piano di trattamento è stato
modificato in 12
Il dato PET indica,
primariamente
un’allargamento del campo di
radiazione
Un attenta calibrazione della
finestra delle immagini deve
essere effettuata per evitare
variazioni del 50% nei volumi
Munley et al. Lung Cancer
Tumore ipossico: PET ed altri traccianti
Contiene cellule clonogeniche che sono più resistenti alle
radiazione
In questo ambiente si selezionano fenotipi aggressivi
Tali cellule, se sopravvivvono al
trattamento possono proliferare per
produrre recidive locali
Sembra esista una correlazione
tra lo sviluppo di metastasi e la
presenza di regioni ipossiche nel tumore
Ipossia: H&N
Trattamento IMRT: SMART
80 Gy in 35 frazioni alla regione giudicata
ipossica Cu-ATSM PET
GTV riceve, simultaneamente 70 Gy in 35
fractions
CTV riceve 60 Gy
Il trattamento permette di risparmiare le
parotidi: 30Gy a meno del 50% el volume
Chao et al. IJROBP 4: 1171-82, 2001
Ipossia: cervello
MRI
FDG
(30-60m SUV)
FMISO Pre Rx
(120120-140m T/B Ratio)
K Krohn, University of Washington, Seattle
Ipossia: prostata
IMRT e dose differenziata
FDG-PET e IMRT nel trattamento della cervive uterina
Paziente con linfonodi paraortici positivi
CT
FDG-PET
L.N.
rene
FDG-PET e IMRT nel trattamento della cervive uterina
Paziente con linfonodi paraortici positivi
Area pelvica (1) trattata
convenzionalmente con dose
convenzionale
Area para-aortica (2) trattata
con IMRT con escalation di
dose sui linfonodi
PET utiizzata per individuare I
linfonodi positivi (PALN))
2
CAX
1
IMRT: distribuzione di dose
50.4 Gy to PALN bed
59.4 Gy to positive PALN
Orofaringe
Orofaringe
SMART
Simultaneous Modulated Accelerated RadioTherapy
SMART
Simultaneous Modulated Accelerated RadioTherapy
Il futuro della pianificazione con
immagini PET
PET adapted treatment planning
conventional PTV
functional PET imaging
conventional boost:
stacked plain volumes
graded boost:
textured volume
Thank to dr.M.Alber and dr.Thorwarth ,
Department of Medical Physics , University of Tubingen
PET adapted treatment planning
conventional PTV
functional PET imaging
conventional boost:
stacked plain volumes
graded boost:
textured volume
Planning Study
superimposed FMISOemission in the CT-scan
for treatment planning
transformation of
FMISO-PET into dose
efficiency distribution
Thank to dr.M.Alber and dr.Thorwarth ,
Department of Medical Physics , University of Tubingen
resulting isodose
distribution in the
planning target volume
FAZA
SIB-IMRT
Thank to dr.M.Alber and dr.Thorwarth ,
Department of Medical Physics , University of Tubingen
FAZA-IMRT
IDEA: Dose erogata al target secondo una relazione lineare al
livello di uptake del radiofarmaco
FDG-PET
Di = Tf(PETi)/α
Sagittal
Coronal
Transverse
K.S.DAS, Med.Phys.31(6), 2004
Conclusioni
La TAC è ancora oggi la modalità primaria utilizzata nel processo di
pianificazione ;
Altre modalità di imaging dovranno essere coregistrate con la TAC;
Per diversi regioni si è dimostrato il forte potenziale della PET nel
migliorare la pianificazione di un trattamento;
Il reale ruolo della PET necessita, comunque di una ulteriore
approfondita analisi;
L’introduzione della TAC-PET semplificherà ma non risolverà
completamente il processo di fusione delle immagini.