Tecniche di imaging nucleare per il monitoraggio di

Tecniche di imaging nucleare per il monitoraggio di trattamenti adroterapici
N. Belcari, M. G. Bisogni, N. Camarlinghi, F. Collini, A. Del Guerra, S. Ferretti, E. Kostara,
A. Kraan, S. Luciano', M. Morrocchi, M. A. Piliero, G. Pirrone, V Rosso, G. Sportelli , E. Zaccaro
ABSTRACT
Lo scopo di un trattamento radioterapico di patologie tumorali è di irraggiare il volume tumorale con una dose elevata di radiazioni risparmiando i tessuti sani circostanti. Nella radioterapia con fasci esterni questo
obiettivo è più facile da raggiungere se si utilizzano fasci di particelle cariche pesanti il cui rilascio di energia in funzione dello spessore di tessuto attraversato è caratterizzato dal picco di Bragg. Tuttavia la precisione del
trattamento potrebbe essere compromessa da cambiamenti fisiologici temporanei degli organi e tessuti, con un conseguente sottodosaggio del tessuto tumorale o sovradosaggio del tessuto sano circostante. Pertanto
sarebbe preferibile un monitoraggio del trattamento.
L'imaging basato sulla PET è una tecnica non invasiva di monitoraggio in-vivo, il cui scopo è di paragonare la distribuzione di attività misurata degli emettitori β + con la distribuzione di attività calcolata in fase di
pianificazione del trattamento. Il nostro gruppo di ricerca ha una vasta esperienza nello sviluppo di scanner PET. In questo lavoro verranno mostrati i risultati ottenuti durante lo sviluppo di diversi scanner PET per il
monitoraggio di trattamenti adroterapici. Inoltre verranno descritti i risultati ottenuti dalle simulazioni Monte Carlo dei sistemi PET e i metodi di ricostruzione delle immagini. Infine, verranno mostrate le prime immagini
ottenute presso il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) a Pavia.
MONITORAGGIO IN ADROTERAPIA
Positron Emission Tomograpy
Cosa è l'adroterapia
IMRT, 9 campi
Ioni carbonio, 2 campi
(Durante & Loeffler, Nat. Rev. Clin. Oncol, 2010)
Perchè il monitoraggio
0
L’estrema precisione della terapia adronica può essere tuttavia compromessa se il range del
protone durante il trattamento varia rispetto a quello calcolato, a seguito di modifiche
fisiologiche (quali riduzione del volume del tumore e perdita di peso durante il trattamento,
errori nel posizionamento del paziente, etc). La posizione del picco di Bragg risulta quindi
variata e questo può causare maggiore rilascio di dose in organi che dovrebbero essere
risparmiati.
Anche se il collegamento fra dose e attività è solo indiretto,
misurare l’attività e paragonarla con la predizione Monte
Carlo ci permette di misurare variazioni nel range dei protoni,
che potrebbero indicare problemi con la somministrazione
della dose.
p+
p+
Activity and dose [arbitrary units]
Uno dei metodi più consolidati per controllare se la dose è stata somministrata correttamente è la Tomografia ad Emissione di
Positroni (Positron Emission Tomography, PET). La funzionalità è basata sulla rivelazione dell’attività β+ dei radioisotopi prodotti
durante l'irraggiamento, principalmente ioni 15O e 11C.
L’adroterapia è una tecnica di radioterapia a fasci esterni che
utilizza fasci di particelle cariche pesanti per irraggiare tessuti
tumorali. La sua efficacia è dovuta principalmente al fatto che
la deposizione di dose da particelle cariche nel tessuto segue
l’equazione di Bethe-Bloch: la dose aumenta con lo spessore
fino al picco di Bragg (range), oltre il quale scende a zero.
16O,
(p,n) + 15O
12C, (p,n) + 11C
0.05
0.045
0.04
Dose
Activity
0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
z [cm]
Scopo finale
Lo scopo finale è di sviluppare un metodo per controllare la qualità
del trattamento tramite una PET in real-time, cioè durante il
trattamento del paziente. Il confronto fra i dati acquisiti nei primi minuti
di irraggiamento, cioè usando solo una frazione della dose totale, e il
calcolo Monte Carlo fornirebbe un valido strumento di controllo.
(Parodi, Nuclear Medicine Review 15.C (2012): 37-42.)
METODI MONTE CARLO
●
●
●
●
●
RICOSTRUZIONE DELLE IMMAGINI TOMOGRAFICHE
Algoritmo di ricostruzione Maximum Likelihood Expectation
Maximization (MLEM)
Strumento per calcolare energia, dose, attività nei materiali
Confronto con i dati sperimentali per studiare i processi fisici che stanno
alla base delle interazioni
La densità di attività dei radioisotopi emettitori β+ può essere ricostruita rivelando i fotoni di annichilazione ottenuti
dall’interazione del positrone risultante dal decadimento β+ con gli elettroni del tessuto biologico.
Per questo questo motivo i dati PET sono collezionati sotto forma di Line Of Response (LOR), ossia linee ideali in cui sono
stati generati i due fotoni e che sono identificate dalle linee che uniscono le coppie di cristalli in cui i due fotoni sono stati
rivelati.
Descrizione realistica delle interazioni nei casi in cui gli approcci analitici
non possono essere adottati, come ad esempio nei casi di geometrie
complesse o materiali inomogenei.
Studio di quantità che non possono essere misurate direttamente
La MLEM è uno dei metodi statistici standard per la stima di quantità fisiche a partire da misure. Questo metodo si basa
sull’ipotesi che i dati LOR ni siano variabili poissoniane indipendenti. Sfruttando queste ipotesi è possibile costruire un
Start up e commissioning di nuovi centri di terapia: e.g. calcolo delle
schermature
funzionale il cui massimo è la distribuzione di attività che ha generato i dati LOR misurati.
La procedura di massimizzazione è eseguita con un algoritmo iterativo:
Pij è la probabilità che una coppia di fotoni
emessa nel j-esimo voxel sia rivelato nella LOR i
y
PMMA
Fascio di protoni
I
z
Contributo dei diversi radioisotopi all'attività
β+ generata in un blocco di PMMA irradiato
da un fascio di protoni
x
new
j
=
I old
j
M
∑Pij
M
∑P
ij
i=1
i=1
N
Numero di coppie di
fotoni rivelate nella
i-esima LOR
ni
old
I
∑ j Pij
j=1
N Numero di Voxel dell’immagine
M Numero di LOR del detector
Voxel j-esimo dell’immagine
Attività generata in un blocco di PMMA
irradiato da un fascio di protoni
SVILUPPO DEGLI SCANNER PET
Progetto DoPET
Progetto INSIDE
Nell'ambito del progetto Research and Development in Hadrontherapy finanziato dall'INFN, e' stato
sviluppato un sistema in-beam PET dasato su 2 teste planari statiche.
Il sistema ha dimostrato la sua capacità di effettuare misure anche durante l'rraggiamento e i profili di attività
sperimentale ben si confrontano con quelli ottenuti attraverso la simulazione MC.
Vengono riportati i risultati acquisiti al CNAO rilasciando un piano di trattamento di 2 Gy su un PTV da
30x30x30 mm3
●
Due teste planari, ciascuna 10x10 cm2
●
4 moduli di rivelazione per testa
●
Ogni modulo è una matrice 23x23 di cristalli di LYSO
●
.
Il progetto INSIDE è un progetto finanziato dal MIUR (PRIN MIUR
2010-1011-2010P98A75) che nasce dalla colaborazione di diverse
università italiane e dell'INFN. Lo scopo del progetto è di costruire
un sistema di monitoraggio di trattamenti adroterapici basato su
sistemi di rivelazione della radiazione di ultima tecnologia (Silicon
Photon-Multipliers, SiPM).
Matrice di cristalli accoppiata a tubi fotomoltiplicatori PS-PMT 8500
Hamamatsu
●
Elettronica di front-end dedicata
●
Acquisizione ed elaborazione delle coincidenze basata su FPGA
Spettro energetico
dei fotoni di
annichilazione
a .u .
D ata: default phantom
D ata: m odified phantom
M C expectation (default phantom )
0.02
Testa
PET
0.015
1cm
Fascio di protoni
PMMA aria PMMA
PMMA
Phantom
Proton
beam
0.01
0.005
0
Fascio protoni
Scanner
PET
LSF + Hamamatsu
SiPM matrix
irr
0.025
Testa
PET
Il sistema di monitoraggio INSIDE prevede lo sviluppo di un
tracciatore per la rivelazione della radiazione prompt emessa
durante l'rraggiamento e lo sviluppo di uno scanner PET per la
rivelazione dei fotoni di annichilazione dei radioisotopi emettitori β+.
Il sistema verrà installato presso il Centro Nazionale di Adroterapia
Oncologica (CNAO) a Pavia.
z-profile: t=[0, t +2 m in]
Fascio protoni
Tracciatore
0
2
4
6
8
z [cm ]
Primo test del sistema
elettronico presso il centro
CNAO
Macrostruttura
temporale del fascio
di protoni
Set up sperimentale del prossimo test dei
moduli di rivelazione presso il centro CNAO
CONTATTI
N. Belcari:[email protected]
M.G. Bisogni: [email protected]
A. Del Guerra: [email protected]
M.A. Piliero: [email protected] V. Rosso:[email protected]